电力电缆的试验与故障诊断演示文稿

电力电缆的试验与故障诊断演示文稿当前第1页\共有29页\编于星期三\5点优选电力电缆的试验与故障诊断当前第2页\共有29页\编于星期三\5点的损伤点不在支点处且又未浸泡在水中或置于特别潮湿的环境中，则外护套的操作很难通过测量绝缘电阻来发现，此时测量铜屏蔽层对钢铠甲的绝缘电阻则更为重要。电缆终端或套管表脏污、潮湿对绝缘电阻有较大的影响。除擦拭干净外，还应加屏蔽环，将屏蔽环接到兆欧表的“屏蔽”端子上，当电缆为三芯电缆时，可利用非测量相作为两端屏蔽环的连线，见图12-1。

图12-1测量绝缘电阻时的屏蔽接线（a）单芯电缆；（b）三芯电缆当被测电缆较长时，充电电流很大，因而兆欧表开始指示的数值很小，这并不表示绝缘不良，必须经过较长时间遥测才能得到正确的结果。当前第3页\共有29页\编于星期三\5点二、直流耐压、泄漏电流试验1、直流耐压试验交流电力电缆之所以用直流来进行耐压试验，主要是由于电力电缆具有很大的电容，现场采用大容量试验电源不现实，所以改为直流耐压试验，以显著减小试验电源的容量。直流耐压试验一般都采用半波整流电路，由于电缆电容量较大，故不用加装滤波电容。对于35kV以上的电缆，试验电源采用倍压整流方式。试验中测量泄漏电流的微安表可接在低电位端，也可接在高电位端。通常直流试验所带来的剩余破坏也比交流试验小得多（如交流试验因局部放电、极化等所引起的损耗比直流时大）。直流试验没有交流真实、严格，串联介质在交流试验中场强分布与其介电常数成反比，而施加直流时却与其电导率成反比，因此在直流耐压试验时，一是适当提高试验电压，二是延长外施电压的时间。正常的电缆绝缘在直流电压作用下的耐电强度约为400~600kV/cm，比交流作用下约大一倍左右，所以直流试验电压大致为交流试验电压的两倍，试验时间一般选为5~10min。一般电缆缺陷在直流耐压试验持续的5min内都能暴露出来，GB50150—91规定了最长的持续试验时间为15min。纸绝缘电力电缆、塑料绝缘电力电缆、橡皮绝缘电力电缆的直流耐压和泄漏电流试验电压标准见表12-1。当前第4页\共有29页\编于星期三\5点

电缆额定电压U0/U纸绝缘电力电缆橡、塑绝缘电力电缆1.8/312113.6/617或24186/630256/1040258.7/10473721/351056326/351307848/66/14464/110/192127/220/305190/330//290/500//表12-1电力电缆直流耐压和泄漏电流试验电压（kV）当前第5页\共有29页\编于星期三\5点

电缆的直流击穿强度与电压极性有一定关系。试验时一般电缆芯接负极，电缆芯接正极时，击穿电压比接负极时约高10%。 浸渍纸绝缘电缆的击穿电压与温度关系很大，在温度t℃时的击穿电压U与在25℃时的击穿电压U0有如下关系 （12－1） 即在25℃以上，每升高1℃击穿电压降低0.54%。 在进行直流耐压和泄漏电流试验时应均匀升压，升压过程中在0.25、0.5、0.75、1.0倍试验电压下各停留1min，读取泄漏电流值，以便必要时绘制泄漏电流和试验电压的关系曲线。 进行完电缆直流耐压或泄漏电流试验后，应牢记先用100~200k的限流电阻充分放电，然后还要对地直接放电，并保持足够的接地时间。2、泄露电流试验 绝缘良好的电缆泄漏电流很小，一般只有几到几十微安。由于试验设备用高压引线等杂散电流的影响，当将微安表接入低电位端测量时，往往使测量结果不准，有时误差竟达到真实值的几倍到几十倍。在实际测量中应尽量将微安表接在高电位端的接线，这时对测量微安表、引线及电缆两头，应该严格地屏蔽，对于整盘电缆可以采用如图12-2所示屏蔽接线方式。这里微安表采用金属屏蔽罩屏蔽，微安表到被试品的引线采用金属屏蔽线屏蔽，对电缆两端头则采用屏蔽帽和屏蔽环屏蔽。屏蔽和引线之间只有很小的电位差，所以并不需要很高的绝缘。当前第6页\共有29页\编于星期三\5点

