电力电缆的试验与状态分析.ppt

电力电缆的试验与状态分析,丹江口水力发电厂,第一节 电力电缆的绝缘试验,电力电缆主要由导电线芯、绝缘层和护套组成，规程将电力电缆分成以下三类，即纸绝缘电力电缆、橡塑绝缘电力电缆（聚氯乙烯绝缘电力电缆、交联聚乙烯绝缘电力电缆、乙丙橡皮绝缘电力电缆）、电容式充油电缆，它们的预防性试验见表10-1。 表10-1 电力电缆预防性试验项目,注 “”表示正常试验项目，“”表示不进行该项目试验，“”表示大修后进行，“”表示必要时进行。,一、绝缘电阻测量 测量电力电缆的主绝缘电阻可以检查电缆绝缘是否老化、受潮，以及 耐压试验中暴露出来的绝缘缺陷。 对1000V以下的电缆测量时用1000V兆欧表，对1000V及以上的电缆用 2500V兆欧表，对6kV及以上电缆用5000V兆欧表。 橡塑绝缘电力电缆的绝缘电阻很低时，应用万用表正、反接线分别测 屏蔽层对铠装、铠装层对地的直流电阻，以检查它们是否受潮。当绝缘确 实受潮时，应安排检修。 当电缆埋于地下后，测量钢铠甲对地的绝缘电阻，可检查出外护套有 无损伤；同理，测量铜屏蔽层对钢铠甲间的绝缘电阻也可以检查出内护套 有无损伤。通过这两项测量可以判断绝缘是否已经受潮。当电缆敷设在电 缆沟、隧道支架上时，其外护套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。 电缆终端或套管表面脏污、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10-1。,图 10-1 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。 测量中若采用手动兆欧表，则转速不得低于额定转速的80%，且当兆欧表达到额定转速后才能接到被试设备上并记录时间，读取15s和60s的绝缘电阻值。兆欧表停止摇动时，更应进行充分放电，放电时间最少不少于2min。,二、直流耐压和泄漏电流试验 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400600kV/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510min。一般电缆缺陷在直流耐压试验持续的5min内都能暴露出来，GB5015091规定了最长的持续试验时间为15min。纸绝缘电力电缆、橡塑绝缘电力电缆和充油电缆的直流耐压和泄漏电流试验电压标准见表10-2。,表10-2 电力电缆直流耐压和泄漏电流试验电压（kV）,上列各表中的U为电缆额定线电压；U0为电缆线芯对地或对金属屏蔽层间的额定电压。,2、泄漏电流测量技术 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10-2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。,图 10-2 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。 一般 现场采用两端同时测量的方法，其接线如图10-3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、表面泄漏电流和杂散电流三 部分，而另一端测量的是表面泄漏电流和杂散电流两部分，从而电缆的泄 漏电流为两者的差。,图10-3 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。,三、其它试验方法(基于电力电缆的吸收过程,研究电缆的劣化、老化) 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. 1、残余电压法测量（电缆劣化越严重残余电压越高） 原理如图10-4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。,图10-4 残余电压法测量原理,2、反向吸收电流法（吸收电荷与电缆交流击穿电压U 相关，以此监测某电缆整体劣化） 反向吸收电流法测量原理如图10-5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；3 min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10-5 反向吸收电流法测量原理 图10-6给出了运行中因老化而退下的6.6kV XLPE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10-6 吸收电荷、绝缘电阻、tan和交流击穿电压相关性,电位衰减法（电缆绝缘品质下降，则放电电压下降速度很快） 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10-7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10-8所示的曲线。(在不使用的情况下，逐渐失去电量的现象叫自放电 ),图10-7 自放电法测量原理,图10-8 自放电电压的下降曲线,第二节 电力电缆的运行状态分析,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，它们各有优缺点，表10-3给出了现在较常见的试验方法的 对比。 表10-3 常见电缆老化检测方法比较,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(XLPE)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。 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10-9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10-9 直流分量在线监测回路,电树枝: 主要是由于绝缘内部放电产生的细微开裂，形成细小的通道，其通道内空，管壁上有放电产生的碳粒痕迹。分枝少而清晰，呈冬天的树枝状。,水树枝: 主要是由于水分浸入交联聚乙烯绝缘，在电场作用下形成树枝状物.诱发水树枝的外施电压比诱发电树枝的电压低得多 .,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10-10、图10-11。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10-10 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，这些干扰主要平自被测电缆的屏蔽层与大地之间的杂散电流，因杂散电流及真实的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。,图10-11 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10-12所示。