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电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算


沈阳工业大学 硕士学位论文 电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算 姓名:贾延峰 申请学位级别:硕士 专业:电力系统及其自动化 指导教师:苑舜;蔡志远 20070113

沈目|I‘业大学硕士学位论文





本文以交联聚乙烯电力电缆为研究对象,介绍了电力电缆供电的优缺点,分析了电 力电缆绝

缘诊断的重要性,讨论了国内外电力电缆绝缘诊断技术现状和发展趋势,在此

基础上提出本文研究的重点内容——判断绝缘击穿故障的特征信号及其仿真研究。
首先,从宏观及微观的角度阐述了电力电缆故障原因及类型。宏观角度,对运行中 电缆易出现的故障的原因、部位进行了统计分析,并提出了适当的防范措施;在此基础 上,从微观角度,更进一步分析了电缆绝缘老化的机理,并就引起老化的各种因素的发 生发展过程作了更深层次的研究。其次,对国内外现有的各种电力电缆绝缘诊断技术进 行了详细的介绍与比较,结合电力电缆的特点,提出了以接地线电流为特征信号的电缆 绝缘诊断方法。再者,通过对标准中规定的形式试验的分析,进一步验证研究电力电缆 绝缘在线监测技术的必要性。最后,建立了仿真模型,对电力电缆局部缺陷由老化直至 击穿过程中,电缆各电气量之间的关系作了详尽的仿真分析,主要完成了以下内容:① 仿真得出电力电缆绝缘由老化到击穿的过程:②仿真分析了单相和三相电力电缆负载和 电压不同时的绝缘电阻、电容及损耗因素与接地线电流之间的关系;③通过仿真验证接 地线电流法对电缆绝缘诊断的有效性。 本文通过对电力电缆局部绝缘缺陷的仿真研究,提出了基于接地线电流信号的绝缘 诊断方法,并根据仿真结果提出了电缆绝缘由老化到击穿的三个阶段,从而为更好的运 用电力电缆诊断技术,为电力系统安全、方便、迅捷的排除电缆故障提供有利的理论依
据和实际经验。

关键词:交联聚乙烯电力电缆,电缆故障,绝缘诊断,接地线电流

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

The Fault Diagnosis and Simulation of Running Cable iIl Power System

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沈阳上业大学硕士学位论文

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独创性说明

本人郑重声明:所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。

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关于论文使用授权的说明
本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即: 学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公 布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。

(保密的论文在解密后应遵循此规定)

签名:j嶂

导师签名:

日期:趔U l垒

沈阳1:业大学硕士学位论文

1绪论
1.1电力电缆绝缘诊断的意义
随着工业的发展、城市的扩大,输电、配电系统中电力电缆的比重在不断提高。目

前所用的电力电缆大多采用有机绝缘材料,如油纸、橡胶、交联聚乙烯等。如果电缆的
制作质量(包括缆芯绝缘、护层绝缘所用的材料及制作工艺)好、运行条件(指负荷、

过电压、温度及周围环境等)合适,而且不受外力等破坏,则电缆绝缘的寿命相当长。 国内外的运行经验也证明了这一点:制造、敷设良好的电缆,如有事故大多由于外力破 坏(如开挖、挤压而损伤)或地下污水的腐蚀等所引起的。随着我国经济的快速发展, 现代企业的生产也要求电力电缆的运行是长期、连续和安全稳定的。然而由于电力负荷 的不断增加,电力电缆由绝缘缺陷所导致的事故隐患也在不断增加,因此如何保证电力 电缆安全稳定的运行已成为了电力系统中一个多因素、非常复杂的课题。 电缆绝缘的好坏是影响电缆安全可靠运行的关键因素:为了保证电缆安全稳定的运 行,就有必要对电缆绝缘进行诊断,以期对电缆绝缘缺陷做到及早发现及早应对。我国 早期的电缆绝缘诊断技术主要是定期的预防性试验制度,然而由于电缆线路越来越长, 电容量越来越大,给预防性试验带来了很大的困难,而且在长期运行中累积的经验表明
这种定期的预防性试验存在诸多弊端,主要有11】【2】【3l:第一,必须停电进行试验,这样

往往造成供电中断;第二,不能根据电缆绝缘状况有选择地进行试验,往往是对所有电 缆都进行试验,结果使绝缘本来完好的电缆经多次试验而导致电缆绝缘性能加速劣化; 第三,易对电缆造成“累积效应”、“整流效应”等。因此,电力电缆在线监测技术是
电缆绝缘诊断的必然发展趋势。 为了更加准确、有效的判断运行中电缆绝缘是否击穿,找出表征电缆绝缘良好程度

的各种电气量参数的临界值,是电力电缆绝缘在线监测技术的关键所在。通过统计电力
电缆绝缘的各种电气量参数信息,找出一种准确有效的电力电缆绝缘诊断判据,从而使

电力系统从预防性阶段过渡到预知性阶段,进一步提高电力电缆网的安全可靠供电,减

少突发事故的产生M。目前我国电力电缆绝缘诊断技术,还处于起步发展阶段,如何

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准确、快速的查找出电缆绝缘隐患,找到一个有效的电力电缆绝缘击穿时的判断依据, 是当前及以后要努力进行的工作。

1.2国内外电力电缆绝缘在线监测的现状及发展
长期以来,国内对电气设备绝缘诊断主要采用定期试验维修的方法,这种离线试验 方法在过去为电力行业作出了重要的贡献,但我们也时常碰到,经过试验维修,合格的 设备投入运行后不久就出现事故的情况。电缆作为一种特殊的设备,在试验时使用耐压

试验等方法,本身就会对其造成损伤,加快了电缆的老化,影响电缆的绝缘特性,虽然 耐压试验仍然是一种有效的发现故障的方法,但我们一直在不停的寻求新的试验方法。
在线监测技术的发展,为电缆的检测提供了新的思路。 近二十年来,为了保障电力电缆的安全运行,电力电缆绝缘在线监测技术得到了长 足的发展。目前,xLPE电力电缆的在线监测技术主要有直流分量法、直流叠加法、辔6

法、局部放电法及低频(O.1Hz)叠加法等。国外,特别是欧美和日本等发达国家这些 方法已经得到较广泛的应用,积累了丰富的经验,在监测方法和技术上处于领先地位,
其研究开发的绝缘监测及检测装置已有较好的应用效果:更重要的是,长期的在线运行

提供了大量的监测结果,丰富了对电缆缺陷和老化的判据。值得一提的是,日本在交联
电缆的在线监测技术和方法上投入了大量人力和物力,开发了一些诊断设备,并提出了 电缆老化程度的判据【8】【9】【10l。

国内,在线监测技术目前尚处于起步阶段,不少学者和研究单位对国外的监测技术
和方法进行跟踪研究,如上海交通大学、西安交通大学、清华大学、上海电缆研究所等。

在电力电缆在线监测领域,国内也有大量相关论文和研究成果,但是目前投入实际运行
的在线监测产品并不多见。

1.3论文的内容与关键技术
本论文是针对配电网中电力电缆的研究,首先统计电力电缆绝缘故障的类型及原

因,明确故障发生发展的机理,进一步了解电力电缆各组成部分的作用;通过对国家标 准中规定的现场试验的研究分析,对比性的论证电力电缆绝缘在线监测技术的必要性。
在此基础上,研究电缆绝缘逐步老化直至击穿的过程中,表征电缆绝缘良好程度的电气

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量参数的变化情况,找出一种准确、有效并便于测量的电气参数特征量作为电缆绝缘击 穿时的判别值。 1.3.1论文主要内容 (1)电力电缆故障类型及原因分析 虽然电力电缆较架空线路的运行可靠性有了很大提高,但随着社会生产的不断发 展,负荷的不断增加,电力电缆故障也时有发生。为了更好的保证电力电缆安全可靠的 运行,对电缆故障原因及类型进行统计是必要的。 (2)现场试验 根据国家标准规定,对电力电缆进行现场试验,论述现场试验的作用,并研究现场 试验是否能够完全反映电力电缆绝缘状况。 (3)电力电缆绝缘击穿时特征量的选取及临界值的确定 为了更加准确有效的判断电力电缆绝缘是否击穿,特征信号的选择和击穿时临界值“ 的确定是非常重要的。本文拟通过仿真计算得出电力电缆绝缘逐步老化直至击穿过程 中,电缆绝缘电容、绝缘电阻、损耗因素及接地线电流之间的关系,通过分析确定判断 电缆绝缘击穿的特征信号及特征量。
1.3.2关键技术及难点

本课题的关键技术有三点:对电力电缆故障类型与原因的大量统计工作,仿真模型 的建立,电力电缆绝缘击穿时特征信号及临界值的确定。 (1)电力电缆故障类型与原因的研究 在查阅大量文献的基础上,要通过统计总结找出电缆发生故障的原因及故障类型, 工作量大,并且在上述研究的基础上,还要对电缆故障的深层原因进行研究。 (2)电力电缆仿真模型的建立 在对电力电缆进行仿真研究之前,必须建立一个能正确反映电力电缆绝缘状态的模 型,这是本课题研究的一个关键所在。 (3)电力电缆绝缘击穿时特征信号及特征量的确定

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

特征信号的确定是本课题研究的基础,要在现有的在线监测方法的特征信号中(如 局部放电、直流法、低频法、接地电流法等)选取出一种准确、简单实用、可靠的特征 信号,不仅要比较各种特征信号的优缺点和适用范围,而且所选的方法必须适应电缆网 自身的特点。 电力电缆模型的建立是确定特征量(电力电缆绝缘击穿临界值)的第一个难点,所 建立的电力电缆模型应能准确、有效的反应电力电缆的结构和参数以及电缆故障时接地 线电流的特点。而特征量的选取是本课题最重要的部分,准确的确定特征量能够有效实 现电力电缆绝缘击穿故障的预判别,从而通过各种控制手段避免故障的发生。

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2电缆网的故障
电力电缆本体由纯净的材料在净化环境里连续制造而成,其绝缘结构和尺寸的制造 误差很小,通常可以简化为理想同轴电容结构。在交变电场下,内部电场分布比较均匀, 介质中任意一点的电位均满足泊松方程,理论上认为电力电缆可靠性高111l、安全性好而 且其占地面积小、不影响城市美观,在我国城市居民区、工矿企业及部队使用愈来愈多。 但由于受机械、热、水等因素的影响,可能出现故障1121。人口稠密,特别是地下管线复 杂的城市区域,电力电缆输、配电线路安全的重要性更为突出【“。

2.1电缆故障原因
虽然我国主要城市的10~220kV电力电缆平均运行故障率己由1997年度的

11.3次/(1咖?a)逐年下降到2001年的5.欲/(虹l?a),但与发达国家相比仍然高出许多倍。
电力电缆发生故障的主要原因为:1)外力破坏、市政建设时野蛮施工造成电缆破坏故 障大幅上升:2)电力电缆施工时没有严格按工艺要求而留下的隐患【14l;3)电缆本体质 量问题;4)电缆的长期过负荷运行,据统计我国大约有72%的电缆线路常处于过负荷运 行状态且缺乏及时的维护。 如果不计外力破坏引发的电缆故障,那么在电缆投运初期(卜5年)电缆及附件质 量和安装敷设质量问题是电缆故障的主要原因;在运行中期(5—25年),电缆基本进入 稳定运行期,故障很少;在运行后期(25年后),电缆本体绝缘树枝状老化及附件材料 老化加剧,电缆运行故障急剧上升,其中附件故障约占80%。 根据2001年全国主要城市电缆故障统计,在引发故障的原因中外力破坏占58%,附 件质量占27%,敷设施工隐患占12%,本体质量占3%。
2.1.1外力破坏

