交联聚乙烯电缆在线监测及检测技术的现状

交联聚乙烯电缆在线监测及检测技术的现状

0大学生电缆电缆系统随着电网的不断发展和电网城市供电的需要，中国电网线路的利用率逐年增加。从2008年3月31日起，36kv和其他电缆线路的线路总流量为83931g，线路总流量为063.342公里。其中330kV电缆线路7回,总长1.881km;220kV电缆线路333回,总长898.3718km;110kV电缆线路3142回,总长4629.625km;66kV电缆线路449回,总长533.465km。另外,上海世博变电站500kV电缆线路16km于2010年投运。北京电力公司计划近几年投运2回500kV电缆线路。高压交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆在电网中所占的比重日益增长,目前国网系统66kV及以上电缆线路97.62%的运行电缆为交联聚乙烯绝缘电缆,现在仅有北京、上海和甘肃三地50回充油电缆在网运行,且绝大多数是2000年前投运,2005年以后,全网没有新的充油电缆线路投运。交联聚乙烯电缆构成了城市供电和主网架的重要环节,如何提高它们的运行水平,确保电网供电可靠性,是目前亟待研究解决的问题。电缆绝缘的劣化及缺陷的发展,具有统计性,发展速度有快有慢,大多数都有一定的发展期。在这期间,绝缘会发出反映绝缘状态变化的各种物理化学信息。通过对这些信息进行在线监测及综合处理,可提早发现故障隐患,对电缆设备的可靠性做出判断,对绝缘寿命做出预测。这样,既可以避免绝缘缺陷的扩大导致事故,又可避免盲目的停电实验。所以,电力电缆设备绝缘的在线检(监)测势在必行。1主绝缘层、金属护层及外三维XLPE绝缘电缆基本结构包括本体和附件。本体包括导电线芯、主绝缘层、金属护层及外护套等(见图1)。针对电缆主绝缘(包括本体和附件),目前主要有以下在线监测方法:直流分量法、直流叠加法、低频叠加法、在线介质损耗角正切法和局部放电在线监测法。1.1直流电流在自然形态中的作用如果运行中的XLPE电缆绝缘体产生了水树枝,则在运行中的交流电压作用下,由于水树枝的整流作用将产生一个微弱的直流电流分量(nA级)流过绝缘体。通过检测这一直流分量来判断电缆绝缘老化的方法,称为直流分量法。但是,直流分量法中测得的电流极微弱,在现场进行支流分量法的测量时,微小的干扰电流就会引起很大的误差。其干扰主要来自被测电缆的屏蔽层与大地之间的杂散电流。1.2电缆缆的老化度通过电缆所接的电压互感器的中性点或其他方法,将一小的直流电压叠加到运行中的XLPE电缆的导体线芯上,用高灵敏度的电流表测定出流过电缆绝缘体的直流漏电流(一般为nA级以上),或测量其绝缘电阻,判定绝缘的老化程度。由于绝缘电阻与电缆的残余寿命的相关性并不是很好,其分散性太大,又因绝缘电阻与很多因素有关,很难测量其绝缘电阻值并预测电缆的老化程度。实验表明,只有当XLPE电缆中的水树枝发展到绝缘厚度的80%以上时,才会使绝缘电阻显著下降到“危险值”,故该法虽然比较易于实现在线监测,但当护层绝缘电阻太低时难以获得准确读数。1.3层间隔压电路此方法将低频电压接入电缆高压回路的高压端与地之间,从电缆的接地线上测出低频电流。由于电缆绝缘层可看作RC的并联等值电路,当施加的电压为低频时,流过绝缘层的容性电流较工频时小得多,而阻性电流IR却无明显的变化,较易从接地线总低频电流中分离出阻性分量。一方面可计算得到阻性电流所反映的电缆的绝缘电阻;另一方面频率降低,等值tanδ增大,从而使得等值介质损耗角正切较易测出。1.4电缆缘厚度an测量通过电压互感器将运行电缆的电压信号取出,同时运用电流互感器将流过电缆绝缘的工频电流信号取出,比较两者的相位,便可得电缆绝缘的介质损耗角正切(tanδ),从而判断绝缘老化程度。但对XLPE电缆进行测量时,由于电缆绝缘的tanδ很小,往往难以测准,特别当屏蔽层对地绝缘电阻很小时,在线监测tanδ更加受影响。