图12-2测量直流泄漏电流时的屏蔽方法1—微安表屏蔽罩；2—屏蔽线；3—端头屏蔽帽；4—屏蔽环在现场试验时，由于电缆两头相距很远，无法实现连接，所以上述方法是不可行的。有的运行单位采用借用三相电缆中的另一相作为两端屏蔽连线，但由于测量的泄漏电流包含了另一相的泄漏电流，且每相均承受两次耐压，因此采用这种方法的等效性值得研究。现场采用两端同时测量的方法，其接线如图12-3所示，即在非高压电源端增加一个测量微安表，同时记录两端的泄漏电流值。这时高压电源端测得的泄漏电流包含电缆绝缘的泄漏电流和表面泄漏电流、杂散电流，而另一端测量的是表面泄漏电流和杂散电流，从而电缆的泄漏电流为两者的差。当前第7页\共有29页\编于星期三\5点

图12-3两端同时测量泄漏电流的接线另一种简便有效的方法是在施加电压相和非施加电压相之间放置一个绝缘板，或将绝缘手套套在施加电压的那一相电缆终端上，以改善局部电场分布，减小电晕的影响。3、关于常见的交联聚乙烯电缆直流耐压试验的讨论交联聚乙烯电缆绝缘直流耐压试验是一个有争议的试验项目，由于交联聚乙烯绝缘性质十分特殊，进行直流耐压试验可能是不适合的。主要观点有：（1）直流电压对交联聚乙烯绝缘有积累效应，当经过直流耐压试验后，将在电缆绝缘中残余一定的直流电压，这时将电缆投入使用，大大增加了击穿的可能。（2）交联聚乙烯电缆在运行中，在主绝缘交联聚乙烯中逐步形成水树枝、电树枝，这种树枝化老化过程，伴随着整流效应。由于有整流效应的存在，致使在直流耐压试验过程中，在水树枝或电树枝端头积聚的电荷难以消散，并在电缆运行过程中加剧树枝化的过程。（3）由于XLPE绝缘电阻很高，以致在直流耐压时所注入的电子不易散逸，它引起电缆中原有的电场发生畸变，因而更易被击穿。（4）由于直流电压分布与实际运行电压不同，直流试验合格的电缆，投入运行后，在正常工作电压作用下也会发生绝缘故障。当前第8页\共有29页\编于星期三\5点

因而，有的运行单位将交联聚乙烯电缆的直流耐压试验从常规性预防性试验改为鉴定性试验，即当其他预防性试验项目发现问题而又无法判断电缆能否投运时，才进行直流耐压试验。也有建议将直流耐压试验改作交流耐压试验，如采用串联谐振法或超低频（0.01Hz）法进行试验。近年来发展的交联聚乙烯电缆在线检测技术为交联聚乙烯电缆运行检测提供了新的方法。三、其他试验 基于电力电缆的吸收过程的特点，国内外已研究出几种有一定特点的停电试验方法，如残余电压法、反向吸收电流法、电位衰减法等，这些方法在实际应用中取得了较好的效果，有的已与在线检测配合使用。残余电压法 其测量原理如图12-4所示。测量时将开关K2打开，K3打到接地侧，开关K1合向试验电源，使被试电缆充上直流电压。一般可按每毫米绝缘厚度上的电压为1kV来施加电压。约经10min充电后，将K1及K2先后打到接地侧，经约10s后打开K1、K2，将开关K3合向试验电源，以测量电缆绝缘上的残余电压，对XLPE电缆测得的残余电压与其tan值的相关性较好。研究表明交联聚乙烯电缆不同老化过程阶段其残余电压明显不同，电缆劣化越严重残余电压越高。当前第9页\共有29页\编于星期三\5点