外力破坏115l是电缆故障的主要原因,城市规划工作中自来水、煤气、通讯、市政、 路桥、房地产、绿化等施工中造成电缆损坏约占电缆故障的58%。主要表现为: (1)机械开挖、人工打桩施工时未经核对,损坏电缆而接地短路。这类事故占电
缆故障>40%。

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(2)安装、固定不牢,电缆错位、摩檫、变形,导致绝缘故障。这类事故在移动设 备上经常发生。 (3)车辆辗压,地面沉降,造成电缆错位、变形,导致故障,这类问题在部分直
埋电缆上较多。

而造成外力破坏电力电缆的原因无外乎以下几点:1)市政施工人员安全意识薄弱, 为赶工期违章作业,在未进行人工试挖探坑的情况下,善用机械钻孔:2)监理不力, 工程各管理部门协调不好,安全责任和措施未落实到人;3)边设计、边拆迁、边施工 的工作方式导致施工措施信息滞后。 上述外力作用往往造成电缆护套局部破损及铠装钢带变形嵌入绝缘,再加上土壤中 的潮气或水分会从损伤部位侵入到电缆绝缘中,最终就会导致运行故障。 为了降低由外力破坏引起的电缆故障,电力部门应采取有效的措施防范电缆遭受外 力的破坏,具体措施如下: 1)加大巡查频率,对破坏事故频发区、市政施工建设密集区及节假日增加巡查次 数。 2)参与有关管线协调会议,通过这种会议向有关市政建设部门介绍地下电缆线路 的走向及具体位置。 3)实行危险点控制方案,在市政施工位置指定专人定时问、定内容的巡查。 4)在电缆管理上实行领导一技术专责一运行专责一护线员的层层负责制度。 5)实行安全措施交底及线路监护工作,对涉及电缆保护区内的施工,必须向有关 电缆监管部门提交电缆监护方案,并经审核后派专人对施工点的电缆进行监护。 6)在电缆保护区设置电缆标志牌。 8)通过各中宣传方式,宣传电力相关法律及电力设施保护的知识。 9)对电缆线路上的违章进行严厉惩罚,及时向违章部门及个人发出隐患赔偿或处
罚通知书。

除此之外电缆主管部门还应与市政施工部门做好沟通,及时了解施工进展情况,做 好电缆保护工作。



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2.1.2电缆安装、施工的问题 据文献[11]统计10kv及以上电缆有约12%的运行故障与安装和施工质量问题有关。

电缆在<正常寿命期l/4的时间就被更换。电缆敷设未执行规范要求或施工时地理环境、
天气条件影响,为电缆投入运行后留下众多隐患。 (1)电缆外护套破损 敷设时野蛮拖拉,损伤电缆外护套,引起主绝缘内部进水受潮,导致事故发生。 (2)环境潮气、湿度偏大 制作电缆头时因环境潮气、湿度偏大,绝缘局部受潮,使绝缘性能下降,发展成贯

穿性通道,导致电缆击穿事故。
(3)中间接头密封不良

电缆中间接头密封不良,投入运行后使绝缘内部受到潮气、水分的侵蚀,引起中间 接头绝缘受潮劣化。
(4)导体连接管压接不良 电缆中间接头导体连接管压接不良,打磨不平整,特别是在压接管口边缘处,局部 有尖角、毛刺。 (5)中间接头设置不合理 中间接头设置不合理,施工中电缆中间接头之间距离设置太近,有些电缆平均约 100IIl就有一个中间接头。

这些施工质量问题绝大部分是可以避免的,所以要求电缆安装人员在敷设电缆时,
遵守安装规程,时刻注意地理环境及气候。 2.1.3电缆本体质量问题

电缆本体质量缺陷常会引起绝缘进潮,绝缘强度下降,从而发生击穿事故。 通过这几十年的运行经验,我们发现电缆本体绝缘缺陷是造成电缆故障的主要因 素,其中绝缘进水是绝缘问题中的常见现象,也是油纸电缆故障的主要原因。几年的两 网改造将老旧油纸电缆更新成交联电缆。目前所有的电缆厂基本均用诺基亚生产线,设
备差别不大,关键是制造过程中的管理,包括加料问的环境、温度、湿度,绝缘偏心度

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的监控、绝缘屏蔽层的界面处理,还有从线芯到外护套以及出厂实验等。近年来由于面 临激烈的市场竞争,部分电缆厂家常在电缆制造过程中尽可能地取负公差尺寸以降低成 本,使生产过程中稍有不慎或管理疏漏便导致电缆本体制造缺陷,如电缆绝缘层中局部

区域微孔、杂质和焦烧的数量和尺寸超标;绝缘层、内外半导体屏蔽层的偏心度超标:
内外半导体屏蔽层突异物缺陷:金属屏蔽层开裂等缺陷。 文献[11]统计显示电缆本体质量问题占电力电缆故障的3%,20世纪70一80年代投 运的xLPE绝缘电力电缆产品均采用l+2挤出的生产设备和湿法蒸汽交联工艺,约有

37000km质量不稳定的产品投入运行且进入了高故障率时期。宝钢从1988以后发生多起 供电电缆主绝缘击穿事故,解剖后发现电缆主绝缘严重偏心。后于1997年更换电缆。 于95年进行的耐压试验发现每升高一个电压等级一些电缆样品就会发生主绝缘击穿, 后经解剖发现电缆主绝缘中局部存在明显的颗粒状杂质。对换下来的电缆进行寿命评估
时发现电缆寿命至少还有17年。 2.1.4过负荷运行

根据文献【11】统计,约有72%的电缆线路长期运行在过负荷且缺少及时维护的状态, 加之较差的散热环境,使得夏季环境温度较高时,过负荷运行的电缆本体热量无法散出
温度过高,加剧整根电缆的绝缘老化,留下事故隐患。

2.2电缆易出现故障部位
电缆易出现故障的部位主要有绝缘、附件和外护套。
2.2.1绝缘问题

电缆的绝缘老化主要出现在电缆投入运行的后期,导致运行后期故障率大幅上升: 绝缘老化主要分为树枝状老化、电一热老化及附件材料老化。电缆绝缘介质内部气隙在
电场作用下产生游离使绝缘下降。当绝缘介质电离时,气隙中产生臭氧、硝鼓等化学生

成物,腐蚀绝缘层;绝缘层中的水分使绝缘纤维产生水解,造成绝缘程度下降。 过热会引起绝缘层老化变质。电缆绝缘内部气隙产生电游离造成局部过热,使绝缘 层碳化。电缆过负荷是电缆过热很重要的因素。安装于电缆密集地区、电缆沟及电缆隧

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道等通风不良处的电缆、穿在干燥管少的电缆以及电缆与热力管道接近的部分等都会使

电缆绝缘本身过热而使绝缘层加速损坏I嘲。
2.2.2附件问题

理论上认为,电力电缆受外界环境因数和人为因数影响较小,安全运行可靠性高,但 是电缆的中间接头和终端通常在电缆敷设现场人工制作安装,容易出现纰漏。电缆附件 (如图2.1)故障占电缆故障的27%。其宏观主要表现为复合界面放电和附件材质早期 老化。其中复合介质沿面放电占电缆附件故障的73%,附件材质早期老化占附件故障的
27%【11l。图2.2给出了中问接头故障时的图片。

电缆附件故障往往是由制作工艺不精,在制作过程中,使附件出现气泡、水分、杂质 等缺陷,导致局部放电而引起绝缘击穿,主要体现在117l:
(1)电缆的中间接头、终端头制作质量不高

1)剥离半导体时,损坏内绝缘或绝缘表面有微粒、灰尘等杂质,或者半导电层爬电 距离处理不够,在投入运行后,都将使其中的杂质在强大的电场作用下发生游离,产生
电树枝。


2)制作过程中,如果导线压接质量不好,使接头接触电阻过大而发热,或热收缩 过渡等造成了绝缘老化,从而使绝缘层老化击穿,导致电缆接地短路或相间短路,使电
缆头产生“放炮”现象,同时伤及附近的其他电缆。 3)电缆接头工艺不标准,密封不规范,投入运行后使绝缘内部受潮气,水分的侵

蚀,引起中间接头绝缘受潮劣化。严重时使电缆主绝缘内部大面积进水,导致主绝缘整 体性受潮,最终发生电缆击穿故障。
4)导体连接管压接不良。电缆中间接头导体连接管压接不良,打磨不平整,特别 是在压接管口边缘处,局部有尖角、毛刺,易造成接头内部电场不均匀,运行中产生了

局部放电,绝缘老化,绝缘性能下降,发生击穿事故。 5)电缆终端或中间接头金属屏蔽层接地电阻过大。对于电缆的金属屏蔽层而言. 在一般交联电缆上要有两点接地,且接地电阻要小于规定值。若接地电阻值超标很多, 当电缆及接头受到过电压时,会感应产生更高的过电压。进而引起绝缘部分的老化击穿。

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图2.1电缆中间接头
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a)中问接头局部开裂

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b)电缆中间接头沿面放电痕迹 ”cr∞pingdi∞haf萨oftrami“onjoint

c)中间接头击穿事故

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图2.2电缆附件故障

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同时电缆接地故障引起的系统过电压造成电缆的再次故障的可能性也仍然存在,后果也 是比较严重的。 (2)电缆本体在运行过程中因负荷的变化,环境因素的变化而热胀冷缩,特别是 热收缩型电缆附件不能够随之弹性变形而丧失密封作用,在电缆附件与电缆XLPE绝缘 层之间形成呼吸效应,将大气中的水分和潮气带入电缆附件中,引发电缆附件内部相间 或相对地短路故障。 (3)环境湿度、潮气偏大。制作电缆头时因环境潮气、湿度偏大,绝缘局部受潮, 使绝缘性能下降,发展成贯穿性通道,导致电缆击穿事故。 为了尽量避免电缆中间接头、电缆终端故障,电力部门应制订有效措施防范电缆接 头故障,具体措施如下;


1)进一步建立与规范电缆及附件的设计、选型、施工、监理、交接与验收的标准 与规范,保证产品质量和施工质量的全程控制。 2)应尽可能减少电缆中间接头,对于隧道、槽架与直埋混合方式敷设的电缆,接 头应尽量设置在隧道或槽架中。 3)对于电缆中间接头的制作人员,应进行必要的业务资质与技术评定,持证上岗。 4)在剥削护套、绝缘屏蔽层、半导体要细心,绝缘表面应彻底打磨,押解后必须 去尖角、毛刺,清除金属粉末,防止杂质颗粒遗留。 除此之外,技术人员应严格按照有关操作技术规程进行,以确保电缆中间头和终端 头的制作质量。在选用电缆头时,逐步改用橡胶预制式接头。它是总结并克服热收缩电 缆头缺点的基础上专门研制使用的,适用于交联电缆接头,并且达到了国际IEC标准。 制作全过程要求均应在现场完成,要选择合理适当时机,设法避免环境温度、湿度、灰 尘、甚至工作人员汗液对电缆接头制作的不良影响,消除制作环节本身的事故隐患。 2.2.3电缆外护层问题 我国城市电网的改造中,高压电缆被广泛使用,电力电缆外护套是保护电缆的第一 道防线,其完好与否对电缆的使用寿命关系重大。 (1)外护套作用I蚓