此方法在国外也已开发出装置,但其测量精度不够理想。1.5局部放电试验国内外专家学者、IEC、IEEE以及CIGRE等国际电力权威机构,一致推荐局部放电试验为XLPE绝缘电力电缆绝缘状况评价的最佳方法。电力电缆局部放电量与电力电缆绝缘状况密切相关。局部放电量的变化预示着电缆绝缘存在着可能危及电缆安全运行寿命的缺陷。通过检测运行中的电缆绝缘的局部放电,可检测电缆绝缘的局部缺陷。随着现代传感器技术以及信号处理技术的快速发展,采用局部放电法作为电缆绝缘在线监测的方法,现在已成为研究的热点。这种方法最具有发展前景,但对技术要求也较高。常用的几种局部放电检测方法有:内置耦合电容法、脉冲电流法、空间超高频法及超声波法等。为研究各种局部放电检测方法的灵敏度和有效性,可进行现场检测和比较。选择一条220kV长距离XLPE电缆作为检测对象,选用不同厂家的多个局部放电检测产品同时进行检测,这些产品采用的原理包括脉冲电流法、空间超高频法、超声波法等。图2是在某个中间接头安装不同传感器的现场试验图。该试验采用串联谐振方法加压,对电缆施加(1.0~1.4)U0的电压,分析局部放电水平和电压的关系,以判断局部放电的性质。检测结果表面,在中间接头处发现局部放电信号,对该接头进行解体分析,发现主绝缘的外半导体层表面存在严重的划伤,系中间接头的现场施工工艺不良所致,该缺陷在电压的作用下会产生局部放电,长期运行中容易发展成击穿事故。现场应用试验研究证明,在线局部放电监测对及时发现电缆内部缺陷确有重要的作用。2主粘连时金融电缆主缘失效目前有关XLPE电力电缆状态监测的研究基本都以电缆主绝缘为研究对象,电缆保护层的在线监测研究相对较为忽略。XLPE电力电缆主绝缘的状态或寿命既取决于自身材料特性的内因,也直接关联到保护层状态这一外因。当外护层被破坏后,对主绝缘的影响有3个方面:(1)导致金属护层出现多点接地,产生环流,造成损耗且绝缘层局部过热加速老化,影响主绝缘寿命;(2)在外力或电磁力作用下,进一步出现金属护层连接处位移、错位,导致水分侵入主绝缘,主绝缘产生水树老化的概率增加,影响主绝缘寿命;(3)主绝缘在金属护层被腐蚀处出现电场集中,易于产生局部放电和引发电树枝,对电缆运行安全造成威胁。所以,直接监测保护层状态、把握好电缆主绝缘的第一道防线,就可以有效预防电缆主绝缘问题及其他故障的形成。同时由于电磁耦合作用,当主绝缘品质发生变化或XLPE电力电缆发生其他故障时,也会反应在金属护层的感应电量及应力应变等状态量的变化上,即XLPE电力电缆的故障会在金属护层上表现出故障特征。对XLPE电力电缆金属护层的有效监测不仅可以监测电力电缆金属护层自身的状态,也可以监测主绝缘的品质状态和XLPE电力电缆其他故障。针对电缆护层绝缘监测,有接地电流监测、接地容性电流监测及综合监测等方法。2.1金属护层接地试验110kV及以上电压等级的电力电缆均为单芯电缆,因电缆金属护层与线芯中交流电流产生的磁力线相铰链,会出现较高的感应电压,故需采取接地措施。通常,短距离电缆的金属护层采用一端直接接地、另一端经保护电阻接地的方式;长距离电缆的金属护层则采用交叉互联接地的方式。当电缆绝缘护套破损、金属护层出现2点或多点接地时,会产生较大环流,严重时可超过负荷电流的50%以上。监测电缆的接地电流,可获取电缆外护套的完整性信息。目前,该方法通常采用在接地线上安装电流互感器来实现,无需改变接地线的连接方式,适合110kV及以上电压等级电缆线路。国内多家科研院所及运行单位均对该方法进行研究和实践。其中,华中科技大学等高校以环流绝对值和相对变化量为判据,对电缆金属护层的绝缘性能进行在线监测。北京电缆公司辖区内的110kV及以上等级电缆线路中安装了接地电流监测系统。研究结果和运行经验均表明,接地电流监测是判断电缆护套安全状态的重要手段,也是未来电缆系统在线监测技术中重要的一环。