XLPE 电缆绝缘在线监测交流叠加法的理论研究

精品论文XLPE 电缆绝缘在线监测交流叠加法的理论研究王俊士，侯坤，李国欣 中国矿业大学文昌校区信息与电气工程学院，江苏徐州（221008） E-mail：cumtwjs摘要：XLPE 电力电缆绝缘损坏主要有水树枝劣化引起，对其进行绝缘监测是非常必要的。 交流电压叠加法是目前比较好的一种监测方法。本文基于交流叠加法理论分析了 101Hz 信 号劣化机理，并建立等效模型进行了仿真分析。关键词：XLPE 电力电缆；在线监测；交流叠加法1. 引言XLPE 电力电缆由于其自身的一系列优点，在高压电网中得到了越来越广泛的应用。特 别在城市中，由于电网结构的调整和城市规划的要求，电缆线路不断增加1。由 XLPE 材料 树枝状老化造成的电缆绝缘击穿事故与日俱增，电力电缆的绝缘状况越来越受到供电运行部 门的重视。水树枝老化是 XLPE 电缆绝缘老化并导致电缆击穿事故的最主要原因之一，它使泄漏电 流 IL 增加，测量 IL 信号可判断电缆绝缘性能状况。目前，国内外研究的直流成分法、直流 叠加法及低频叠加法等检测方法因 IL 极小( nAA 级)又受现场强工频电磁场、杂散电流、 屏蔽层接地化学电势等干扰因素影响而未能得到广泛应用。交流叠加法2是在电缆主绝缘上叠加 101Hz 信号，测量 1 Hz 的劣化电流信号来判断电 缆绝缘性能，也称“偶数倍工频+ 1 Hz 法”。其抗干扰能力好、高灵敏,有测量方便和在线或 带电测量的优势，可为测量 1 Hz 独特信号而针对性设计仪器，应用前景较好。2. 交流叠加法的理论分析交流叠加法的接线原理图如图 1 所示。该方法可以用在不同电压等级的电缆线上，根据 电力电网的实际接线方式，在电网 PT 二次测开口三角端注入交流电压信号，信号由二次侧 感应到一次侧。通过母线加载到电缆的 XLPE 绝缘上，再由电缆引出线串接取样电路后接地， 构成测量回路。测量回路中的交流损失电流来判断电缆绝缘性能的状况。设系统工作的工频电压为 u(t)，在此电压下因树枝劣化产生的交流损耗电流为 i(t)，则 瞬时的交流电导纳 G(t)为：G (t ) = di(t)du(t)(1)式中的 U0 为系统电压的幅值。u(t) = U0 sin wt (2)110kV母线- 5 -110/200kV母线交流电压 PT叠加系统被测电缆测量滤波取样 系统电路电路图 1 交流叠加法的测量接线原理图电缆因水树枝劣化形成的 i(t)-u(t)曲线可表示为一个原点对称波形3，如果不关于原点对 称，说明其中有直流分量。水树枝的非线性特征可近似表示为4：I = 1 (U + kU 3 )R(3)G(t)随时间的变化，在 U(t)的正半波和负半波应当是一致的，那么 G(t)的变化周期应该 是工频的一半，即 G(t)为角频率 2w 的周期函数，可用傅立叶级数展开为：G(t ) = G0 +G1 cos(2wnt) + G2 sin ( 2wnt ) nnn=1(4)= G0 + Gn sin ( 2wnt ) +nn=1G = (G1 )2 + (G 2 )2(5)n n n = tan 1 (G1G 2 )(6)n n n其中谐波次数 n=1、2、3；G0 为傅立叶级数展开的常数项；G1n 、G2n 分别为傅立叶 级数中余弦、正弦的系数。G2nsin(2wnt)为 i(t)滞后时出现的一项，如果 i(t)不滞后，则 G(t) 为偶函数，即 G2n=0，n=/2。因此，G2n 就是直接反映交流损耗电流磁滞回线特性的因数。设系统的交流叠加电压 us(t)为：us (t ) = U s 0 sin ( mw +w) t + (7)其中，w 为差分频率， 为初始相位。交流叠加电压 us(t)施加于含有水树枝的绝缘劣 化电缆上时所产生的导纳与式(1)瞬时交流电导纳 G(t)叠加形成系统导纳 G(t)。由于 u(t) us(t)，可以认为 G(t)实际上只受 u(t)的支配，即 G(t)约等于 G(t)，则有交流 损失电流：ic0 (t) = G(t) u(t)+us (t ) G(t)u(t) + G(t)us (t )= i(t) + is (t)其中，is(t)为叠加电源 us(t)引起的交流损失电流。