高压电力设备在线监测技术第5章电力电缆在线监测与诊断

第五章电力电缆在线监测与诊断On-linemonitoringandfaultdiagnosisforpowercable1当前1页，总共95页。本章内容概述电缆绝缘的劣化和诊断内容电缆绝缘的在线监测电缆的故障定位方法2当前2页，总共95页。§5.1概述3

什么是电力电缆？架空线电力电缆电力传输通道3当前3页，总共95页。

为什么使用电缆？输电通道小不受环境污染影响可靠性高对人身及周围环境干扰小特殊应用环境使用电缆的优点4当前4页，总共95页。制造工艺复杂造价高施工维修麻烦使用电缆的缺点5当前5页，总共95页。电力电缆发展简史6当前6页，总共95页。电力电缆的使用至今已有百余年历史。1879年爱迪生首次使用电缆实现地下输电。1911年德国敷设60kV高压电缆。1913年霍希施泰特研制成分相屏蔽电缆。1981年研制成1000kV的特高压电力电缆。7当前7页，总共95页。XLPE电缆结构简单无敷设落差限制安装维护方便1952年：发明XLPE材料1957年：GE制成XLPE电缆50年代末：第一代工艺|湿法交联70年代末：第二代工艺|干式交联80年代中后期：第三代工艺|净化材料,自动控制8当前8页，总共95页。电缆的种类油纸绝缘电缆气体绝缘电缆塑料绝缘电缆9当前9页，总共95页。聚氯乙烯电缆聚乙烯电缆XLPE（交联聚乙烯电缆）塑料绝缘电缆铜量/1000t501001506670747882861231.电力电缆合计2.XLPE电缆3.油纸电缆10当前10页，总共95页。交联聚乙烯电缆

XLPE，crosslinkedpolyethylene

30余年历史

性能优良、工艺简单、安装方便

得到广泛应用11当前11页，总共95页。XLIE电缆的基本结构12当前12页，总共95页。交联聚乙烯绝缘电缆结构示意图1、导体2、导体屏蔽3、交联聚乙烯绝缘4、绝缘屏蔽5、金属屏蔽

6、填充7、内衬层8、铠装层9、外护套13当前13页，总共95页。导电线芯：高导电率材料，绞线承圆形或扇形截面。绝缘层：高电阻率材料，tg、低而电气强度Eb高的油浸纸、橡皮或塑料。密封护套：保护绝缘线芯免受机械、水分、化学等的损伤，有时外部还有保护覆盖层。半导体层的作用：均匀电场，它可以克服电晕及游离放电，使芯线与绝缘层之间有良好的过渡。

14当前14页，总共95页。

15当前15页，总共95页。电缆敷设情况电压等级/kV电缆总长度/kmXLPE电缆所占比例/%1073,66498.23511,56995.3110(66)05,30390.7220(330)00,52857.950000,05642.716当前16页，总共95页。电缆故障率按电压等级17当前17页，总共95页。电缆故障率按运行时间18当前18页，总共95页。编号电缆故障原因比例A外力破坏58%B附件制造质量缺陷27%C敷设施工质量缺陷12%D电缆本体质量缺陷3%电缆故障原因§5.2电缆绝缘的劣化和诊断内容19当前19页，总共95页。水树枝劣化的监测方法：●Detectionofbridgedwatertree

On-linediagnosticmethods●Detectionofun-bridgedwatertree

Off-linediagnosticmethods交联聚乙烯电缆的寿命额定电压电压寿命极限劣化条件3-6kVrmsRatedhighestvoltage

+αafewyearsafterbridgedwatertreeinitiation11kVrmsAfterbridgedwatertreeinitiation

(1yearormore?)

morethan22kVrmsImmediatelyafterorbefore

bridgedwatertreeinitiationBDVofcablewithbridgedWT电压寿命极限BridgedwatertreeUn-bridgedwatertreeBDV;10-20kVElectricaltreeInsulationlayerInsulationlayer20当前20页，总共95页。根据现场运行经验，水树枝劣化特性如下：（l）仅发生在6kV以上的高压交联聚乙烯电缆中。（2）从投运到破坏的时间需要数年至十几年，大多数在10年以上。（3）贯通绝缘体的水树枝状劣化，大部分能维持正常工作电压以上的电压值，只有在发生脉冲电压等异常电压时才产生破坏。（4）环境温度高时，劣化进程加快。

