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去极化电流法诊断10kV电缆绝缘缺陷的可行性研究(1)


去极化电流法诊断 10kV 电缆绝缘缺陷的可行性研究
张云波 1 ,孙国凯 2 (1. 沈阳农业大学,沈阳 110000 2. 沈阳农业大学,沈阳 110000)

简介:1,张云波,男,(1990.1—)汉族,籍贯:内蒙古赤峰市,学历:在读硕士, 主要研究方向:特高压 2, 孙国凯,男, (1963.4—)汉族,籍贯:辽宁省营口市,学历:本科,职称

: 教授,主要研究方向:地方电力系统及自动化

摘要:10kV 电力电缆是我国供配电网络中常见的组成部分,其具有安装简单、 电气性能优良等特点,广泛应用于城市的供配电网中。绝缘性能是影响 10kV 电 力电缆以及供配电网运行可靠性的重要指标,因此采用科学、快速、有效的诊断 方法判断电缆的绝缘性能至关重要。去极化电流法(PDC)是一种基于介电响应 原理的电缆绝缘性能诊断方法, 已经在电力电缆的绝缘缺陷诊断中得到应用,为 了探讨其用于诊断 10kV 电缆绝缘缺陷的可行性,本文从电力电缆缺员性能的检 测方法入手,分析去极化电流法(PDC)的原理与实验设计,通过对运行电缆的 电流检测,通过分析 10kV 电缆的去极化电流曲线判断电缆的老化状态,以期为 10kV 电力电缆的绝缘性能诊断提供参考,保证 10kV 电缆的供电可靠性,保证 电力系统运行的可靠性,促进经济的快速发展。 关键词:去极化电流;电力电缆;绝缘缺陷;可行性

Feasibility study diagnosis depolarization current law 10kV cable insulation defects
Zhang Yunbo1,Sun Guokai2 (1. Shenyang Agricultural University, Shenyang 110000 Agricultural University, Shenyang 110000) Abstract : 10kV power cable is the supply and distribution network in the common part of which has a simple installation , excellent electrical performance characteristics, widely used for distribution in the city . Insulation performance is affecting 10kV power cable and an important indicator of the reliability of the power grid for the feature , so a scientific , rapid and effective diagnostic method to determine critical to the performance of the cable insulation . Depolarization current method (PDC) is a response to the principles of the cable dielectric insulation 2. Shenyang

diagnostic method based insulation has been applied in the diagnosis of defective power cables , in order to investigate the feasibility for the diagnosis 10kV cable insulation defects , the paper detection power cable from lack of staff performance , analyzes depolarization current method (PDC) principles and experimental design , through the current detection operation of the cable , through the analysis of 10kV cable depolarizing current curve determine the aging state of the cable, insulation performance diagnostics with a view to 10kV power cables to provide a reference , to ensure reliability of power supply 10kV cable , ensure the reliability of power system operation , and promote the rapid development of the economy . Keywords : Depolarization current; Power cable ; Insulation defects; Feasibility

0 引言
交联聚乙烯(XLPE)电缆是目前我国电力系统中常用的电力电缆,虽然其 具有优良的电气特性、介质损耗低、安装方便等特点,但是电力电缆在实际的运 行中受到环境、 电场等的影响造成绝缘性能的下降从而引发事故,影响电力系统 的供电可靠性[1]。XLPE 电缆在长期运行的过程中,外界的水分和电场会造成电 缆内部发生物理化学变化, 在电缆绝缘内形成水树枝。水树枝在受到操作电压作 用或者雷电作用时, 会进一步发展成为电树枝,电树枝的形成使电缆出现放电从 而加速绝缘老化, 甚至造成绝缘层被击穿,从而造成电力电缆绝缘层发生不可逆 转的破坏,诱发放电事故的发生[2]。因此科学、有效的绝缘检测诊断方法,准确 的评估电力电缆的绝缘状态, 判断电缆的绝缘性能和使用寿命,对于保证电力系 统的供电可靠性具有重要的意义[3]。 现阶段,用于诊断 XLPE 电缆绝缘状态的方法主要有:介质损耗法、直流分 量法、残留电荷法、交直流叠加法、直流泄漏电流法以及损耗电流法[4]。这些方 法均是在 XLPE 电缆绝缘老化出现水树枝后, 通过获得电缆的电流与电压或者在 电缆两段叠加电压进行绝缘老化程度的判断,这些方法虽然应用较广泛,但是在 实际的应用中会受到许多因素的干扰,造成检测结果存在偏差,不能科学的对电 缆绝缘老化程度进行评估[5]。 去极化电流检测是基于介电响应原理的电缆绝缘性能测量方法,其操作简 单、检测设备携带方便、检测快速、不对电缆造成破坏性等特点,是目前国内外 常用的运行电缆绝缘性能检测方法[6]。