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外护套位于电缆最外层,多采用聚氯乙烯(PvC)或聚乙烯(PE)两种材料。外护套在 高压电缆结构中的主要作用有: 1)保护作用。电缆的敷设环境,经常伴有水分、腐蚀性物质以及白蚁的侵蚀。对 于有金属护套的电缆,位于电缆最外层的外护套是为保护金属护套(如波纹铝护套)免受 周围物质的腐蚀而设计的。对于没有金属护套的电缆,外护套就直接起到对主绝缘的保
护和密封作用。

2)绝缘作用。110kV以上电压等级的高压电缆,绝大部分采用单芯结构。由于电缆 运行时导体电流的电磁感应,在金属护层(护套和屏蔽层,下同)上产生感应电压。为避 免感应电压在金属护层上形成环流,降低电缆的载流量,除在金属护层的连接上采取措 施外,电缆的外护套必须具有良好的绝缘性能,使金属护层对地绝缘。 电缆的外护套受损,对于单芯电缆,其金属护套将会形成接地回路,产生环流。环 流一方面会使电缆金属护套发热,降低电缆输送容量;另一方面由于破损处空气及水分 的侵入,加速电缆金属护套腐蚀,危及电缆主绝缘。因此,保持外护套完好对电缆安全 运行非常重要l埘。 (2)故障原因
电缆外护层故障的原因主要有3种:

1)电缆旁边的硬物损伤: 2)施工遗留缺陷; 3)白蚁蛀蚀; 调查表明第l、2种原因对电缆的损害并不严重,严重的是白蚁腐蚀。调查的电缆 段是从外护套绝缘电阻不合格的电缆段中随机抽取的,所选的9小段电缆,有6小段发 现蚁害,占66%;在找到的29处故障点中,蚁害造成16处,占52%。电缆一旦受到蚁 害,其发展非常快;2000年11月发现的一处白蚁腐蚀情况,当时该电缆仅投运3年, 腐蚀已深入金属护套内。 (3)防范措施 对于运行中的电缆,只能从提高测寻效率方面采取措施。例如采用较好的仪器、工 具。熟练掌握测寻技术等。如果故障点太多,就难以处理了。

沈阳]:业大学硕士学位论文

防止外护套故障根本的对策,应采用系统工程的方法,实行全过程控制。从电缆的 选型和安装开始就要制定防止故障的目标: 1)电缆的选型。选择硬度较高和防蚁性能好的外护套,目前已有一种工艺,可以 在外护套上挤压一层防蚁护套,其防蚁性能较佳。其次,可考虑选用耐腐蚀的金属护套,

即使电缆受到蚁害,也可减低金属护套被腐蚀的程度。
2)提高电缆敷设安装质量。采用先进的敷设方法,电缆在敷设过程中不受到大的 侧压力,防止外护套受到损伤。严格电缆装置环境要求,如直埋电缆周围必须有不含石 块和硬物等的细砂保护。

2.3电力电缆故障的周期性特点
电力电缆线路故障率和多数电力设备一样呈现典型浴盆曲线:投运初期(1~5年髑) 容易发生运行故障,其主要原因是电缆及附件产品质量和电缆敷设安装质量问题;运行 中期(5~25年内),电缆本体和附件基本进入稳定时期,线路运行故障率较低,故障 主要原因是电缆本体绝缘树枝老化击穿和附件呼吸效应进潮沿面放电;运行后期(25

年后),电缆本体绝缘树枝状老化、电一热老化以及附件材料老化加剧,电力电缆运行
故障大幅上升。
2.4

xLPE电力电缆故障的发生发展机理
电缆击穿故障往往是由上述原因引起的,由于破坏程度的不同,在运行中电力电缆

击穿故障的发生大致可按投运初期(1~5年内)、运行中期(5~25年内)及运行后期 (Z5年后)三个时期划分。然而电力电缆由外力破坏、安装质量、过负荷及电缆本体质 量问题发展到击穿的过程中又要经过电—热的多重效应,导致绝缘破坏,致使击穿故障 的发生,其过程大致可以用图2.3概括

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

老化因素

起点

老化形态 局部放电

………~蕾电树技老化




绝缘击穿

÷ {

一————-力@哆枝j色化
图2.3电力电缆绝缘老化到击穿的发展过程
Fi昏2.3me



pIooe醛劬magingto

bIeakdawn ofp州mrcahk

由图2.3可以看出电树枝老化是绝缘击穿故障的直接原因,无论任何故障原因最终

都会转化为电树枝的形式。下面对电力电缆主要的几种老化故障机理做以介绍。 2.4.1局部放电
在含有气体(如气隙或气泡)或液体(如油膜)的固体电介质中,当击穿强度较低 的气体或液体中的局部电场强度达到其击穿场强时,这部分气体或液体开始放电,使电 介质发生不贯穿电极的局部击穿,这就是局部放电现象,这种放电虽然不能立即形成贯 穿性通道,但长期的局部放电,使电介质(特别是有机电介质)的劣化损伤逐步扩大, 最终导致整个电介质击穿。

局部放电引起电介质劣化损伤的机理是多方面的,但主要有如下三方面: ①电的作用,带电粒子对电介质表面的直接轰击作用,是有机电介质的分子主链断 裂; ②热的作用,带电粒子的轰击作用引起电介质局部的温度上升,发生热熔解或热降 解; ③化学作用,局部放电产生的受激分子或二次生成物的作用,使电介质受到的侵蚀
可能比电、热作用的危害更大。

在运行电压下,局部放电能够存在于电树枝、孔隙、裂纹、杂质以及剥离的界面上。
当绝缘中存在微孔或绝缘层与内、外半导电层问有空隙时,将由于局部放电侵蚀绝缘而

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使绝缘性降低,以致发生老化形态,表现为绝缘击穿。根据绝缘层中存在微孔的模型,由
下面经验式算出允许最大微孔尺寸:

如壹
仙(%)

(2.1)

式中:2d——微孔直径,胁: 【,——施加电压,kv,为电缆额定电压的1.2/√3倍; ,n——绝缘层内半径,咖; 风——绝缘层外半径,咖。

高压xLPE电缆按满足(2.1)关系式进行设计构造,能保证在正常运行场强卞謇发生
局部放电,这或许是在正常使用条件下一般未出现因局部放电导致绝缘老化击穿事例的 缘故。但当电缆本身受到外伤或附件组装不善时,就可能出现起因于局部放电导致绝缘 老化的绝缘击穿。如在模拟包带式接头的增强绝缘层中,其包带有断带状态时所作的验
证性试验,经解体检查已获证实。 2.4.2绝缘老化

近30年的运行及研究表明,树枝状老化是xLPE电缆绝缘破坏的主要过程。对于树 枝状老化,按照形成原因,可把树枝分为电树枝、电化树枝、水树枝。 (1)电树枝老化,它是由于绝缘层每个部分或绝缘与其他固体接触面间(例如与
屏蔽交介面)存在气隙、或绝缘层内有杂质、或屏蔽层有缺陷(突出处、凹处、不连续)

等原因引起电场的集中,导致绝缘中薄弱环节局部放电,逐步形成电树枝。对电树枝引
发以屏蔽层突出处最甚,杂质、气隙次之。这种树枝的特点就是气隙中没有水分,树枝 状放电从材料不连续介面(气隙、杂质介面、内外半导电层介面)引发出来,树枝管连 续、内空、管壁上由放电产生的弹力痕迹、分支少而清晰。对于xLPE绝缘,由电树枝出

现到全部路径击穿的时间较短,这是电树枝与水树有所区分的一个特点。 电树枝老化的过程可分为引发期或称诱导期、之后的生长期及最后的击穿。在引发
期,一定的时间内无明显的局部放电现象,加压一定的时间会突然出现局部放电,产生

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

电树枝。加压后无局部放电这~段时问称为树枝引发时闻,试品开始起晕时的电压称为 起晕电压或起始电压,该值通常较高。此时最大放电电流脉冲幅值约为数十微安。电树 引发之后的生长期,在较低的交流电压下就会维持电树发展。这是由于树枝诱发时的局 部放电产生局部温度升高,促使绝缘材料气化,使气体通道得以扩大和延伸;同时,局 部放电产生的空间电荷加强了局部电场,也维持放电不断发展。在此期间,树枝的数量 和长度随着连续的或周期的局部放电的作用而生长,局部放电的幅值和次数较起晕时有 较大幅度的增长。这一阶段持续的时间依赖于很多因素的影响,如①外施电压的高低即 绝缘物质局部的电场强度的大小:②树枝碳化的程度。这种碳化使针尖处的电位沿着电 树枝深入到树枝端部;③空间电荷的聚集等。当一个或多个电树枝通道达到对面电极时, 绝缘被破坏,击穿发生。试品击穿前的瞬间,一般情况下局部放电的幅值和次数都会显
著增加。

由上述分析可见,交联聚乙烯电力电缆电树枝老化的防止关键是阻止电树枝的诱发, 减缓或阻止电树枝诱发后的生长,也即防止局部高场强的形成。实际电缆中,形成局部 高场强的主要原因有存在于交联聚乙烯电缆绝缘介质中的杂质、气隙、半导体层突起以 及空间电荷的积累等因素。因此防止交联聚乙烯电力电缆的电树枝老化主要可以考虑采 取下列方法:①改进交联聚乙烯电缆的制造工艺。通过改进绝缘结构和制造工艺,消除 绝缘中的电场应力集中点和气隙以尽量提高电场的均匀度。如交联聚乙烯干法一步交 联。②在交联聚乙烯绝缘材料中掺入添加剂(稳压剂)。这些添加剂能“减活”或吸收高 能电子,从而提高交联聚乙烯电树起晕电压,使其分子免受破坏。但目前这些添加剂的 缺点是容易挥发,所以其抑制树枝化的性能不能长期保持,尚需深入探讨。③对交联聚 乙烯这一类有机物作为高压或超高压绝缘最为关键的问题是寻找本征耐树枝化性能优 良的高分子聚合物。实际现场的使用过程中,要注意电缆外部环境的优化,防止水树、 电化学树的产生及形成电树。 (2)电化树枝老化,是由于孔隙中存在含硫或其他化学成分的溶液,例如,电缆 敷设在土壤中含有的化学成分,经过电缆的护套和绝缘层到达缆芯表面,与导体材料起 化学反应的生成物(亚硫酸铜、硫化物溶液等)。在绝缘层中由于电场的作用,形成树 枝比产生电树枝低得多的场强下即可产生。