因此对电力电缆绝缘本体进行故障监测是可行的，也是必要的。21当前21页，总共95页。§5.3电缆绝缘的在线监测离线方法

直流法

工频法

低频法

综合判断法电力电缆监测和诊断方法22当前22页，总共95页。对已运行油纸电力电缆的试验项目

23当前23页，总共95页。XLPE预试时不宜用直流耐压运行后常有（电、水）树枝生成直流耐压时沿树枝有电荷注入XLPE电阻率极高，短路时电荷放不完再加交流时电场畸变，更易击穿24当前24页，总共95页。XLPE几种停电预试方案用超低频0.1Hz测tanδ及耐压用交流（串联谐振）测tanδ及耐压用振荡波试验耐压测回复电压测极化去极化电流测损耗电流中的谐波分量25当前25页，总共95页。回复电压的测量方法26当前26页，总共95页。回复电压实例27当前27页，总共95页。Tettex546228当前28页，总共95页。极化去极化电流测量原理29当前29页，总共95页。极化去极化电流典型曲线30当前30页，总共95页。PDC-ANALYSER-1MOD

31当前31页，总共95页。绝缘连接盒两侧接成差分法以测量局放

32当前32页，总共95页。一种电缆检测系统33当前33页，总共95页。水树枝检测方法对象测量条件方法实用情况针对形成桥的水树枝离线直流泄漏电流法DCleakagecurrentunderDChighvoltageapplicationismeasured.实际采用在线直流成分法DCcomponentcurrentinserviceismeasured.直流叠加法DCcomponentcurrentwhenlowDCvoltageissuperimposedonratedvoltageismeasured.交流叠加法1Hzcurrentwhenlowvoltageof2f+1Hzissuperimposedonratedvoltage(f)ismeasured.低频叠加法7.5Hzlosscurrentwhenlow7.5Hzvoltageissuperimposedonratedvoltageismeasured.针对未形成桥的水树枝离线残余电荷法ResidualchargeafterDCvoltageapplicationismeasured.研究中损耗电流法Harmoniccomponentcurrentinlosscurrentismeasured.试用中DCleakage＞ACsuperposition≒LFsuperposition

＞DCsuperposition≫DCcomponent针对形成桥路的水树枝探测效果:34当前34页，总共95页。直流泄漏电流试验线路cableguardelectrodeterminalDCpowersupply

(buttery)recorder判断标准状态良好损坏或值得注意泄漏电流值<0.1μA0.1-1μA≧1μA电流波形-NormalPI(=I1/I10)<1Existenceofkick-35当前35页，总共95页。直流泄漏电流

(μA)Un-bridgedwatertreeBridgedwatertreeAppliedstress;1kV/mm0.0010.010.11Accumulationprobability(%)10205090●OnebridgedwatertreecanpasstheDCleakagecurrentofabout0.1μA.●Un-bridgedwatertreescanhardlypasstheDCleakagecurrent.直流泄漏电流36当前36页，总共95页。直流法直流成分电流监测

直流叠加法

直流电桥法37当前37页，总共95页。直流成分法机理电缆中存在水树时，类似尖板电极具有整流作用。因此在工作电压下，电缆绝缘中将流过微小的直流电流。根据这一电流的数值，既可判断电缆中水树的发展状况。直流成分电流监测38当前38页，总共95页。

TR

配电变压器

GPT

接地保护用

电压互感器

M

直流微电流

检测装置

(nA级)回路中流通微弱的直流成分电流直流成分电流监测原理接线直流成分电流监测39当前39页，总共95页。

微电流测量装置

微电流测量仪

低通滤波器

衰减交流成分、检出直流成分

接地保护装置

保证试验人员和装置的安全直流成分电流监测40当前40页，总共95页。直流成分电流监测6kVXLPE电缆交流击穿电压与直流分量的关系41当前41页，总共95页。判断规则