图12-4残余电压法测量原理2、反向吸收电流法反向吸收电流法测量原理如图11-5所示。测量时先将开关K2闭合，K1打到电源侧，让电缆加上1kV直流电压10min，然后将K1打到接地侧让电缆放电；3min后打开K2，由电流表测量反向吸收电流。而“吸收电荷”Q在这里定义为3min到33min，30min内电流对时间的积分值。图12-5反向吸收电流法测量原理当前第10页\共有29页\编于星期三\5点

图12-6给出了运行中因老化而退下的6.6kVXLPE电缆的吸收电荷、绝缘电阻及tan与该电缆交流击穿电压U的关系，可见其Q-U的相关性比tan-U还要好，而绝缘电阻与U的相关性最差。由此可见当监测某电缆整体劣化时，以测量Q及tan为宜。因两者均取决于绝缘的整体特性，而测残余电荷时外界干扰也较小，测量比较准确。图12-6吸收电荷、绝缘电阻、tanδ和交流击穿电压相关性当前第11页\共有29页\编于星期三\5点

3、电位衰减法电位衰减法是在电缆放电后测量自放电的电压下降速度，其测量原理如图12-7所示。试验时先对电缆绝缘充电，再打开开关K1让它自放电。由于静电电压表的绝缘电阻远高于电缆的绝缘电阻，如电缆绝缘良好，则自放电很慢；如电缆绝缘品质已经下降，则放电电压下降速度很快，如图12-8所示的曲线。

图12-7自放电法测量原理图12-8自放电电压的下降曲线当前第12页\共有29页\编于星期三\5点第二节电力电缆的运行状态检测与分析 方法试验电源检测效果存在的问题绝缘电阻测量低压直流可测量绝缘电阻、终端受潮终端表面泄漏的影响直流耐压试验高压直流可测出施工缺陷及绝缘劣化可能引起交联聚乙烯绝缘损伤直流泄漏测量高压直流可测出吸潮、树枝劣化电晕、电源波动的影响局部放电测量交流工频可检测内部气隙、外伤要消除干扰、提高灵敏度超低频、三角波专用电源设计、制造tanδ测量交流工频对检测受潮、水树枝有效需要大容量电源超低频高压要消除干扰反向吸收电流高压直流对检测水树枝等有效要消除局部电流或终端脏污残余电压法高压直流对检测水树枝等有效要消除表面泄漏目前预防性试验中规定的电缆试验项目不多，主要是绝缘电阻测量和直流耐压试验，在实际检测中，根据需要又开发出多种判定或鉴别电缆性能的试验方法，它们各有优缺点，表12-2给出了现在较常见的试验方法的对比。表12-2常见电缆老化检测方法比较当前第13页\共有29页\编于星期三\5点

一、直流分量法由于交联聚乙烯电缆中存在着树枝化（水树枝、电树枝）绝缘缺陷，它们在交流正、负半周表现出不同的电荷注入和中和特性，导致在长时间交流工作电压的反复作用下，水树枝的前端积聚了大量的负电荷，树枝前端所积聚的负电荷逐渐向对方漂移，这种现象称为整流效应。由于“整流效应”的作用，流过电缆接地线的交流电流便含有微弱的直流成分，检测出这种直流成分即可进行劣化诊断。用图12-9所示的测量回路可在交联聚乙烯电缆系统中，检测到电缆线芯与屏蔽层的电流中极小的直流分量。图12-9直流分量在线监测回路上述这些方法可以从不同侧面研究电缆老化情况，具有一定的效果，但对于交联聚乙烯电缆普遍认为不适合进行高压直流试验，所以针对交联聚乙烯电缆发展了多种在线检测方法。当前第14页\共有29页\编于星期三\5点

研究表明，水树枝发展得愈长，直流分量也就愈大，而且XLPE电缆的直流分量电流Idc与其直流泄漏电流及交流击穿电压间往往具有较好的相关性，如图12-10、图12-11。在线检测出Idc增大时，常常说明水树枝的发展、泄漏电流的增大，这样的绝缘劣化过程会导致交流击穿电压的下降。