1 去极化电流法的原理分析

1.1 介电响应理论 介电响应理论是电介质物理学中的重要内容之一, 作为研究电介质的主要学 科,随着科学技术的发展,电介质物理学研究的方向不断扩展,从而使电介质材 料和电介质理论的应用得到了快速的发展[7]。 XLPE 电缆作为一种常见的电介质, 其极化过程与普通电介质相同,因此本文首先对介电响应理论进行简要的概述。 在介电响应理论中,有几个重要的概念,分别为:响应、电介质极化和介电 弛豫。响应,主要是指在给某个系统施加一个激励作为输入时,该系统会针对施 加的激励产生一个响应,这个响应又称为输出。电介质响应,是指在电介质的两 段施加一个稳定的电场作为激励, 电介质内部会在该激励下发生一系列复杂的极 化效应,而这个极化效应最终会通过极化电荷、束缚电荷等的转移表现出来[8]。 电介质极化, 是指处在电场中的电介质表现出来的电性的现象。通常我们认为绝 缘介质内部是不存在可以自由移动的电荷的, 且在没有电场作用下绝缘介质不表 现出电性,但是实际上,绝缘介质内部存在一定可以移动的自由电荷,这些电荷 在外电场的作用下发生转移, 从而使绝缘介质显示出电性,电介质表面和内部不 均匀的地方会出现电荷,这一现象称之为极化,出现的电荷为极化电荷[9]。介电 弛豫, 是指当电介质被施加电场时,介质内部极性分子的偶极矩将转向与电场平 行的方向以降低势能,而极性分子会在热运动下由平衡分布转向波尔兹曼分布。 当施加电场消失后,介质内部的极性分子将恢复到平均偶极矩为零的紊乱状态, 但是由于分子的惯性和介质的粘滞性,这一过程需要一段时间才能完成,这个过 程称之为介电弛豫。当采用极化去极化电流法对 10kV 电缆的绝缘状态进行测量 时,介电弛豫会影响到测量时间[10]。 1.2 去极化电流法的原理 极化去极化电流法的实验过程主要包括对所需测试的运行电缆进行充电和 短路放电等两个过程, 其实验原理如图 1 所示。 在对实验电缆进行充电的过程中, 电缆由于被施加电压为 U 0 的阶跃激励而逐渐出现极化的现象,假设这一过程所 需时间为 t p ,则流过电缆的电流即为极化电流 i p 。这时瞬间撤去施加的电压 U 0 , 则测试电缆会因为短路而产生反向的放电电流,这一电流就是去极化电流 id 。去 极化电流不同于极化电流, 其不含电缆的电导电流,完全是通过电缆内部的绝缘

层中特点的松弛机制产生的松弛电流复合而成。 而绝缘层的松弛极化现象包含了 绝缘材料的大部分信息,因此通过测量老化电缆的去极化电流就能够更加准确、 客观的评估电缆绝缘材料的性能[11]。

U u U0

tp i ip t

tp id

t

图1

去极化电流法的原理 Principle of PDC

Fig.1

根据实验原理可知,电缆的去极化电流指数形状主要由施加电压的时间决 定, 因此在实验过程中应该严重掌握实验时间,而实验时间是有电缆的水树老化 区与非水树区界面的极化过程决定,是电介质的具体反映,其极化时间会随着施 加电压的增加而增加,且界面的极化现象会更为充分[12]。

2 去极化电流法实验设计
2.1 试验设计 去极化电流实验所需的装置主要包括皮安表、高压继电器、电阻和高压直流

电源,PDC 实验的构成如图 2 所示。在进行测量的过程中主要是通过接入实验 电路中的皮安表收集极化和去极化过程中的低频电流,且皮安表需要通过 RS-232 接口与已经编好 LabVIEW 程序的计算机相连接, 并通过编写的程序控制 接入电路的 Keithley 6485 皮安表,通过 RS-232 接口的连接使信息的传输速度可 以达到 1Mbit/s,这一传输速度足以满足实验的要求。在对实验电缆进行充电过 程中,充电电压可以达到 1kV 以上,因此需要在实验电路串联高压限流电阻, 以保证电流在安全的范围,且确保能够形成足够的安全的放电距离。