直流成分电流

小于1nA

绝缘良好

大于100nA

绝缘不良

介于两者间加强监测直流成分电流监测42当前42页，总共95页。护层与地之间有化学电势Es

直流成分电流监测43当前43页，总共95页。

护层与电缆绝缘护层的绝缘电阻下降

M中将流过杂散电流

通常Es不超过0.5V

当护层绝缘电阻小于200500M

杂散电流将影响诊断的可靠性44当前44页，总共95页。直流法直流叠加法

借助电抗器将直流电压在线叠加于电缆绝缘测量直流叠加电流。45当前45页，总共95页。防止影响GPT二次输出电压

直流电压不能很高，约1050V

直流电压不高

电缆绝缘处于交流高压作用下

真实反映绝缘的实际状况直流叠加法46当前46页，总共95页。6kVXLPE电缆

直流叠加电流

与

水树长度

的关系

直流叠加法47当前47页，总共95页。保证安全

L、C

调谐于50Hz

杂散电流Es的影响

正、反向

叠加直流

电压消除直流叠加法48当前48页，总共95页。判断规则

测得绝缘电阻

大于1000M绝缘良好

小于10M绝缘不良

介于两者间加强监测

试验证明：用直流叠加法测得的绝缘电阻与停电后加直流高压时的测试结果很相近。直流叠加法49当前49页，总共95页。Testcircuit直流重畳法による絶縁抵抗（MΩ）直流漏れ電流法による絶縁抵抗（MΩ）

DCpower

supplyMeasuringequipmentcable●DC5-50Vissuperimposedonthe

highvoltageinservice.●DCcomponentinleakagecurrent

ismeasured.ResistancemeasuredbyDCsuperpositionmethod(MΩ)ResistancemeasuredbyDCleakagecurrent(MΩ)RelationshipbetweenDCsuperpositionmethodandDCleakagecurrent.DCSuperpositionMethod●DCleakagecurrentishighly

sensitivity.50当前50页，总共95页。時間絶縁抵抗（MΩ）時間絶縁抵抗（MΩ）Resistance(MΩ)Resistance(MΩ)TimeTimeTimechangeofDCsuperpositioncurrentProblem●Thismethodtendstobeinfluenced

bythestraycurrentorcorruptionof

theterminal.●Measuredvaluewillchangewith

measurementtimeorhumidityvery

much.

●Thetrendmanagementbyon-line

diagnosisisrequired.DCSuperpositionMethod51当前51页，总共95页。直流法直流电桥法测量电缆绝缘电阻的电桥接线52当前52页，总共95页。电桥平衡

Rx=(E1-V4)R2/V4

设E1为20V，

V4为1mV，R2为50M

Rx最大可测到100000M

防止直流电压对GPT的有害影响直流电桥法53当前53页，总共95页。Es影响的消除

调节R4及E0

V0指示为零

其他设备的绝缘电阻与R3并联

R3之值并不参与计算

其他设备的绝缘电阻不影响测量结果直流电桥法54当前54页，总共95页。加于电缆的电压信号(通过电压互感器取出)

流过绝缘的电流信号(通过电流互感器取出)

通过数字化测量装置

电缆绝缘的tg

工频法介损因数法55当前55页，总共95页。什么是介质损耗角(tand)??

time/sec010电压电流

=介质损耗角tanδ

=有功功率无功功率56当前56页，总共95页。

受潮对tan的影响57当前57页，总共95页。温度对tan的影响58当前58页，总共95页。6kVXLPE电缆交流击穿电压

与在线测得tg

间的关系59当前59页，总共95页。

统计分析表明

tg大于1%

绝缘不良60当前60页，总共95页。如果满足以下条件，电缆状态正常:tan

d

(2

U0)<1.2‰and[tan

d

(2Uo)-tan

d(Uo)]<0.6‰

如果发生以下情况，则电缆处于故障状态(须立即更换）:

tan

d

(2Uo)³2.2‰or[tand(2Uo)-tan

d(Uo)]³

1.0‰对于XLPE电缆这一标准是非常重要的。XLPE的

tand标准61当前61页，总共95页。工频法局部放电法试验分析证明

绝缘中的电树枝达到0.5mm时

局部放电量约100pC

由-q、-n、q-n、或-q-n谱图

判断电缆状态

放电相位，q放电量，n重复率62当前62页，总共95页。

偏斜度s

在4个象限中

的分布

预测树枝的

延伸发展情况

P点进入第3象限

绝缘进入危险状态63当前63页，总共95页。水树

流经电缆绝缘

的电流也含有

低频成分

根据频谱分析

频率在10Hz,特别在3Hz以下.低频法低频成分法64当前64页，总共95页。在电缆接地线中串接入测量装置

由测得的低频电流诊断绝缘

低频电流也是纳安级

对测量装置要求较高65当前65页，总共95页。低频法低频叠加法避免直流微电流测量上的困难

将7.5Hz、20V的低频电压

在线叠加于电缆

在电缆接地线中串接入测量装置

绝缘电阻值66当前66页，总共95页。

低频叠加法6kV电缆绝缘电阻

与工频击穿电压的关系67当前67页，总共95页。判断规则

绝缘电阻大于1000M

性能良好

绝缘电阻小于1000M

性能下降

绝缘电阻小于400M

电缆应立即更换68当前68页，总共95页。综合判断法绝缘状态与特性参数间的统计分散性

仅用一种方法诊断绝缘

漏判和错判的可能

采用几种方法，互相配合进行复合诊断

可提高诊断的正确性

采用包含直流叠加法、tg法和局部放电法的复合诊断

诊断的准确率高达95%以上69当前69页，总共95页。电缆故障的演变早期电缆本体故障为主

近期电缆负荷过载性故障较多

目前电缆附件故障已成为重要故障原因。

电缆终端或中间接头出现放电点

电缆终端或中间接头出现过热点

电缆外护层绝缘不良导致的环流故障70当前70页，总共95页。对电缆在线监测技术的要求实时报警

故障精确定位

综合监测（温度、烟雾、放电等）71当前71页，总共95页。●Amongon-linediagnosticmethods,

thedetectionsensitivitytobridged

watertreeishigh.●Thismethodisstronginanoise.●Highvoltageworkisunnecessary.ACSuperpositionMethodNo．DCleakagecurrent(μA)ACsuperpositionmethod(nA)adjust5kV10kV16kV10.010.020.0014.48X20.020.74-6.34X30.000.000.008.37OK40.403.10-17.79OK50.0210.5-76.72OK60.010.030.002.84OK70.000.020.006.43OK80.010.030.0021.30X90.010.190.2156.80OK100.102.80-34.13OK110.000.060.0727.79X120.3010.50.2517.62Ok130.000.000.003.03OK140.000.000.004.17OK150.000.000.0032.54X160.000.000.007.78OK170.000.000.002.71OK180.000.000.003.06OK190.000.000.001.19OK200.000.000.003.88OK21--0.8514.57OKOn-sitemeasurementresultsMeasuringequipments●Measuringtime;20min.

●Weight;40kg

●Powersupply;50/60Hz100V72当前72页，总共95页。LossCurrentMethodHVCurrentwhich

flowsonacable(Losscurrent)(Capacitycurrent)Testcircuit●Onlythewaveformforlosscurrentisobservedbycomparingacurrent

phasewithavoltagephase.●ThepeakvalueI3andphasedifferenceangleθ3tothebasicwaveof

the3rdharmonicscurrentwaveareusedasanindexofadegradation

judging.73当前73页，总共95页。●Theaclosscurrentwaveisdistorted

bywatertree.

(Theoccurrenceofharmonics)●Harmoniccurrentchangesaccording

tothegrowthofwatertree.

(I3:small→large,θ3:－→0°)

Thelevelofwatertreedeteriorationis

judgedbyharmonic.ShortWTＩ3：smallΘ3：LargeBDV:HighLongWTＩ3：LargeΘ3：SmallBDV:LowLossCurrentMethodNondegradationRelationshipbetweenwatertreedegradationandlosscurrentwaveform74当前74页，总共95页。LossCurrentMethodResultofdiagnosisusingremovedcablesResultofdiagnosisGoodDefectThedegreeofdegradation(Breakdownvoltage)Small(≧100kV)46samples

(Correct)4samples

(Failure)Large

(<100kV)0samples

(Failure)3samples

(correct)●Rateofcorrectanswers:92%●Thepoorcableisnotjudgedtobegood.