图12-10泄漏电流与直流分量的相关性 直流分量法测得的电流极微弱，有时也不大稳定，微小的干扰电流就会引起很大误差。研究表明，这些干扰主要来自被测电缆的屏蔽层与大地之间的杂散电流，因杂散电流及由水树枝引起的电流，均经过直流分量装置，以致造成很大误差。可以考虑采取旁路杂散电流或在杂散电流回路中串入电容将其阻断等方法。当前第15页\共有29页\编于星期三\5点

图12-11交流击穿电压与直流分量的相关性二、直流叠加法直流叠加法的基本原理是在接地的电压互感器的中性点处加进低压直流电源（通常为50V），使该直流电压与施加在电缆绝缘上的交流电压叠加，从而测量通过电缆绝缘层的微弱的纳安级直流电流或其绝缘电阻，其测量原理如图12-12所示。当前第16页\共有29页\编于星期三\5点

图12-12直流叠加法测量原理图由于直流叠加法是在交流高压上再叠以低值的直流电压，这样在带电情况下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。但绝缘电阻与电缆绝缘剩余寿命的相关性并不很好，分散性相当大。绝缘电阻与许多因素有关，即使同一根电缆，也难以仅靠测量其绝缘电阻值来预测其寿命。对于中性点固定接地的三相系统，也可在三相电抗器中性点上加进低压直流电源而仍用直流叠加法在线检测电缆绝缘性能。当前第17页\共有29页\编于星期三\5点

图12-13多路巡回检测tan测量原理三、电缆绝缘tan 对电缆绝缘层tan值的在线检测方法，与电容型试品的在线检测tan方法很相似。对多路电缆进行tan巡回检测时，仍常由电压互感器处获取电源电压的相位来进行比较，其原理框图如图12-13所示。当前第18页\共有29页\编于星期三\5点

图12-14水树枝长度与电缆tan的关系通常认为，发现集中性的缺陷采用直流分量法较好，因为tan值往往反映的是普遍性的缺陷，个别的较集中的缺陷不会引起整根长电缆所测到的tan值的显著变化。由图12-14可见，电缆绝缘中水树枝的增长会引起tan值的增大，但分散性较大。同样，在线测出tan值的上升可反映绝缘受潮、劣化等缺陷，交流击穿电压会降低，相关的关系如图12-15的实例所示，同样具有一定的分散性。电缆的tan(%)内或外导体开始内、外导体均有领结状树枝最长的水树长(mm)4.03.02.01.00.010.050.11.010当前第19页\共有29页\编于星期三\5点

图12-15电缆tanδ与长时击穿电压的关系在对已运行过的XLPE电缆进行加速老化试验，得出水树枝发生的个数以及最长的水树枝长度与电缆tanδ测量值的关系，如图12-16及图12-17所示，它们的趋势是明确的，但分散性很大。如将最长的水树枝长度与每单位长度电缆中的树枝数的乘积作为横坐标，则与测得的tanδ(纵坐标)之间具有更好的相关性，说明测得的tanδ值取决于整体损耗的变化。电缆的tanδ(%)从10kV开始加电压从35kV开始加电压20kV10kV9080706050403020100.05

0.1

0.51.05.010

交流长时间击穿电压（kV）当前第20页\共有29页\编于星期三\5点

图12-16树枝数对tanδ图12-17最大树枝长度与tanδ的关系四、其他在线检测方法对于发现局部缺陷，局部放电检测是很有价值的。常见的电缆局部放电方法有局部放电检测仪、接地线脉冲电流法、电磁耦合法、超声波法等，可以对电缆及其附件进行检测，但由于电缆长、电容量大，对其进行在线检测时外界干扰的影响十分严重，在现场进行检测时有效分辨率一般为100~1000pC。由于交联聚乙烯电缆绝缘电阻很小，在线检测tan易受影响，而tan、击穿电压和电容增量之间有较好的相关性，因此建议改为在线检测流过接地线的电容电流增量的方法。该方法简便易行，只要在接地线上套以电流传感器即可实现，但这时另一端电缆终端接地线在测量时需要临时断开。当前第21页\共有29页\编于星期三\5点