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(3)水树枝,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 绝缘体等原因,在交变电场作用下水分子往复冲击绝缘物,使其疲劳损坏,水便随之逐 渐扩散到绝缘层深处,形成的树枝状物。

引起水树枝的原因几乎都是电缆在制造、运行、保管、敷设过程中水分侵入电缆内
部所致;或者由于在导体上使用以布带为基的半导电屏蔽层,在毛刺、杂质或气隙而形 成的电场集中处引发水树枝并伸延而导致绝缘击穿。所以,充分了解XLPE电缆中水树

枝的机理是非常必要的。 水树枝是交联聚乙烯的降解结构,它具有下列的性能:①永久性;②在极少的潮气和 极小的电场下也可以生长;③与原始的材料相比较,潮湿时有极小的电应力,但水树枝不 是短路也不是击穿:④降解结构有较强的亲水性。由此可见,一串水滴并不是水树枝,水“ 树枝是亲水性的内含物或者是亲水性空洞。依据这个定义,如果水树中的水蒸发了,那么 水树枝并不消失,而仅仅是变干了。在高温热水中将之煮沸使之重新充满水的方法可以 使水树性质重现。 根据在绝缘材料中生成部分的不同,水树枝可分为3类,即从导体的内半导电层上
产生的内导水树,从绝缘的外半导电层产生的外导水树:从绝缘层中空隙等产生的蝶状

水树。内导水树和外导水树因其都初始生长于绝缘体的表层且向绝缘体内生长,所以也 可合称为表层水树。这三类水树枝引发及生长过程有很大不同,对xLPE绝缘材料的影
响也大不一样,其中内导水树可使电缆的绝缘强度大幅度地降低【捌。

引发表层水树可能是因为绝缘材料表面被划伤,或紧靠绝缘体的半导体屏蔽层不规 整等。蝶状水树枝初始生长于绝缘体内一点,这个点可能是杂质、气隙或缺陷等,从这
一点起始并沿电场线向相反的两个方向发展。

根据很多国内外学者和专家的研究成果,可以弄清楚的水树特征有如下几点;
1)引发水树枝的空隙中必须有水分,在比引发电树枝低得多的电场强度下即可发

生,根据实验结果,其起始场强约为200v/唧。也就是说,电场和水分必须同时存在才
会引发水树枝。 2)树枝管有的大体不连续,内聚凝有水分,主干树枝较粗,分枝多而密集。 3)绝缘中的杂质、半导电层的缺陷、空隙等高电场处,是水树引发的起点。

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

4)水树的生长需要频率来加速,直流电压下很难产生水树,交流电压下较容易【21】。 5)随着水树枝的生长,水树枝尖端的电场愈加集中,局部的高电场最终会导致水树 枝尖端引发电树枝。电树枝一旦形成即可能造成xLPE电缆绝缘在短期内被击穿。绝缘

的击穿与最长的水树枝密切相关,而与水树枝密度或一般老化程度关系不大,当最长水
树枝桥接60%~80%绝缘厚度时,才会大大降低电缆的击穿强度f捌。

6)水树枝在形成过程中,由于放电而观察不到脉冲现象。 7)发生水树枝的部位,会产生机械变形。 8)水树枝呈非线性,这主要是由于微孔内的水分受交变电场激励进入微裂纹导致水 树枝电导突变而引起的【矧。 9)水树枝是永久存在的且是亲水性的,水树枝老化电缆被干燥后,绝缘会出现恢复。 一旦放入潮i显环境中,水将会重新进入水树枝的通道中。
水树枝生长较慢,但伴随水树枝的生长,水树枝尖端的电场将愈加集中,局部高电 场强度就会导致水树枝尖端产生电树枝。电树枝一旦形成,在短期内即可能造成绝缘击

穿,这是对电缆致命的破坏。当“水”“起点…电场”三个条件都达到合适的条件以
后,水树枝就会发生,换句话说,三个要素之中,如果缺少一个,水树枝就不会发生。
电场的存在是电缆输送电力的必要条件,无法避免。对于水,特别是配电用的电缆,考 虑到其敷设条件,要完全截断与水的接触是很困难的。最早曾采用为电缆设置金属屏蔽 的方法,但是增大了成本。所以要抑制水树枝,最现实有效的方法是除去微隙、杂质、 突起等产生水树枝的起点部分。另外,还可以使用添加剂来抑制水树枝的产生。它的作

用一是缓和XLPE绝缘中的突出物、气隙的局部高场强,二是增加气隙内的化学势,预
防气隙内进水。

图2.4水树枝发展要素及过程示意图
Fi昏2.4 the fcatlI他s and proce龉ofwatef

tI∞刚ing

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在一个绝缘系统中,老化因素可以使材料的特性产生不可逆转的改变,并可能影响

到绝缘性能从实际线路归纳xLPE电缆的老化原因和老化形态,一般认为局部放电、电
树枝、水树的发生,是影响电缆及其附件绝缘性能降低的主要原因,且频度较高。

2.5结论
电力电缆的故障形式多样,原因各异,充分了解电力电缆的故障原因及故障类型是 进行电力电缆故障预判别的前提,在了解电力电缆故障发生、发展到绝缘击穿的机理后, 课题才能更加准确有效的提出电力电缆击穿的特征信号和特征量。从本章的分析可知, 电力电缆故障的发生主要是由于电缆的过负荷运行、外力损伤、不规范的安装施工及电 缆本体的质量问题引起的,发生部位主要集中在电缆接头、外护套和电缆绝缘上,并通 过局部放电、水树枝、电化树枝及电树枝等形式使电缆绝缘逐步老化,最终发生击穿故
障。

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

3现有的绝缘诊断方法比较及特征信号的选定
近二十年来,为了保障】(LPE电力电缆的安全运行,电力电缆绝缘诊断技术得到了 快速的发展。国外,特别是欧美和日本等发达国家在电力电缆绝缘在线监测技术上取得 了相当的成就,积累了丰富的经验,在监测方法和技术上处于领先地位。国内,近些年
在完善现有电缆绝缘离线诊断方法的基础上,一些科研院所也积极开展了电缆绝缘在线 监测技术的研究及相关产品的开发,取得了可喜的成就。下面就详细的介绍国内外现有

的电力电缆绝缘诊断方法及各自的优缺点。

3.1离线诊断技术
现有的电力电缆绝缘离线诊断技术主要有介质损失角正切(f96)试验、局部放电 试验及耐压试验。
3.1.1介质损失角正切(f96)试验 电缆绝缘的损耗因素(f96)是在工频交流电压下进行测量的,其系统接线图如图 3.1所示

图3.1损耗因素试验接线图
Fig.3.1

lo豁fea咖test蛐幽g pmgmm

留6测定存在的问题

1)工频下留6测量值可能偏于夸大。因电缆护层若浸水渗透使屏蔽铜带腐蚀,会导
致外半导电层的电阻增大而影响增6增加,故有从实测增d。中分离出绝缘层本身留6来 判断的动议。

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2)电缆线路长短不同的影响。因水树往往是局部,而实测留6系反映绝缘的平均状
况。

3)施加场强的差别影响增6测值。无论水树为贯通或形成贯通,试验按O.1kv/啪~ 2kv/唧变化都显示f96有较大差异,其数量即可达成倍或10倍以上。实际一般按额定 相电压‰作用下测定,对于要撤换的电缆按2倍u。测定。 3.1.2局部放电试验 局部放电试验的目的是:①判断试品在工作电压下有无明显的局部放电存在,考核 绝缘内的游离性能:②测量绝缘内局部放电的起始电压,或局部放电的熄灭电压值:测 量规定电压下的局部放电强度。其测量电路图如图3.2

图3.2局部放电试验电路图
Fig.3.2 partial

dis‘哇mge te{吨dr饥“diagram

局部放电试验最大的缺点是,局部放电信号微弱,若电磁干扰大,则很难分辨局部 放电信号和干扰信号,虽然局部放电试验在屏蔽效果较好的试验室内作是一种比较好的 绝缘诊断方法,但用在现场绝缘诊断上就存在着很大的局限性。 3.1.3直流耐压试验 直流耐压试验是电缆工程交接试验的最基本试验,也是判断电缆线路能否投入运行 的最基本手段。其试验目的是为了发现电缆绝缘中的严重缺陷。具体的试验原理图如图 3.3所示。

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图3.3直流耐压试验原理图
Fi参313 dir。吐cuⅡem wit量lstand vol纽ge cifcuit

dia乎砌

直流耐压试验的优点是所需试验设备容量小、体积小,携带操作方便,特别适合现 场试验,在油纸绝缘电缆上的应用是成功的,国际和国家标准均有明确规定。 而对于XLPE电缆进行直流耐压试验则存在以下缺点: 1)直流耐压试验不能模拟)【LPE电缆的运行工况。
2)XLPE电缆在直流电压下会产生“记忆”效应,存储积累单极性残余电荷。如果

在电缆内的直流残余电荷未完全释放之前即投入运行,直流偏压便会叠加在工频电压峰 值上,使得电缆上的电压值超过其额定电压,从而有可能导致电缆绝缘击穿。
3)直流耐压时,会有电子注入到聚合物介质内部,形成空间电荷,使该处的电场 强度降低,xLPE电缆的半导体凸出处和污秽点等容易产生空间电荷,从而难以发现缺陷。

同时,如果外部发生尘闪络或电缆附件击穿,在己积聚空间电荷的地点,由于振荡,电
压迅速改变为异极性,该处电场强度显著增大,可能损坏绝缘,造成多点击穿。 4)xLPE电缆致命的一个弱点是绝缘内容易产生水树枝,在直流电压下会迅速转变

为电树枝,并形成放电,加速了绝缘劣化;而单纯的水树枝在交流工作电压下还能保持 相当的耐压值,并能保持一段时间。
5)国内外的调查研究和实践都表明,直流耐压试验不能有效发现交流电压作用下 的某些缺陷,如电缆附件内的机械损伤或应力锥放错等。 所以,xLPE等高压橡塑绝缘电缆不宜做直流耐压试验己在国内外达成共识。

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3.1,4交流耐压试验

交流耐压试验是在试样电缆上施加交流高压,在规定的试验电压和持续时问内考察
试样电缆是否击穿。电力电缆交流电压试验常用的方法有超低频(O.1Hz)电压试验、 高频振荡波(0SI)试验、串联谐振试验及变频(AcF)谐振试验。

(1)超低频(O.1)电压试验 O.1Hz的超低频电压试验,能大大降低试验设备的容量,理论上可以降低500倍,
实际由于结构原因容量可下降50~100倍。其试验回路如图3.4所示

图3.4超低频电压试验回路
Fig.3.4

lIIna—low缸quency

VOltage咖“dia罟ram

与工频试验相比,在试验电压不变的条件下,超低频式样设备的容量理论上可以减 小500倍,同时①具有直流试验的特点:②不存在电缆的“积累效应问题”,并能较好 地发现气隙局部放电产生绝缘损耗所引起的绝缘问题,具有工频试验的优点:③由于试 验频率低,对于由电缆中偶极子(如水分)产生绝缘损耗所引起的绝缘下降较工频试验要
少。 (2)高频振荡波试验