(Thebreakdowninserviceafterdiagnosisisavoidable.)75当前75页，总共95页。cableDCpowersupplyRACpowersupplyLPFOutput①②③SignalcableDCpowersupplyRACpowersupplyLPFOutput①②③SignalCableDCpowersupplyRACpowersupplyLPFOutput①②③SignalResidualChargeMethodTestcircuitResidualchargesignal1.ApplicationofDCpre-stressvoltage（①）

・Chargeisaccumulatedintheinsulationlayerincludingwatertree.2.Short-circuiting(Earth)（②）

・Accumulatedchargeintheinsulationlayerisdischarged,buttrappedcharge

inwatertreeregionisnotreleased.(Theexistenceofresidualcharge)3.Applicationinsteps

ofACvoltage（③）

・Trappedchargeisreleasedfromwatertreeregion.

・DCcomponentcurrentbyresidualchargeismeasured.③(DCcomponentcurrent)DCcurrentProcedureofmeasurement76当前76页，总共95页。●The

highestvoltagevaluethat

residualchargeisdetectedis

usedastheindextoestimatethe

degreeofwatertreedeterioration.ResidualChargeMethodProcedureofvoltageapplicationReleaseofresidualcharge●Trappedchargeinlongwatertree(heavydeterioratedwatertreeregion)

requiresahighervoltageapplicationtobereleased.①②③77当前77页，总共95页。ResidualChargeMethodSample①Sample②Measurementresults

ofresidualchargeRelationshipbetweenErandEBDMax.releasedstressofresidualcharge,Er

(kV/mm)ACbreakdownstress,EBD

(kV/mm)

ACappliedvoltage(kV)

ACappliedvoltage(kV)Residualcharge(nC)Residualcharge(nC)●EBDdecreasesalongwith

theincreasesinEr.78当前78页，总共95页。ResidualChargeMethodSchematicdiagramOn-siteexamination●Diagnosisisautomaticallyperformed

byPC.●DiagnosticresultisdisplayedonPC

forashorttime.●Totalweight;4tonorless●Max.load;1.4μF●Powersource;200V/100V,

10kVAorless79当前79页，总共95页。ComparisonofOn-lineDiagnosisandOff-lineDiagnosisDiagnosistechnologyDetectionpurposeFeatureOn-lineAbnormalitiesofequipment

Informationforthescramofequipment●Trendmanagementis

possible.●Itiseasytobeinfluencedof

anoise.●Initialcost:moreexpensive

Runningcost:cheaperAgeddegradationofequipment

Informationforplannedreplacement●Initialcost:cheaper

Runningcost:moreexpensiveOff-line80当前80页，总共95页。EffectiveExampleofOn-lineDiagnosisOn-linedegradationdiagnosisofaXLPEcable●Datachangeswithmeasurementtimealot.Inthecaseoffixeddiagnosis,anincorrectjudging

maybecarriedout.

(Measurementdataneedstobetrendmanaged.)時間絶縁抵抗（MΩ）Resistance(MΩ)Time時間絶縁抵抗（MΩ）Resistance(MΩ)Time81当前81页，总共95页。一些新型方法分布式光纤温度传感器基于Faraday效应的光磁场传感器0.1Hz超低频余弦波耐压试验高压电缆局部放电故障定位使用噪声减轻系统进行电缆局部放电的故障定位技术82当前82页，总共95页。DTS安装

DTS–原理

230kV电缆表面温度83当前83页，总共95页。84当前84页，总共95页。85当前85页，总共95页。Layoutoflaboratorytestsystem实验室测试6.6kV/LVtransformers(1MVAx2)Cablesundertest(Maximumcurrent2kA)Threephase0-230Vvariac(75kVA)400V,100Asupply86当前86页，总共95页。6.6kV/LVTransformersCablesintrenchThermocouples

ThermocoupleoncablesurfaceandcoreThe3600paperlesstemperaturerecorder87当前87页，总共95页。应用–热点定位LocatedhotspotandsiteconditionsLayoutof