2.2电缆主缘子平衡电压的加速老化试验当交联聚乙烯的水树枝发展时,不但tanδ增大,击穿电压下降,而且电容增量ΔC增大,使得流经主绝缘的容性电流发生变化,从而接地线电流ΔIg也会发生变化。该监测方法,就是通过接地电流中容性分量的增量ΔIg,反映XLPE电缆绝缘老化前后的电容量变化。电缆的加速老化试验结果表明,交流击穿电压与接地线容性电流增量ΔIg有较好的相关性。因此,ΔIg可作为判定绝缘老化的依据。2.3在线监测方案的设计国内研究工作者提出了面向XLPE电缆金属护层的在线监测新思路,通过对金属护层的感应电势、接地电流、电磁力及应力应变等的全面分析研究,得到各类故障或缺陷的表征现象及特征量,对应这些故障表征现象及特征量进行在线监测方案的设计。XLPE电力电缆各类故障的表征现象主要是3种:(1)因金属护层绝缘损伤和接地系统缺陷引起的接地回路感应环流;(2)主绝缘品质劣化和附件劣化等引起的局部放电现象;(3)由于外力作用和故障接地感应环流作用而引起的金属护层应力变化,特别是连接处发生位移应变的故障特征。依据这一分析研究结果,对面向金属护层的XLPE电力电缆在线监测方案进行设计,包括基于感应环流的在线监测模块、基于馈路终端单元的XLPE电缆局部放电在线监测模块及基于金属护层位移应变的在线监测模块等,进而得出面向金属护层的XLPE电力电缆在线监测综合方案。3分布式光纤测温法电缆在运行过程中,因线芯流过大电流而发热。监测电缆的温度,既可获取电缆绝缘的工作状况,也可通过计算线路的载流量了解线路运行状态。目前,应用比较广泛的电缆温度测量方法是分布式光纤测温。该方法主要依据光纤的光时域反射原理及光纤的背向拉曼散射温度效应。基于所测温度,可对电缆的载流量进行计算,进一步获得电缆运行信息。测温光纤既可以敷设在电缆护套内,即内置式;也可沿线敷设在电缆护套外,即外置式。一些地区110kV及以上电压等级的电缆线路上不同程度地敷设了分布式光纤测温系统。运行经验表明,该测温系统具有测量距离长及测温精度高等优点,但存在空间分辨率较低、对因各类缺陷造成的局部温升不敏感及易受敷设环境温度和湿度影响等缺点。这也是在未来的研究和工程实践中需要解决的问题。4电缆附件的热像检测红外热成像技术常被应用于电缆附件的在线温度检测。该技术是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统接收被测目标的红外辐射,将其能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上,再转换成标准视频信号通过电视屏或监测器显示。运行经验表明,电缆附件发生故障前,缺陷经常伴生局部发热,采用红外热像仪对电缆附件进行有针对性的在线检测,可发现电缆附件的发热性缺陷。该项技术已在110kV及以上电缆终端检测中获得应用,效果较为理想,其优点是测量灵敏度高、结果直观及可靠性好;但测量结果难以对缺陷程度准确判断,是需要进一步解决的问题。紫外成像法是近年来发展的用于在线检测外绝缘系统放电状态的新技术。由于电气设备表面存在毛刺、结构问题或污秽等,运行中电场集中且电荷密度过大,形成表面放电,这些放电现象都会产生不同波长的紫外光谱。该技术可用于对110kV及以上电压等级电缆的户外终端电晕放电情况进行在线检测,为电缆运行部门提供更多的电缆系统运行信息。5局部放电各种在线监测及检测项目中,局部放电、电缆护层接地电流监测、电缆护层综合监测及分布式光纤测温都能较好地反映电缆运行过程中各类缺陷及电缆通道的异常状态,是高压电缆在线监测及检测中值得推荐的技术。其中,电缆护层的接地电流监测,成本低,易于开展,应重点加强接地电流数据的统计和分析。局部放电监测的难度较大,成本高,应主要推广带电检测技术,可结合电缆的定期巡检开展,局部放电数据分析中应重点关注局部放电的发展趋势,对重要的、怀疑有缺陷的高压电缆,可采用多种局部放电检测方法进行综合诊断。电缆护层综合监测有较好的发展前景,应在深入的理论研究基础上