图3.5是高频振荡波试验代表性的接线图,直流电源对充电器c'充电,达到预定值 后使球隙放电,试验电压通过c1和电感线圈、试品电缆C,,形成振荡放电回路,试品
电缆c。上的电压最大值为:

uf—u。×2c1/((’1+cz)
(,,最大可达到2倍U,。

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

从国外最新的研究报告中看到,振荡波试验对人工模拟的机械损伤和水树枝类型的

故障发现效果尚可,而对针板型故障不是很有效果,作为一个试验手段并不理想。

蛆回踌电阻

直藐电源

图3.5高频振荡波试验回路 F嬉3.5 hi曲-0fd盯of碰站ma虹on把髓c如cuit dia毋锄

(3)串联谐振试验 工频串联谐振法原理接线如图3.6所示。 串联谐振试验具有以下优点:


图3.6工频串联谐振试验回路
Fig.3.6

sefi船re∞n柚∞lest ci】.伽it

magram

1)串联谐振实际上是一个谐振式电流滤波器,能使被试试品上电压畸变率<O.5%, 获得最佳正弦电压波形,有效防止谐波峰值对被试试品产生误击穿。 2)串联谐振在全谐振状态下耐压,当被试品中绝缘弱点从被击穿时电路立即脱谐, 短路电流下降为试验电流的几十分之一,所以,串联谐振耐压既能有效地找出绝缘弱点,
又不存在过大的短路电流烧伤故障点的隐患。

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3)发生闪络击穿时,因失去了谐振条件,除短路电流立即下降外,高电压也立即 消失,电弧即刻熄灭;且恢复电压再建立过程很长,很容易在再次达到闪络电压之前人 为控制断开电源。 (4)变频谐振试验 国际大电网会议(CICRE)21—09工作组于1997的工作报告中指出:30~300Hz的 交流耐压试验与工频耐压的等效性良好。基于一些高校实验室的理论和模拟试验研究以 及国外十几年来采用变频试验的经验,其等效性好、效率商、设备轻便,试品长度几乎 不受限制。其原理如图3.7所示。





图3.7变频振荡试验电路 F培3.7∞weni∞osdllan∞t%t dr“it dia蹦m

3.2绝缘诊断的在线监测方法
3.2.1直流叠加法 直流叠加法【矧基本原理是在电磁式电压互感器的中性点接地处加一个低压直流电 压源(常用50v),通过电磁式电压互感器的线圈将此直流电压叠加在原已施加了交流 电压的电缆的绝缘上,测量通过电缆绝缘层的微弱直流电流(一般为IA级以上)或其 绝缘电阻来监测电缆的绝缘状况,其基本原理图如图3.8所示。

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算
高压

接负荷

图3.8直流叠加法测量原理图
Fi昏318

diI嘲aIrfent supc叩osili∞mcthod

mc勰Ilfing pfinci棚e

diag衄

测量中的问题主要是:地中杂散电流变化大时,测量误差大:电缆头表面泄漏电阻
低时,测量误差大。目前针对上述问题采用的防范方法是:在叠加装置与在线检测装置

十分靠近时,可采用电容阻断干扰电流通路,另外也可采用补偿电动势法来消除干扰电 流f矧。直流电流长时间通过电压互感器Tv时,将引起互感器磁路饱和产生零序电压,
这是造成变电所继电器误动作的原因。也有报告说,直流叠加电压为6v时不会有问题, 甚至可达15v【凋:值得一提的是,叠加电压法不适用于中性点直接接地的电网f明。 3.2.2直流分量法 近年来的研究工作中发现,由于电缆中水树枝的“整流效应”(如图3.9所示), 在外施交流工作电压作用下,流过电缆绝缘层的交流电流含有微弱的直流成分,检测出

该直流成分即可对电缆绝缘的劣化状况进行诊断。用图3.10示的测量回路可监测到
xLPE电缆线芯与屏蔽层之间微小的直流分量。

从检测原理上看,其优点在于:不需要外加的电源装置;因测量只利用外皮接地线 而不接触带电部分,故安全且简便。但是存在下列2个问题:

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蠢轰
图3.9水树枝整流效应原理图
Fig.3.9 watcr tr∞mcti矗∞tion

e胁prindple diag啪

图3.10直流分量法测量原理图
Fig.3.10 di坤ct

cumnt comp∞ent mc珈ring叫nciple

diag咖

(1)因直流分量很微弱,故护层(电缆外皮)绝缘电阻值低时易受地中杂散电流 的影响。因此,需从测量值中辨别出杂散电流和直流分量电流。当电缆屏蔽接地化学电 动势较大而护套绝缘电阻较小时,会在检测回路形成较大干扰电流,使得检测电流被干 扰电流淹没【船l四Ⅱ30l。
(2)电缆头的表面泄漏电阻低时,和护层电阻低~样,也是造成测量误差的原因。 3.2.3介质损耗因数法 介质损耗因素法f31l是利用电压互感器和电流互感器分别提取施加于电缆上的电压 和流过电缆绝缘中的电流,再通过数字化测量装置测出电缆绝缘的损耗因数(‘96)。 对电缆进行损耗因数在线监测的电路如图3.11。对多路电缆进行损耗因数巡回监测时,

可以把各个电缆上所获得的电流信号与从母线电压互感器处获取的电压信号的相位进 行比较从而实现对所有电缆的介质损耗因数进行监测。

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电梳
互感嚣

:…………………………一一L
图3.1l介质损耗因素在线监测电路图
只g.3.11

lO鸽featu他川Ilij呻m蚰i耐ng cir曲“diag舳

一般认为,介质损耗因数法的缺点是:往往反映的是电力设备或绝缘材料的整体性

缺陷,对于一个比较大的绝缘系统而言,系统中某处的个别较集中的缺陷不会引起整个 绝缘系统损耗因数的显著变化【32l。虽然电缆绝缘中水树枝的增长会引起损耗因数的增 大,但是分散性较大;同样在线测出损耗因数的上升可反映绝缘受潮、劣化等缺陷,交
流击穿电压会降低,但同样具有分散性。

3.2.4局部放电法 电力电缆的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 缆绝缘一定存在着可能危及电缆安全运行寿命的缺陷。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电力电缆绝缘状况评价

的最佳方法。电力电缆局部放电在线检测方法中主要的检测方法有差分法【33Ⅱ蚓、方向耦

合法135】、电磁耦合法∞、电容分压法【371、REDI局部放电测量法(38】、超高频电容法㈣、
超高频电感法【柏1、超声波检测法【41l等。
局部放电检测技术【42“l研究开发难度很大,迄今为止,交联聚乙烯电力电缆局部放

电检测试验大多仅在实验室里完成,其主要原因是:①外界强电磁场干扰源很多,单纯 依赖硬件技术实现剔除和防止外界电磁干扰难度很大【45I脚l:②采集的信号量微弱,幅值 很小,极易被背景噪声淹没f471【枯】:③宽频带滤波器和高倍数的放大器使得采集到的信号 的原始波形发生畸变,容易导致误判149J;④缺乏电缆绝缘局部放电信号的识别技术,缺 乏局部放电脉冲信号波形、频率及幅值的识别判断技术酬;⑤缺乏xLPE电力电缆绝缘 劣化的评价基础和运行状态判据等实际运行经验的积累【51l。

沈阡1 l:业大学硕十学位论文

3.2.5低频叠加法 低频叠加法【删是为避免直流微电流测量上的困难,可将7.5Hz、20v的低频电压在 线叠加在电缆绝缘上,在电缆接地线中串接入测量装置,以得到相应的绝缘电阻值。使 用本法需专用的7.5Hz低频电源。测量回路如图3.12所示

L……………J
测叠骱
图3.12低频叠加法测量回路 Fig.3.12

low_船que眦y supeIimposi曲n眦thod

principIe

dia鲥m

6kv电缆在线监测是用7.5Hz,20V叠加电源,测量三相总电流。判断标准是由交流 绝缘电阻与交流击穿电压的关系决定。 低频叠加法的优点主要是:诊断结果可靠性高:因护层绝缘电阻10k Q以上时,诊 断结果可靠性高;因是低频低电压,故电源容量小:不仅能检测出贯通水树的绝缘劣化, 而且也可能检测出非贯通水树的绝缘劣化。因此应用于22kV以上电缆绝缘诊断的可能 性也高。但使用时必须注意电缆端部的工作状态,例如为调整端部电场分布而装有应力 环时,即使电缆绝缘良好,交流损失电流也较大,因此仅根据监测的交流损失电流信号, 会做出“绝缘不良”的误判断。 3.2.6接地线电流法 当交联聚乙烯里的水树枝发展时,不但辔6增大、击穿电压下降,而且电容增量AC 增大。因此老化前后的电容量有变化,从而使接地线电流,.也会发生变化。因此以接地

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

线电流,。作为电力电缆绝缘击穿的判断依据是可行的。该方法简便易行,通常在接地线
E套以电流互感器即可实现测量【53l。 3.2.7交流叠加法 交流叠加法的测量原理是:在电缆屏蔽线上叠加一种偶数倍工频+lHz交流电压信 号,其产生1Hz的劣化信号反映电缆主绝缘性能,交流叠加法接线电路图如图3.13.电

缆主绝缘性能比较好时,测量的交流损失电流大小在10nA左右。交流电压叠加法与其 它测量方法相比有以下优点: (1)可从电缆接地线处叠加电压,测量简单方便,可作在线监测,也可带电监测,
一套设备还可监测多条电缆。 (2)因叠加电压检测的是1Hz劣化信号(与其它频率成分不相关),故检测精度 高,抗干扰能力强; (3)受铠装绝缘电阻及端部污损等因素影响较小。

但是由于交流叠加法是新的诊断方法,在实际运行线路的测量数据少,今后需积累
数据以完善XLPE电缆劣化判据。

=刁 j

图3.13交流叠加法基本测量电路图
Fi昏3.13 AC

supe血rIposi“蛐method Ine勰u血g plinciple diag舢

目前,国外特别是日本有很多研究,开发了一些诊断设备,提出了电缆老化程度的 判据。然而,国内尚处于起步阶段。这种监测方法的有效性依赖对微小直流电流、电压

沈阳工业大学硕士学位论文

(nA、nV)的测量准确度。纯粹精度测量此直流电流(压)并不困难,但对运行中电缆, 各种干扰信号都很强,工频信号可达几十伏,在这种条件下,要测量如此微小的信号是 很困难的,这是制约交联电缆在线监测迅速发展的主要因素。

3.3交联聚乙烯绝缘诊断方法的确定
根据具体线路的特点,对各种电力电缆绝缘诊断方法进行比较,选择一种既能很好 反应电力电缆运行中绝缘状态,又简便、安全、可靠的特征信号,是电力电缆绝缘诊断 的关键技术。现有的各种以耐压、损耗因素、局部放电、直流分量等特征信号为依据的 电缆绝缘诊断方法,都存在着很多弊端,如:离线诊断方法虽然能在电力电缆出厂试验 及竣工试验中发挥很好的作用,但离线诊断方法需中断供电,且易对电缆绝缘造成损坏; 在各种在线监测方法中直流叠加法和直流分量法易受地中杂散电流及电缆头表面泄漏
妒一

