Power cable on-line monitoring 电力电缆在线监测 Power cable on-line monitoring

什么是电力电缆？ 架空线 电力电缆 电力传输通道

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。

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

制造工艺复杂 造价高 施工维修麻烦 使用电缆的缺点

电缆的种类 油纸绝缘电缆 气体绝缘电缆 塑料绝缘电缆

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 1. 电力电缆合计 2. XLPE电缆 3. 油纸电缆 铜量/1000t 50 100 150 66 70 74 78 82 86 1 2 3 1. 电力电缆合计 2. XLPE电缆 3. 油纸电缆

交联聚乙烯电缆 XLPE， cross linked polyethylene  30余年历史  性能优良、工艺简单、安装方便  得到广泛应用

XLIE电缆的基本结构

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

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。

固体电介质树枝化劣化 在高电场强度作用下，固体介质内常出现树枝状局部损坏。在电场的持续作用下，这些树枝状微通道就可能沿电场方向贯穿整个绝缘，导致击穿。所以树枝现象也是预击穿现象。 电树枝 水树枝

1. 电树枝 电极尖端处或微小空气隙、杂质等处电场较强，发生的放电逐渐发展，形成较细的沟状放电通道的碳化痕迹。 电树枝通常笼廓较清晰

2. 水树枝 水浸入绝缘层，在电场作用下形成的树枝状物。  制造过程中残留在绝缘中的微水。  运行中因机械损伤水分逐渐侵入。  电场长期作用下绝缘中形成由微小的水滴及连接它们的水丝组成的水树枝。 水树枝通常笼廓较模糊

电场 水份 环境因素 时间 导致水树发展的条件 “残留水树" 半导体层 绝缘层 内部半导体层 “外部浸入水树" 电缆芯

水树一般在电气强度较强的区域得到进一步的发展 水树的老化过程通常较缓慢。 水树是交联聚乙烯电缆事故的主要原因，约占事故的71%，多发生于自然劣化。

水树枝一般是从内半导电层、屏蔽层与绝缘层界面上引发出来。若绝缘体内存有气隙或杂质，则会在电场方向产生并加剧蝶形领结状水树枝。这些水树枝不仅受电缆结构的影响，而且还受半导作层性能和形状、含水率、电压等级、电缆芯温度以及浸水条件等因素的影响。 水树枝延伸最主要的条件是高温和浸水，有时水树枝的长度可以达到绝缘厚度的一半以上。

水树枝延伸的时间特性

36 kV级XLPE电缆交流击穿场强 与水树长度的关系

水树引起的绝缘故障发展过程

水树枝具有消失和重现的特点，有的水树枝受热、干燥、抽真空后会消失形态，浸入热水中又会重现。水树枝不会直接导致击穿，但会使绝缘强度降低，促进老化作用，缩短寿命。长期逐步发展最终将导致绝缘损坏.

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。

电力电缆监测和诊断方法  直流法  工频法  低频法  复合判断法

直流法  直流成分电流监测  直流叠加法  直流电桥法

直流成分电流监测 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。

直流成分电流监测原理接线 直流成分电流监测 回路中流通微弱的直流成分电流 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 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 6 kV XLPE电缆交流击穿电压与 直流分量的关系

判断规则 直流成分电流  小于1 nA  绝缘良好  大于100 nA  绝缘不良  介于两者间  加强监测 直流成分电流监测 判断规则 直流成分电流  小于1 nA  绝缘良好  大于100 nA  绝缘不良  介于两者间  加强监测

直流成分电流监测 护层与地之间有化学电势Es

 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  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 0.5 V  当护层绝缘电阻小于200500 M  杂散电流将影响诊断的可靠性

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。

直流叠加法  防止影响GPT二次输出电压  直流电压不能很高，约1050 V  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 6 kV XLPE电缆 直流叠加电流 与 水树长度 的关系

直流叠加法  保证安全 L、C 调谐于50 Hz  杂散电流Es的影响  正、反向 叠加直流 电压消除

直流叠加法 判断规则 测得绝缘电阻  大于1000 M  绝缘良好  小于10 M  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。

直流法  直流电桥法 测量电缆绝缘电阻的电桥接线

直流电桥法  电桥平衡  Rx = (E1-V4) R2 / V4 设E1为20 V， V4为1 mV，R2为50 M Rx最大可测到100 000 M  防止直流电压对GPT的有害影响

直流电桥法  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

工频法  介损因数法  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

什么是介质损耗角 ( tan d) ?? 电压 电流 10 time/sec 有功功率 介质损耗角 tan d = = 无功功率

水树的简化等效电路 >>

受潮对tan的影响                             

温度对tan的影响

6 kV XLPE电缆交流击穿电压 与在线测得 tg 间的关系

统计分析表明  tg大于1%  绝缘不良

XLPE的 tan d标准 如果满足以下条件，电缆状态正常 : tan d (2 U0) < 1.2 ‰ and [tan d (2 Uo) - 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 (2 Uo) ³ 2.2 ‰ or [tan d (2 Uo) - tan d (Uo)] ³ 1.0 ‰ 对于 XLPE 电缆这一标准是非常重要的。

工频法  局部放电法  试验分析证明 绝缘中的电树枝达到0.5 mm时 局部放电量约100 pC  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

 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

低频法  低频成分法  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10 Hz , 特别在3 Hz以下.

 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

低频法  低频叠加法  避免直流微电流测量上的困难 将7.5 Hz、20 V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

低频叠加法6 kV电缆绝缘电阻 与工频击穿电压的关系

判断规则  绝缘电阻大于1 000 M  性能良好  绝缘电阻小于1 000 M  性能下降  绝缘电阻小于400 M  电缆应立即更换

复合判断法  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

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

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）

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