方法特征在线检测特点使用情况直流叠加法测得反映劣化的绝对量,可能监测、局部损坏常在中性点TV处叠加以低压直流，宜用于在线检测应用较广泛局部放电法能检测出缺陷处发生的局部放电理论上可在线检测,关键是消除干扰在线检测困难较大tan法在运行电压下能检测劣化在线检测仪需要特殊设计应用较多直流分量法直流分量有可能反映劣化的绝对量因电流小更要排除杂散电流的影响已开始应用由于交联聚乙烯电缆绝缘电阻 很小，在线检测tanδ易受影响，而tanδ、击穿电压和电容增量之间有较好的相关性，因此建议改为在线检测流过接地线的电容电流增量的方法。该方法简便易行，只要在接地线上套以电流传感器即可实现，但这时另一端电缆终端接地线在测量时需要临时断开。 考虑到现场测量时容性电流的影响，日本提出了在电缆线路上叠加20V、7.5Hz的低频电压的方法。由于容性电流随频率降低而减少，而阻性电流则无明显变化，所以易从总电流中将阻性电流区分出来。同时由于tanδ=1/CR，频率下降，等值tanδ增大，也易于现场测量。 表12-3给出了几种电缆绝缘在线检测方法的比较。通过对几种检测方法的比较，可以选择比较有效的方法。表12-3电缆绝缘在线检测方法的比较当前第22页\共有29页\编于星期三\5点

图12-18给出了直流分量法、直流叠加法、在线tanδ法三种方法组成的综合在线检测仪的测量原理。图12-18直流叠加法、直流分量法和tanδ测量的联合装置当前第23页\共有29页\编于星期三\5点

在电力系统中常将电力电缆按绝缘材料分为：油纸绝缘电缆、橡塑绝缘电缆、充油电缆、充气电缆等。其中油纸绝缘电缆已经逐步退出运行，橡塑绝缘电缆使用量逐年增加，特别是交联聚乙烯电缆近年来已经成为中高压输电系统中的主要品种。 交联聚乙烯电力电缆由于其电气性能和耐热性能都很好，传输容量较大，结构轻便，易于弯曲，附件接头简单，安装敷设方便，不受高度落差的限制，特别是没有漏油和引起火灾的危险，因此受到用户广泛欢迎。 交联聚乙烯电缆和油浸纸统包电缆在结构上的区别除了相间主绝缘是交联聚乙烯塑料以及线芯形状是圆形之外，还有两层半导体屏蔽层。在芯线的外表面包第一层半导体屏蔽层，它可以克服导体电晕及电离放电，使芯线与绝缘层之间有良好的过渡；在相间绝缘外表面包第二层半导体胶，同时加包了一层0.1mm厚的薄铜带，它组成了良好的相间屏蔽层，它保护着电缆，使之几乎不能发生相间故障。目前国内已经开始生产220kV电压等级交联聚乙烯电缆，国外已有500kV电压等级的交联聚乙烯电缆投入试用线路。 引起电缆绝缘故障的原因是多方面的，如果电缆的制造质量好（包括缆芯绝缘、护层绝缘所用的材料及制造工艺）、运行条件合适（包括负荷、过电压、温度及周围环境等），而且不受外力等因素的破坏，则电缆绝缘的寿命相当长。国内外的运行经验表明，电缆运行中的事故大多是由于外力破坏（如开掘、挤压而损伤）或地下污水的腐蚀等所引起的。由于电缆材料本身和电缆制造、敷设工程中不可避免地存在缺陷，受运行中的电、热、化学、环境等因子的影响，电缆的绝缘都会发生不同程度的老化。不同的老化因子，引起的老化过程及形态也不同。表12-4给出了交联聚乙烯电缆绝缘老化的原因和表现形态，其中树枝化老化是交联聚乙烯电缆所特有的。所谓水树枝和电树枝是指在局部高电场的作用下，绝缘层中水分、杂质等缺陷呈现树枝状生长，最终导致绝缘击穿；所谓化学树枝是指绝缘层中的硫化物与铜导体产生化学反应，生成硫化铜和氧化铜等物质，这些生成物在绝缘层中呈树枝状生长。当前第24页\共有29页\编于星期三\5点