电阻的影响,使得测量存在较大的误差;损耗因数测量得到的信息反映的是电缆绝缘的 整体缺陷,不能灵敏的反映电力电缆整体绝缘的状况;局部放电法由于电力电缆的局部 放电信号微弱、波形复杂多变,难以区分电缆的局放信号,因而工程中难以实现现场在 线监测;低频法对测量装置要求较高,实现有一定的困难;交流叠加法在实际运行中经 验积累较少,没有得到很好的应用。 同以上方法的明显缺点相比基于接地线电流的绝缘在线诊断方法具有简便易行,经 济有效,只须在接地线上套以电流互感器便可实现。同时这种方法的外界干扰小。因此 本文拟采用接地线电流作为交联聚乙烯电力电缆绝缘诊断的特征信号。

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

4现场试验
交流耐压试验是标准中规定的电力电缆出厂及竣工的必做的验收试验,本文对沈阳

虎石台试验站的电缆交流耐压试验数据进行分析研究,提出了现有的标准试验的缺陷,
更进一步的论证了在线监测方法的必要性。

4.1试验分析
为了能够更好了解各种试验方法,本文对交流耐压现场试验进行了分析,找出现有
标准规定的试验方法的不足之处,并与本文所提出的基于接地线电流信号的绝缘诊断方 法进行对比研究。 4.1.1试验电路

本文主要对现有的交流耐压试验方法中的工频谐振以及变频谐振耐压进行比较研 究,这两种方法的试验电路如图3.6,图3.7所示。
4.1.2型式试验报告

(1)某10kV电力电缆的工频耐压试验 某10kV电网更换为交联电缆,为保证整个电缆系统的施工安装质量,投运前由某 高压所进行工频交流耐压试验作为交接试验。温度16℃。被试电缆长度约300恤,采用 工频串联谐振试验设备。试验标准根据:GB厂r12706.2—2002额定电压8.7kv(u。=
12kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件对电缆的相一地之间加交流电压3_5U0,即 30.5kV,时间5分钟,以不发生击穿为试验通过。试验结果如表4.1所示。

表4.1某10kV电力电缆工频串联谐振试验结果
1.ab.4.1 the series

res蚰ancc

tcst

0f 10kV po啊盯cabk

(2)某电厂10kv电力电缆的交流变频试验

沈阳工业大学硕士学位论文

根据最新国标及电厂的要求,某10kv交联电缆在投运前由某高压所进行交流耐压 试验作为交接试验。温度一1℃,被试电力电缆单根长度约270~330lll,采用变频谐振 试验装置。试验标准根据:GB厂r12706.2—2002额定电压8.7l【v(U。=12kv)交联聚乙 烯绝缘电力电缆及其附件对电缆的相一地之间加交流电压3.5U0,即30.5I【V,时间5分钟, 以不发生击穿为试验通过。试验结果如表4.2所示。 (3)某10kV交联聚乙烯电力电缆交流耐压试验 某10kV交联电缆在投运前由某高压所进行交流耐压等试验作为交接试验。温度24 ℃,被试电缆单根长度约230m,采用变频谐振试验装置。试验标准根据:GB厂r12706.2 —2002额定电压8.7l【V(U。=12kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件对电缆的相一 地之间加交流电压3.5uo,即30.5kV,时间5分钟,以不发生击穿为试验通过。为取得接 近工频的谐振频率,电缆三相同时耐压。耐压之前进行电缆主绝缘的绝缘电阻测试。试 验结果如表4.3所示。

表4.2某10kv电力电缆的交流变频试验
Tab.4.2 the

conve商仰o∞m鲥on

t∞t of 10kV power cabk

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

4.2现场试验分析
现有的试验方法(如工频电压法、直流耐压法、超低频电压法等)是电缆出厂试验, 电力电缆敷设竣工试验及定期检修的主要手段,用来验证电力电缆是否合格、是否可以 投入运行或继续运行的主要依据,在国内外已经应用多年,积累了大量的经验。但标准 中规定的现有的试验方法却存在着一些弊端。 由上面试验可以看出,现有标准中规定的现场试验对电缆在出厂或施工过程中出现 某种较大程度的绝缘缺陷,是能够有效检测出来的,但值得注意的是,虽然交流耐压试 验有对电力电缆绝缘合格与否的判断能力,却只能正确反映绝缘破坏大于某种程度的电 力电缆绝缘缺陷,像施工中轻微的划伤或电缆绝缘材质不合格等轻度缺陷在电缆出厂试 验或者竣工验收试验时是无法检测出来的,而且现场试验也无法完全反映电力电缆绝缘 状态逐渐变化的过程;本文研究的电力电缆绝缘诊断在线监测技术则能对由于绝缘材 料、材质问题或施工中的微弱划伤等电缆整体或局部故障进行实时监测,很好的解决了 国家标准中所规定的现场试验的缺陷。

沈刚.I:业大学硕士学位论文



xLPE电缆的仿真分析
为了有效的预防及预测电缆击穿故障的发生,找出一种可靠的电缆击穿特征信号与

特征量是电缆在线监测的关键技术,为此,本文通过仿真模拟10kv交联聚乙烯电力电 缆绝缘发生老化直至击穿的整个过程,通过仿真得出了电缆绝缘良好程度与各电气量之
间的关系。

5.1电缆的类型与结构
在国外,20世纪初已经开始使用电缆。我国在建国后特别是在七十年代以后,电缆 的使用量迅猛增长。现在使用的35kV以下电力电缆主要有橡皮绝缘电力电缆、聚氯乙 烯绝缘电力电缆、油浸纸绝缘电力电缆、交联聚乙烯电力电缆;35kv以上电力电缆主要 有高压充油电力电缆、交联聚乙烯电力电缆、sF6气体绝缘电力电缆、超导电缆等。 这里主要介绍一下交联聚乙烯电缆,交联聚乙烯电缆是近三十年发展起来的一种新 型电缆,使用化学交联法,由低密度聚乙烯与有机过氧化物在高温度下起化学反应,使 线型的聚乙烯分子交链成三度空间的网状分子结构的交联聚乙烯。这种绝缘材料具有如 下特点:高的电气性能;击穿强度高,绝缘电阻大,介电常数小,增6小,有高的耐热 性和耐老化性能,允许工作温度高,截流量大,适宜于高落差与垂直敷设,是一种很有 前途的电缆。交联聚乙烯电力电缆的类型主要有两种单芯和三芯电缆,其结构如图5.1 所示

a)单芯交联聚乙烯绝缘电力电缆

b)单芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装电力电缆

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

图5.1交联聚乙烯电力电缆的结构图

Fig.5.1蚰uc咖I pattcm 0f)(】LPE龃bk
5.2交联聚乙烯电力电缆的仿真
为了找出一种有效的判断电缆击穿故障的特征信号和特征量,本论文通过Matl曲 仿真程序对10kV交联聚乙烯电力电缆进行仿真研究,定义绝缘中某一微小圆柱体为故 障发生处(即此处绝缘材料是逐步老化直至击穿的)。当此处绝缘的电阻R,、电容C, 的值逐渐变化时,测出接地线电流,的值,得到不同尺,、c,值时C,一,,R,一,及 At勰6一,对应曲线图,从而得出在实测中有重要参考价值的判据,对判断电缆击穿故 障具有十分重要的意义。本文分别以10kV单相、三相交联聚乙烯电缆为例,仿真研究 了接地线电流与绝缘阻抗及介质损耗之间的关系,提出了有实用价值的结论。

沈阳亡业大学硕士学位论文

5.2.1局部故障处电容、电阻变化规律
水树枝老化是电力电缆故障的主要原因,在老化过程中,故障处电容是逐渐增大的、

电阻是减小的(531【5卅,文献[55]对水树枝老化引起的电阻、电容、变化规律作了实验分析, 得到了如下有关电容、电阻在绝缘老化过程中变化的规律:故障发生处电容呈波动变化, 并逐渐增加;故障发生处电阻在老化过程中逐渐减小。
5.2.2单相交联聚乙烯电力电缆仿真分析 (1)单相电力电缆仿真模型

针对10kV交联聚乙烯单相电缆进行仿真研究,仿真模型如图5.2,基本参数为:运

行电压10/拈kV,工频50Hz,电缆长度30m,分布参数R。一2.79×109

Q/m,

c。一2.85×1040F/m,tan6一O.004,定义绝缘中一截面积为O.785删n2的小圆柱体为故障 发生处,其电阻和电容分别用胄,和c,表示,非故障时的值分别为3.145×104F和
2.53×1025Q;电缆所带的负荷分两种情况:第一种电缆空载:第二种负荷为:户一108七彤,

见一10 7七pz。

1L
图5.2仿真模型 Fig.5.2 simIllati∞删lde

(2)单相电力电缆仿真方法

单相电力电缆的仿真方法是通过逐步改变局部故障处(即定义的小圆柱体绝缘)的 电阻、电容来模拟此处绝缘的逐步老化直至击穿的过程。在老化过程中,电容c,均匀

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿寅计算

增大;电阻R,均匀减小,损耗因素t柚,d逐渐增大,并且在故障处三者关系满足

tan,6。赤’‘柚,6为小圆柱体处的绝缘的介质损耗‘iF切值。当故障处的绝缘逐渐
老化时,R,,C,,t锄,6的变化要使得上式满足

tan,6.——三—一20.004


(4.1)

‘ocfRf

本文的仿真是通过改变尺,,c,的大小来模拟绝缘局部故障,并绘制出接地线电流
,分别与电阻R,、电容C,及电缆整体的损耗因素tan6的曲线图,找出R,,C,、△t姐6

变化的特征。同时,也对各种电压等级时的接地线电流,与电阻R,、电容C,的关系作
了分析。 (3)仿真计算及结果分析

利用上述仿真模型及关系式(1),分别求出月,取不同值时,接地线电流,随c,变 化的曲线图、c,取不同值时,随R,变化曲线图及电压逐步升高时的这两种曲线图。图

中x轴代表lg(c,/c。)或lg恢,/R1),Y轴代表lgp,/,。),其中,c1—3.145×104F,
置=2.53×104Q,,D为非故障时的接地线电流值大小为1.4982×10-2A。c,一,、月,一,、