测试电缆

高压继电器

高压直流电 流源

+ — — -

皮安表

计算机

图 2 PDC 实验组成结构 Fig.2 2.2 实验步骤 去极化电流法的实验步骤主要分为三部分:实验电缆的预处理、初始测量与 去极化电流测量。 (1)实验电缆的预处理,去极化电流实验需要在电缆上施加高压直流电, 因此需要在实验前将实验电缆两段的绝缘外皮和屏蔽层剥去, 两段剥离的长度应 该在 15cm 左右,保证安全的实验距离,确保去极化电流不受沿面电流放电的影 响。 所有的绝缘检测方法都是基于电缆出线水树现象,因此需要对实验电缆进行 部分加速水树老化处理,以满足实验的要求。 (2)初始测量,实验电缆在进行试验前要进行初始测量,对实验电缆一端 PDC test structure

的导体接入高压直流电源, 另外一端则连接试验电缆的铜屏蔽层并接地,然后记 录测量的数据。初始测量可以确定试验电缆在没有进行充电实验时的初始条件, 并可确定周围环境存在的干扰,一般此时获得的测量电流振幅较小。 (3)去极化电流测量,试验时需先将开关放在高压直流电源侧,以完成对 电缆的充电, 当充电完成后立即将开关打到右侧实现短路,通过控制皮安表获得 电缆的去极化电流,采样率保持为 3Sa/s。在进行去极化电流的测量过程中需要 进行皮安表的复位、 电流信息的采样与信息的传输等工作,这些工作主要通过计 算机与皮安表完成。

3 去极化电流法检测 10kV 电缆绝缘缺陷的实验结果分析
3.1 10kV 电缆老化状态分析 本实验选取同一根长度为 60m 的 10kV 电缆进行试验, 并将其平均的分成三 份,每段电缆长度为 20m,并分别编号为 A、B、C。其中编号为 A 的电缆需进 行水树老化处理,编号为 B 的电缆不做任何处理的电缆,编号为 C 的电缆首先 要进行水树老化处理, 然后对其进行水树老化修复。这三种电缆的去极化电流测 量结果如图 3 所示。
1E-5

电 流 / A

1E-6 1E-7

A
1E-8 1E-9 1E-10 1E-11

C B

0

50

100

150

200 时间/S

250

300

350

400

图3 Fig.3

不同电缆去极化电流曲线

Depolarization current for different kinds of XLPE cable

从图中可以看出老化电缆 A 去极化电流衰减较正常电缆 B 和老化修复电缆

C 快,经过不到 50s 的时间就逐渐趋于稳定,且稳定电流在几 nA 之间。正常电 缆 B 和老化修复电缆 C 的极化电流在 50s 内衰减较大,电流值较低,之后电流 值逐渐趋于稳定,稳定时的电流值大约只有几十 pA 左右。 老化电缆 A 的电流衰减快主要是因为其内部水树枝周围的绝缘界面中存在 由水树产生的亲水性急性基端, 这些基端在极化的过程中会出现剩余电荷,能够 在水树中存留较长的时间, 且在电缆短路的情况下也不会消除,从而造成老化电 缆的去极化电流具有较为明显的差异。 3.2 现场实验检测 为了进一步验证去极化电流法诊断电缆绝缘缺陷的可行性, 本文选取一段长 度为 50m, 运行时间为 5 年的严重老化电缆再次进行去极化电流的测量, 编号为 D。同时选取同样长度的一段新电缆作对比,编号为 E,此电缆不存在老化现象。 去极化电流测量结果如图 4 所示。

1E-5 额 1E-6 电 流 /A 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 1E-11 0 50 100 150 200 时间/s 250 300 350 400 E D