,图10-12 直流叠加法测量原理图,三、电缆绝缘tan（PT加压，检测电缆外壳接地线上的电流 ） 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10-13所示。,图10-13 多路巡回检测tan测量原理,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10-14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，其间的关系如图10-15的实例所示，同样具有一定的分散性。,图10-14 水树枝长度与电缆tan的关系,图10-15 电缆tan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tan测量值的关系，如图10-16及图10-17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，则相关性增强，说明测得的tan值取决于整体损耗的变化。,图10-16 树枝数对tan影响图,10-17 最大树枝长度与tan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1001000pC。 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。 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tan=1/CR，频率下降，等值tan增大，也易于现场测量。 表10-4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10-4 电缆绝缘在线检测方法的比较,图10-18给出了直流分量法、直流叠加法、在线tan法三种方法组成的综合在线检测仪的测量原理。,图10-18 直流叠加法、直流分量法和tan测量的联合装置,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。 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，制造、敷设良好的电缆，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10-5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。,表10-5 交联聚乙烯电缆绝缘老化原因及表现形态,像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。 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。,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10-6给出了日本目前通用的直流叠加法绝缘电阻的判断标准。 表10-6 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10-7所示。 表10-7 在线检测tan的参考标准,第三节 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，这类故障称开路故障。若电缆相间或相对地的绝缘受损，其绝缘电阻减小到一定程度的故障称为低阻故障。相对于低阻故障，若电缆相间或相对地的故障电阻较大，则称为高阻故障，它包括泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障。泄漏性高阻故障是指随试验电压的升高而泄漏电流逐渐增大，且大大超过规定的泄漏值的故障。闪络性高阻故障是指绝缘电阻值很大，当试验电压升高到一定值时，泄漏电流突然增大的故障。 在进行电缆故障探测时，先需要进行电缆故障性质判断，通常是将电缆脱离供电系统，并按下列步骤测量： （1）用兆欧表测量每相对地绝缘电阻，如绝缘电阻指示为零，可用万用表或双臂电桥进行测量，以判断是高阻还是低阻接地； （2）测量两相之间的绝缘电阻，以判断是否是相间故障； （3）将另一端三相短路，测量其线芯直流电阻，以判断是否有开路故。,1、电缆故障探测技术 早期的电缆故障探测方法有电桥法、脉冲法、驻波法等，这些方法 只能用于测量低阻故障。后来发展了一些专用的自动、半自动化的电缆故 障探测仪，采用的方法主要为低压脉冲法和高压闪络法。 低压脉冲法可测量电缆中出现的开路故障、相间或相对地低阻故障 ；高压闪络法可用于探测高阻故障。 低压脉冲法测量原理是依据均匀传输线中波传输与反射的原理。将 被测电缆看作是一均匀传输线，它每一点的特性阻抗是相等的，当从电缆 一端发射一低压脉冲波时，由于故障点的阻抗发生了变化，电磁波传播到 该点处就发生折反射现象，反射电压Ue与入射电压Ui满足关系式 其中：Zc为电缆的特性阻抗，Z为电缆故障点的等效波阻抗。对于 低电阻故障，若故障点对地电阻为R，则该点的等效波阻抗Z=R/Zc；对于 开路故障，若故障电阻为R，则该点的等效阻抗Z=R+Zc。,（102）,2、电缆故障精确定位技术 由于电缆线路不可能完全直线敷设，用电缆故障探测仪仅能对电缆故障的大致位置进行判断，而不能确切给出电缆敷设后的准确故障点，所以电缆故障精确定位十分重要。 传统的电缆故障定点方法是听声法。这种方法的特点是简单易行，特别是放电声较大的时候，还是比较理想的。然而，当故障点的直流电阻较小时，放电声不太大，这时难以奏效。现在较普遍使用的定点仪是将微弱的机械振动波首先转换成电信号，由放大电路将这一电信号进行足够的放大后，再通过耳机还原成声音，然后通过人机的有机配合，准确地确定故障点的位置。 不同性质的电缆故障，在定点技术上略有差异： （1）对于高阻故障的定点，由于故障的阻抗较高，探测时施加的冲击电压较高，故障点才会发生闪络放电，故放电声和由此而产生的冲击振动波一般说来都比较大，较便于收听、分析和辨别。 （2）对于低阻故障的定点，由于这类故障电阻小，因此故障点的放电间隙也小，致使施加的冲击高压在不很高的情况下，故障点便发生闪络放电。这时因闪络放电而产生的冲击振动波也小，再加上现场其他因素的干扰，放电声往往不易分辨甚至听不到放电声。这时可控制冲击电压的高低，并通过加大贮能电容器的电容量，增强放电强度，从而获得较强、较大的放电声，便于收听、分析和判断故障点的精确位置。,（3）对于开路故障的定点，是在故障相的一端加冲击高压，而故障相的另一端用另外两相和电缆铅包连接后充分接地，然后利用定点仪在粗测范围内进行定点。因开路故障类似于高阻故障，其定点方法与高阻故障的定点方法相同。 如果故障点就在测试端附近，这时故障点的放电声会被球隙的放电声所淹没，因而不易被测听到。当遇到这种情况时，可以将球间隙放到远离测试端的另一端，并通过已知的正常相对故障相加电压，从而达到故障相闪络放电的目的。这时因串入回路的球间隙远离测试端，因此故障点的放电声就比较容易监听到。,34,谢 谢！,