蚴6(c)一,、A喀6(月)一,、c,一△,及旯,一A,曲线图如图5.3,图5.4,图5.5,图5.6,
图5.7及图5.8所示。其中△t扭6的计算公式为:△t衄6

t(t柚6一o.004)/o.004,

,’。(,。一kl枷.4982。10‘2)。

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(o至一旦

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b)负载时的C,一,变化曲线 b)load C,一,vafiable“f"
curve

a)空载时的C,一,变化曲线 a)∞一10ad C,一,V撕able

(o至一口一

¨ 幢.¨ ¨ 。"“
O 2 ● ● ●

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10

121●

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c)R,相同时,空载(虚线)、负载(实线)时的C,一,变化曲线

c)山e锄e尺,,no.10ad(im咖afyl沁)柚dl∞d(acnlalline)C,一,Variablc曲n吧
图5?3故障电阻胄,取不同值时,接地线电流,与故障处电容C,的关系曲线 F培5.3 di骶埘lt
R,,nle

felati仰curve betw咖grounding cu咖t and正蛐lt∞pacny

3盛一

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

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b(R1,RD

a)空载时R,一,曲线

b)负载时尺,一,曲线

a)∞-load

R,一,∞m

b)load尺,一,㈣

b(R1,RO

c)C,相同时,空载(虚线)和负载(实线)时的月,一,曲线
c)mc

s撇C,,n0.10ad(i脚ginaryline)andload(a咖a11∽R,一,c唧e

图5.4故障处电容C,取不同值时,接地线电流,与故障处电阻R,的关系曲线
Fig.5.4 diefe北ntC,,Ihe

felati册cllfve be细∞n gfo蛐ding aIr他nt卸d f柚n∞pacity



沈阳1:业大学硕士学位论文

lo暑I)口一

一o§一P

△咖眄'
a)空载R,值取不同值时,

△协nd(c)

b)R,值相同时,空载(虚线)与负载

△tan6(c)一,曲线
a)wh髓the

(实线)的△taIl6(c)一,曲线
b)wh锄mc

d谢e姗t

R,,theno-10ad

sa舭R,,thcn汕ad汹aginarylinc)

△t姐6(c)一,伽Ⅳe柚dload伍加aI抽c)△tan6(c)一,叫vc
图5.5当R,取某一值时,C,的变化所引起的△t柚6与,,的关系曲线
Fig?5-5

at也c姗e尺,,山enla虹on删eg蛐嘲tcdbyV蛐g

C,be帆锄△tan6 and,,

(o暑一旦

△tand(R)

a)空载时C,值取不同值时

b)C,值相同时,空载(虚线)与负载

△tan6cR)一,曲线 a)whenthedmml C,,ule胁l∞d

(实线)的△tan6陋)一,曲线
b)wh%the

sam

C,,血cⅡ吣oadmginaryline)

△tan6伍)一,m,e

柚dload(a咖aI Hnc)Atan6伍)一,∞吧

图5?6当C,取某一值时,R,的变化所引起的△t柚6与,,的关系曲线

鸭5?6wh蚰血es黜C,,血c rela蛞椰皿rve ge∞mtcd byVarying R,be眦蚰△tan6姐d,,

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算




10暑一口一

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a)R,不变,电压取不同值时的C,一,曲线

b)C,不变,电压取不同值时的R,一,曲线
b)wh蛐血e

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R,一,c岫ve

图5.7空载情况下,电压取不同值时的接地线电流变化曲线
Fig.5.7砒曲忙ca∞ofn04衄d,the

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蛔(R1,Rf)





a)在同一电压值下,月,取不同值时,
C,一,’曲线 a)砒the

b)在同一电压值下?C,取不同值时, R,一,’曲线

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C,一,‘∞Ⅳe

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电《R1,RO

c)在同一个R,值下,电压不等时的
C,一J‘曲线 c)attlle

d)在同一个C,值下,电压不等时的 R,一,‘曲线

s锄R,,thedi位mt

d)at恤sam

C,,血c

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∞lta萨R,一J‘

图5.8空载时,各种情况下电流增量的变化曲线
Fig.5.8 when

no-l∞d,the cuf圮nt面c把mcm皿rve

从仿真得到的各种关系图中可以看出:

①如图5.3所示,无论是空载还是有负载的情况下,当故障处电阻R,取不同值时, 故障处电容c,与接地线电流,之间的关系存在一定的规律性,即随着c,的增大,接地 线电流,的变化存在明显的过渡过程。在这个过渡过程前,,随c,的增大几乎没有变化;
在这之后,C,的增大引起,的迅速增加。除此之外,随着月,取值的减小?C,一,曲线 逐步上移。

,②如图5.4所示,无论是空载还是有负载的情况下,当故障处电阻C,取不同值时,
随着R,的减小,接地线电流,的变化存在明显的过渡过程,在这个过渡过程前,,随R,

的减小几乎没有变化;在这之后,R,的减小引起,的迅速增加。除此之外,随着C,取
值的增大,R,一,曲线逐步上移。

蛆一

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

③从图5.5、图5.6所示可知,△t锄6(c)一,曲线中随着△f96值的增加,屏蔽线电 流,是逐渐减小的:而At粗6伍)一,曲线中随着△f96值得增加,屏蔽线电流,是逐渐增
大的。

④电力电缆在空载与负载时,电容电流曲线c,一,、电阻电流曲线R,一,、 △f96(c)一,曲线及△f96(c)一,曲线有着明显的不同,即空载时这两种曲线明显高于负
载时的曲线。

⑤由图5.7可以看出,在局部缺陷处的电阻R,和电容c,不变时,电压越高屏蔽
线电流越大,即高压时的屏蔽线电流曲线要较低压时的上移。且各等级电压时的两种屏 蔽线电流曲线C,一,,尺,一,的变化趋势相同。

⑥图5.8所示为空载时屏蔽线电流增量△,与绝缘局部缺陷处的电阻R,及电容c,
的关系曲线,从图中可以看出,无论是电压相等时的c,一,’,Rf一,‘曲线还是电压不

等时的c,一J‘,R,一,’曲线,屏蔽线电流增量都要经历同一个过程;初期,,’一o;中
期,’由零缓慢增加;后期,+迅速增大。 5.2.3三相交联聚乙烯电力电缆仿真分析 (1)仿真模型 针对10kv交联聚乙烯三相电力电缆进行仿真研究,此仿真电力电缆也采用30米长

度,参数与上述单相电缆相同。由于电缆发生单相故障的几率要远远大于发生两相、三 相故障的几率,所以本文只针对单相故障进行仿真。设A相发生局部故障,此局部故障 的绝缘仍用一小圆柱体表示,直径、高度与单芯交联聚乙烯电力电缆仿真时的相同(即

此圆柱体横截面面积为O.785I麻),通过模拟此圆柱体绝缘逐步老化的过程来得出屏蔽
线接地处不平衡电流与故障相绝缘电阻R,、绝缘电容c,及介质损耗正切值(tan6)之 间的关系。仿真时考虑了三相电力电缆空载和负载两种情况,负载时设三相负荷完全相
等均为:P-108七∥,Q‘一107七p×。

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图5.9三相仿真模型
Fig.5.9

thI∞pha∞幽mIlati∞mode

(2)仿真方法 类似于单相电力电缆,三相电缆的局部故障仿真也采用小圆柱体绝缘缺陷,此圆柱 绝缘缺陷的横截面积为0.785唧2,其电阻和电容分别用R r和C,表示,非故障时的值分 别为3.145x104F和2.53×10”Q,介质损耗正切值正常值设为O.004。随着这一小圆柱
体绝缘老化越来越严重,局部故障处的电容逐渐增大,电阻逐渐减小,介质损耗逐渐增

大,并且在故障处三者之间存在咖,6一_=≥_的关系式,t柚,d为小圆柱体处的绝缘 巩,^,
。 。

的介质损耗正切值。当故障处的绝缘逐渐老化时,R,,c,,t姐,6的变化要使得上式
满足

啪,6-——÷20.∞4 砬fRf


(5.2)

通过改变绝缘缺陷处电阻电容的值,得出局部故障逐步发展的过程中,屏蔽线电流 与故障处电容、电阻及tan6的关系。同时,也对各种电压等级时的接地线电流,与电阻
届,、电容C,的关系作了分析。 (3)仿真计算及结果分析

利用上述仿真模型及关系式(1),分别求出R,取不同值时,接地线电流,随c,变

化的曲线图及c,取不同值时,随胄,变化曲线图。图中x轴取为lg(c,/c1 J或lg忸。/R,),

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

Y轴取lg(,,/,0),其中,c。一3.145×10-26F,E,2.53xlo”Q,,o为非故障时的接地线
电流值大小为5.7244xlO“A。三相电力电缆c,一,、R,一,、△t卸6(c)一,及 △t卸6僻)一,曲线图如图5.10,图5.11.图5.12,图5.13,图5.14及图5.15所示。

其中△l柚6的计算公式为:△tallJ一(t柏6一o.004)/o.004,,‘.以一厶一1)/(5.7244xlo“)。

Ig(Cf/c1}

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b)负载时C,一,,曲线 b)thload

a)空载时的C,一,,曲线 a)the
no一1mId

C,一,V耐ablccuⅣc

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c)在相同电阻下空载(虚线)与负载(实线)时的C,一,,曲线

me轴m足,,盼J∞d(iInaginaryline)andload(actIIalli哟C,一,VariaMe伽"

图5?lO三相电力电缆局部故障,R,取不同值时的C,一,,变化曲线

Fig?5?10whenkalfamtoftll佗epowercable,nle

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b)负载时尺,一,变化曲线 b)l∞d

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c)同一C,值下,空载(虚线)与负载(实线)时的尺,一,曲线 c)at血e

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R,一,clll、,e atmcca∞ofd迂艳托ntC,

图5.11三相电力电缆局部故障?C,取不同值时的R,一,变化曲线

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图5.12 C,的变化所引起的Atan6与,的关系曲线

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a)空载时C,值取不同值时? b)C,值相同时,空载(虚线)与负载

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图5.13詹,的变化所引起的Atan6与,的关系曲线

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图5.14空载情况下,电压取不同值时的屏蔽线电流变化曲线 F培5?14
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b)在同一电压值下,C,取不同值时,
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49

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算



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c)在同一个R,值下,电压不等时的 C,一,‘曲线

d)在同一个C,值下,电压不等时的 R,一,‘曲线

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图5.15空载时,各种情况下电流增量的变化曲线
Fig.5.15

wh锄加_lOad,the cumm

i眦埘彻t

curvc

从仿真得到的各种关系图中可以看出:

①如图5.10所示,无论是空载还是有负载的情况下,当故障处电阻曰,取不同值时, 故障处电容c,与接地线电流,之间的关系存在一定的规律性,即随着C,的增大,接地 线电流,的变化存在明显的过渡过程,在这个过渡过程前,,随c,的增大几乎没有变化#
在这之后,C r的增大引起,的迅速增加,除此之外,随着胄r取值的减小,c,一,曲线 逐步上移。

②如图5.11所示,无论是空载还是有负载的情况下,当故障处电阻C,取不同值时。
随着R,的减小,接地线电流,的变化存在明显的过渡过程,在这个过渡过程前,,随矗,

的减小几乎没有变化:在这之后,R,的减小引起,的迅速增加,除此之外,随着C,取 值的减小,R,一,曲线逐步上移。

沈阳j=业大学硕士学位论文

③从图5.12、图5.13所示可知,△t柚6(c)一,曲线中随着A增6值得增加,接地线 电流,是逐渐减小的;而Atan6僻)一,曲线中随着△喀d值得增加,接地线电流,是逐渐
增大的。

④电力电缆在空载与负载时,电容电流曲线c,一,、电阻电流曲线R,一,有着明显
的不同,即空载时这两种曲线明显高于负载时的曲线,而两种A增6一,曲线在空载和负 载时则差异不是很大。