图4 Fig.4

运行电缆的去极化电流曲线

Depolarization current for running XLPE cable

由图可以看出,随着电缆长度的增加,电缆的去极化电流幅值逐渐变大,且 电流趋于稳定状态所需要的时间增加。对比老化电缆 A 的去极化电流曲线可知,

运行电缆 D 与老化电缆 A 的去极化电流曲线的变化规律很相似,都在较短的时 间内就开始趋于稳定,且电流值都在几 nA 之间。由此可知,去极化电流法可以 准确的反应电缆的绝缘老化程度,具有较高的准确性和可靠性。此外上述实验进 一步说明, 采用去极化电流法进行电缆的绝缘状态分析不受电缆长度的影响,因 此在实际应用的过程中, 可以直接对敷设电缆进行去极化电流测量,并与未发生 水树老化的电缆去极化电流进行比较, 科学的对运行电缆的绝缘老化程度进行评 估。 3.3 计算分析 在采用去极化电流法进行老化电缆的绝缘诊断中, 老化电缆的去极化电流曲 线与未老化电缆的主要差别在于低频段, 老化电缆中水树枝的形成增强了电缆的 内部电场强度, 且增强了半导体层与绝缘层界面的极化程度,而极化程度的增强 使去极化电流增大,且去极化电流的低频段不同与电缆老化相关的慢极化相关, 因此, 在去极化电流测量中观察电缆的低频段电流就可以准确的判断电缆的绝缘 老化程度。 皮安表是一种反应灵敏的实验设备, 电缆在进行放电过程中产生的电磁干扰 会影响皮安表, 使皮安表的数值发生变化,即去极化电流的低频段出现不规律的 变化, 本文通过选择拟合计算斜率比的方法来进行电流曲线的分析,有效的消除 干扰造成的影响。 本文通过运行最小二乘法对所有实验电缆 PDC 实验所得的去极化电流的低 频部分进行拟合计算,得到了如图 5 的结果,其中电流值是对数 log(I) 。

-18 -19 A 幅 值 Y -20 -21 -22 E -23 -24 0 50 100 150 200 时间 X 250 300 350 B C D

400

图5 Fig.5

电缆的线性拟合直线

Linear fitting line for five kinds of cable

同时对所得电缆的直线斜率进行整理,如下表 1 所示。 表1 Tab.1 电缆 斜率 斜率比 A —0.0013 0.198 电缆拟合直线的斜率

The slope of the fitted line cable B —0.0064 1.0 C —0.0059 0.971 D —0.0065 1.0 E —0.0015 0.239

由上述结果可以看出,经老化处理的电缆 A 与运行老化电缆 D 的拟合直线 的斜率大于同样长度未老化的电缆 B 和 E, 且随着电缆老化程度的增加, 该拟合 直线的斜率值将逐渐增大, 并趋于 0,而未老化电缆的拟合直线斜率则趋近于 1。 如果对水树老化电缆进行相应的修复,其极化电流会增大,且拟合直线的斜率与 未老化电缆趋近。通过拟合与 PDC 实验所得的结论相一致,因此通过拟合计算 也可以对 10kV 电缆的绝缘老化程度进行评估。 运用去极化电流法诊断 10kV 电缆的绝缘老化程度时,对于运行时间较长、 绝缘老化严重的电缆, 绝缘老化所引起的去极化电流变化较为明显,诊断过程中 可以直接选择相同型号的新电缆进行去极化电流检测, 通过对比两者的去极化电

流大小就可以对老化电缆的绝缘老化程度进行准确的评估[13]。

4 结论
(1)本文通过采用去极化电流法分别对不同的水树老化处理电缆和运行老 化电缆进行检测, 可以准确的对电缆的绝缘老化程度进行评估,并采用线性拟合 进一步进行验证。 (2)试验结果表明,同一时间内,运行老化电缆的去极化电流较新电缆衰 减慢, 且主要体现在去极化电流的低频段, 电流曲线与对数时间具有明显的表现。 因此采用去极化电流法可以准确、客观的对电缆的绝缘老化程度进行评估,适用 于 10kV XLPE 电缆的绝缘诊断。 (3)在去极化电流法的实际运用过程中,长度较大的电缆去极化的时间较 长,因此要保证去极化的过程不宜过短,以更加准确的进行评估。 本文通过采用基于介电响应理论的去极化电流法对内部发生水树老化的 XLPE 电缆的绝缘状态进行诊断,但是电缆在实际的运行过程中其绝缘材料的老 化是一个非常复杂的过程, 对试验结果的影响因素也较多。因此还需要不断的对 老化电缆进行更深入的研究,才能确保去极化电流法测量结果的准确性。

参考文献:
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