老化原因老化形态老化原因老化形态电效应运行电压、过电压、过负荷、直流负荷局部放电老化电树枝老化水树枝老化化学效应化学腐蚀、油浸泡化学腐蚀化学树枝机械效应机械冲击、挤压外伤机械损伤、变形电-机械复合老化热效应温度异常、冷热循环热老化热-机械老化生物效应动物啃咬微生物腐蚀成孔、短路表12-4交联聚乙烯电缆绝缘老化原因及表现形态在进行电力电缆绝缘电阻的测量时，新的油浸纸绝缘电缆每一电缆芯对外护套的绝缘电阻换算到+20℃及1km长度时，额定电压在6kV及以上的电缆绝缘电阻应不小于100M，额定电压1~3kV的电缆绝缘电阻不应小于50M对运行中的电缆，试验时对历次试验中绝缘电阻变化的规律以及各相绝缘电阻的差别（不平衡系数一般不应大于2）进行综合分析、判断电缆的绝缘情况。橡塑绝缘电力电缆的主绝缘电阻值根据各厂家的规定执行，而外护套的绝缘电阻和内衬层的绝缘电阻规定当采用500V兆欧表测量时为0.5M当前第25页\共有29页\编于星期三\5点

在进行直流耐压和泄漏电流试验，升压到试验电压时，同时读取1min及5min的泄漏电流值，耐压5min的泄漏电流值应不大于耐压1min时的泄漏电流值，或者极化比应不小于1（极化比定义为1min/5min）。《规程》对直流泄漏电流值没有作明确规定，试验标准参照制造厂的相关标准。 在直流泄漏电流试验过程中，出现以下现象则表明电缆绝缘已经出现明显缺陷： （1）泄漏电流随施加电压时间的延长不应明显上升。如发现随时间延长而明显上升现象，则多数情况下电缆接头、终端头或电缆内部已受潮。 （2）泄漏电流不应随试验电压升高而急剧上升。如果发现泄漏电流在升至某一电压后急剧上升，则说明电缆已明显老化或存在严重隐患，电压进一步升高，则很可能导致击穿。 （3）在测量过程中，泄漏电流应稳定，如发现有周期性摆动，则说明电缆有局部孔隙性缺陷。 纸绝缘电力电缆还应比较各相泄漏电流数值的三相不平衡系数，通常均应不大于2。当泄漏电流值各相均很小时（10kV及以上电缆泄漏电流小于20A时，6kV及以下电缆泄漏电流小于10A时），不平衡系数不作规定。 对交联聚乙烯电缆目前国外将用直流分量法测得的值分为大于100nA、1~100nA、小于1nA三档，分别表明绝缘不良、绝缘有问题需要注意、绝缘良好。 同时，国外在直流叠加法在线监测的研究中已经积累了大量的数据，表12-5给出了日本目前通用的直流叠加法绝缘电阻的判断标准。当前第26页\共有29页\编于星期三\5点

参考标准＜0.2%0.2%~5%＞5%状态分析绝缘良好有水树枝形成水树枝明显增多测定对象测量数据（M）评价处理建议电缆主绝缘电阻＞1000100~1000良好继续使用100~1000轻度注意继续使用10~100中度注意密切关注下使用＜10高度注意更换电缆电缆护套绝缘电阻＞1000良好继续使用＜1000不良继续使用、局部修补表12-5日本直流叠加法测量绝缘电阻的判断标准用测电缆绝缘tan方法时，从在线检测tan值可估计整体绝缘的状况，目前给出了在线监测tan的参考标准，如表12-6所示。表12-6在线检测tan的参考标准当前第27页\共有29页\编于星期三\5点第三节电力电缆的故障诊断一、电力电缆的故障诊断 电力电缆故障可分为开路故障、低阻故障和高阻故障三种类型。 若电缆相间或相对地的绝缘电阻值达到所要求的规范值，但工作电压不能传输到终端，或虽然终端有电压但负载能力较差，这类故障