⑤由图5.14可以看出,在局部缺陷处的电阻R,和电容c,不变时,电压越高接地
线电流越大,即高压时的接地线电流曲线要较低压时的上移。且各等级电压时的两种接

地线电流曲线C,一,,尺,一,的变化趋势相同。
, 』

⑥图5.15所示为空载时三相电缆接地线电流增量A,与绝缘局部缺陷处的电阻R, 及电容c r的关系曲线,从图中可以看出,无论是电压相等时的c,一J‘,Rr一,’曲线 还是电压不等时的c,一,’,R,一,’曲线,接地线电流增量都要经历同一个过程:初期, J’.0;中期,’由零缓慢增加:后期,+迅速增大。 5.2.4仿真分析及电力电缆击穿故障特征信号与特征量的确定
(1)从上述仿真结果及分析中,本文得出如下结论:

1)从仿真结果中可以看出绝缘电阻、电容、介质损耗正切及接地线电流都能反映
电缆绝缘的良好程度。 2)无论单相电力电缆还是三相电力电缆,在局部缺陷击穿的过程中,接地线电流 (或接地线电流增量)与绝缘局部故障处的电阻、电容曲线都存在过渡过程,过渡过程 之前电流几乎不变,在这之后电流迅速增加。究其原因是由于电力电缆绝缘都经由电树

枝最终发生击穿,而只有当电缆破坏大于某一程度时,电缆中电场的集中才会引发电树
枝,使绝缘中电流增大。 3)’无论是单相还是三相电力电缆,空载时接地线电流,反映局部故障的灵敏度都 要大于负载时接地线电流的灵敏度。这主要是由于带负载时,负载中感性电流与绝缘中

容性电流综合所致。

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

4)三相电力电缆仿真所得的图形中,指的是接地线的三相不平衡电流,电力电缆 在正常时由于三相电流大小几乎相等、相位互成1200,所以接地线不平衡电流几乎为零,

因而接地线不平衡电流的微弱变化就能够反映出电缆的故障;从这一点上可以看出三相 电力电缆接地线电流,反映局部故障的能力要明显高于单相电力电缆。
从上面分析可以看出检测接地线电流是监测电缆绝缘故障的一种有效方法,随着电 缆局部老化的发展,接地线电流的各种关系曲线都存在着明显的“过渡期”,在过渡期

前电流平稳,在过渡期后电流迅速增加,因此,这个“过渡期”可以看作电力电缆击穿 故障的“预警期”,一旦电力电缆进入“预警期”也就意味着电缆绝缘即将进入迅速老 化期,应及早采取措施抑制电缆老化的进一步。 根据以上分析本文选取接地线电流增量(或接地线不平衡电流增量)作为判断电力 电缆绝缘击穿故障的特征信号,把仿真得到的“过渡期”作为判断电缆击穿的特征量。
(2)判据的确定 由上述分析可知,交联聚乙烯电力电缆在局部老化直至击穿的过程中,接地线电流

的变化是有一定趋势的,为了更好的对击穿故障进行预判,本文在接地线电流的各种关
系曲线及上述分析的基础上,选择接地线电流增量作为判别电力电缆击穿故障的特征信 号,分别对电缆的击穿故障做出如下两个判别值。 1)预警判别值 对于lOkV单相电力电缆绝缘击穿的判断,本文选择接地线电流增量作为电缆绝缘 击穿故障的特征信号,选取相应的“预警判别值”作为电缆进入“过渡期”的判别值,

此值选取为,’,o.5,在这一时刻,通过仿真得出电力电缆局部绝缘已经由老化的“平
稳发展期”发展到“过渡期”,因此,接地线电流增量的这~判定值是判断电缆绝缘好 坏的关键。

对于10kV三相电力电缆绝缘击穿的判断,本文选择接地线不平衡电流作为判断电
缆绝缘是否击穿的特征信号,对于“预警判别值”的选择,考虑到10kv三相电力电缆

正常运行时接地线电流非常小而且综合考虑测量装置的限制,本文确定当接地线不平衡 电流的增量,’,5x107,电力电缆绝缘老化进入“过渡期”。
2)击穿判据的确定

沈Rl L:业大学硕士学位论文

电力电缆绝缘击穿的发展过程,一般是老化一弧光接地一金属性接地,在这‘。过程
中,接地线电流是迅速增大的,也就是上述的“危险期”,因此要抑制电缆绝缘击穿就

要在电缆绝缘处于“危险期”的早期就抑制绝缘老化的进一步发展。 对于lOkV单相电力电缆由仿真图及分析可知,随着绝缘的老化,接地线电流增量 的迅速增大标志着电缆绝缘进入“危险期”,所以击穿判据应确定在电缆“危险期”早
期的接地线电流增量刚开始迅速增加的时候,因此,本文选取,’).15作为电力电缆绝缘 击穿的判据 对于IOkV三相电力电缆由相应的仿真分析可知,同lOkV单相电力电缆相同,接地 线不平衡电流增量的迅速增加也标志着电缆绝缘进入“危险期”,所以选取电力电缆击

穿判据也同样是在接地线不平衡电流增量迅速增加的开始阶段,本文选择J+,2xl辩1作
为10kV电力电缆绝缘击穿的判据。 3)小结 通过上面分析,本文对10kV单相电力电缆及10kv三相电力电缆绝缘击穿的判别采

用接地线电流(或者接地线不平衡电流)作为特征信号,得出如下判别值 ①预警判别值
单相:,‘,O.5 三相:J’,5x107

②击穿判别值
单相:,‘,15

三相:J’>2×1011

5.3结论
通过Matlab仿真软件,本章对10kV交联聚乙烯电力电缆的老化直至击穿的过程进
行了仿真,通过定义电缆绝缘中的局部故障处(本章定义一小圆柱体绝缘)的逐步老化

直至击穿的过程,分别对单相、三相电缆的接电线电流(或接地线不平衡电流)与绝缘 电容、绝缘电阻及介质损耗正切值的关系作了分析,并得到了关系曲线图。并通过分析
最终确定接地线电流(或接地线不平衡电流)的增量作为判断10kv交联聚乙烯电力电

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

缆击穿故障的特征信号,其特征量确定为:
三相:,’>5×107:

(1)预警判别值选择为,单相:,’,o.5:

(2)击穿判别值选择为,单相:,’,15,三相:,’>2×10“。

沈阳【业大学硕士学位论文

6结论
电力电缆是电力系统中的重要组成部分,也就是说电力电缆的安全稳定运行,是国 民生产的基本保证。本课题“电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算”对电力电 缆在实际运行中易出现的故障进行了统计分析,阐述了电缆发生故障的机理,最重要的 是通过仿真分析提出了一种简单有效的电缆绝缘诊断方法,取得了令人满意和有实用价 值的结果。本文的主要成果有以下几点: (1)通过大量的统计分析,本文得到了电缆在运行中易出现的故障类型及原因, 电力电缆故障的发生主要是由于电缆的过负荷运行、外力损伤、不规范的安装施工及电 缆本体的质量问题引起的,发生部位主要集中在电缆接头、外护套和电缆绝缘上。并通 过局部放电、水树枝、电化树枝及电树枝等形式使电缆绝缘逐步老化,最终发生击穿故
障。

(2)通过对电力电缆交流耐压试验的分析研究,得出现有标准中的试验能够有限 的对电力电缆绝缘缺陷进行诊断,而不能对绝缘轻度缺陷及绝缘状态逐步变化的过程做 出正确的反映的结论,所以就需要绝缘在线监测技术实时监控电力电缆的绝缘状态。 (3)通过分析,建立了交联聚乙烯电力电缆仿真模型,并针对电缆局部故障,得 到了仿真电力电缆局部故障的方法。 (4)通过仿真分析,本文得到了交联聚乙烯电力电缆局部缺陷由老化直至击穿过 程中,接地线电流(或接地线不平衡电流)与绝缘电阻、电容及介质损失角正切之间的 关系曲线,有利于电缆绝缘状态的判断。 (5)本文在仿真分析的基础上,提出了接地线电流增量(或接地线不平衡电流增 量)作为电力电缆发生击穿故障的判据,为交联聚乙烯电力电缆绝缘诊断提供了一种实 用有效的方法。 电力电缆绝缘诊断能对电缆绝缘缺陷做到及早发现及早预防,是提高供电可靠性的 有效手段。本文的研究结果为电力电缆绝缘诊断提供了一种有效的判断依据,与其他电 缆绝缘诊断试验相比具有很大的优越性。但仍存在一些问题,有待进一步研究。需要进 一步研究的工作有:

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

(1)对仿真所得结论进行模拟试验,验证本文仿真结论是否符合电力电缆运行中 的实际情况。 (2)对仿真结论是否适用于电力电缆的在线监测进行研究,找到合适的切入点, 建立以本文所提出的接地线电流法为基础的在线监测技术。

(3)监测的硬件研究。针对所提出的方法,研制一种可靠的测量系统。

沈阳l:业大学硕士学位论文

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59—

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算

在学研究成果
贾延峰,苑舜,宋云东等.基于小波变换的暂念选线方法.中国国际供电会议.2006:26~
32.

60

沈阳工业大学硕十学位论文





本论文是在我的导师苑舜教授的悉心指导下完成的,在此对导师表示衷心的感谢和 敬意。在整个研究生阶段,从工作到生活,苑老师都给予我无微不至的关怀。他引导我 打开科学研究的大门。在课题方面,苑老师除了给我提出方案外,也留给我主动解决问 题的空间,使我在这个过程中很好地锻炼了自主分析和解决问题的能力。我的每一点进 步都离不开他,从治学到为人,他那敏锐的科学眼光、严谨的治学态度、谦和平等的待 人处事方式,都使我受益匪浅,同时也必将影响我一生。 在这里我还要特别感谢蔡志远教授,在我,李彦平、赵春芳读研期间,蔡老师无论 在生活还是课题研究上都给予我们很大的帮助,在此向蔡老师表示衷心的谢意。 同时还要感谢宋云东、于力、李海波及我实验室的其他同学们在我学习期间对我学 习上的帮助和生活上的关心,没有大家的帮助,我将无法顺利地完成论文的写作,在此 致以衷心的感谢。 最后,要感谢我的父母是他们给我的关爱支持着我,鼓励着我,使我能够不断前进, 并得以顺利的完成学业。

电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算
作者: 学位授予单位: 被引用次数: 贾延峰 沈阳工业大学 1次

本文读者也读过(7条) 1. 廖远忠 电力电缆故障探测技术的应用研究[学位论文]2006 2. 董建民 电力电缆故障检测及诊断系统的研究[学位论文]2006 3. 邢海文 电力电缆故障诊断技术的研究[学位论文]2005 4. 任艳霞 电力电缆故障诊断与监测[学位论文]2007 5. 杨师伯.聂一雄.文波.莫宝律.YANG Shi-bo.NIE Yi-xiong.WEN Bo.MO Bao-lü XLPE电缆绝缘仿真判据探讨[期刊 论文]-广东电力2010,23(1) 6. 汪梅 基于小波和神经网络的电缆故障诊断方法研究[学位论文]2006 7. 张志斌 故障电缆波形的时域分析及仿真研究[学位论文]2008

引证文献(1条) 1.袁贵军 电力系统运行中电缆故障诊断方法及仿真计算[期刊论文]-北京电力高等专科学校学报:自然科学版 2012(2)

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