由前面的推理可得交流损失电流 is(t)为：(8)is (t ) = G (t ) us (t )= G0U s 0 sin ( mw +w) t + +1 cos ( 2n m ) w w) t + (n ) (9)GU 2 n s 0 ( )( )n 1 cos2n + m w +w t + n + = G0U s 0 sin ( mw +w) t + +1 cos ( 2 m ) w w) t + (1 ) GU +(1 s 0 2 cos ( 2 + m ) w +w) t + (1 + ) 1 cos ( 4 m ) w w) t + (2 ) GU +(2 s 0 2 cos ( 4 + m ) w +w) t + (2 + ) 其中 1、2、为对应项的相位差。根据以上推理过程和式(9)可以得到以下结论：1) 当 us(t)的频率倍数 m 取任意偶数时，is(t)多项式(9)中总会出现 w 的前面系数为零的 项，即此项中只剩下w 频率成分的部分，可用来作为检测信号。如 us(t)频率为 101Hz 即 m 取 2 时，is(t)中对我们有用的信号部分为：it = 1 G Ucos(wt + ( )(10)当 m 取 4 时，s 2 ( ) 21 s 0 1it = 1 G Ucos(wt + ( )(11)s 4 ( ) 22 s 0 22) 当 m 选择任意奇数时，is(t)多项式中含 w 项的前面系数都不为零，即均不会出现只含有w 频率成分的项，故检测不到w 频率成分的交流损失电流。3) 由谐波分析原理，谐波次数 n 越高，n 次谐波系数 Gn 越小，故 m 取最小偶数 2 时，w 频率成分的 is(t)最明显。对任意偶数 m=2、4、6、则有：1i (t ) =G U 0 cos(wt + ( ) (12)sm2m sm2 2可见偶数倍工频f 所测 is(t)只与w 频率成分及电压幅值有关，与其它频率成分无关。由以上分析可知，is(t)的大小从根本上来说是由交流电导 G(t)的谐波系数 Gn 决定的。当测试信号为 101Hz 的交流电压时，所测电流 i2(t)的大小由系数 G1 决定。这也符合了电路的 基本性质。而交流电导 G(t)的谐波系数 Gn 的大小取决于电缆主绝缘的水树枝劣化程度。因 此，电缆主绝缘的水树枝劣化严重时 is(t)大，而劣化较弱时 is(t)小。电缆主绝缘性能好坏的 判据须依据大量试验数据，理论计算难以定量。主绝缘较好的电缆的劣化信号约 10nA，若 劣化信号大于 100nA，其绝缘性能就开始下降，电缆的水树枝蔓延较长。交流叠加法就是基于上述分析，在 XLPE 电缆的主绝缘上叠加一个约 101Hz（n=2 时， 低频 1Hz 电流分量最大，易于检测）的低压交流信号，检测因水树枝的非线性所产生的劣 化特征电流信号，并根据劣化特征电流信号的大小判断电缆绝缘的老化状况。3. 基于交流叠加法的电缆绝缘在线监测系统XLPE 绝缘电缆的泄漏电流中有直流成分，已经有广泛的理论基础和应用实例。本文在 XLPE 电缆有“整流效应”和“极性效应”的基础上建立模型，用二极管来表达水树枝电缆绝缘 中劣化特征的非线性。根据 XLPE 电缆的阻抗特性，用电阻、电容作为物理模型。含水树枝 的 XLPE 老化电缆模型如图 2 所示。精品论文R1 C1信 R2 C2号源R3 C3取样电阻图 电缆绝缘的等效电路模型图2 含水树枝的等效XLPE老化电缆模型43210-1-22 2.5 3 3.5 4 4.5图 3 仿真模型得到的电流响应根据 Takao Kumazawa 等人的研究成果，当有交流电压(2 倍工频+1Hz)叠加在含有水树枝老化的电缆的外护套上时，有 1Hz 的低频劣化特征信号产生。利用上述规律，在含水树 枝 XLPE 电缆绝缘的等效电路模型上加载 10kV 的强工频电压和 101Hz 的 50V 绝缘电压。 根据电缆的阻容值,电容选取值为 1F,电阻选取值为 100M，采用功能强大的电路的 Matlab 软件进行仿真,得到的采样电阻上的电流响应波形如图 3 所示。电阻的大小会影响到直流成分的大小，但不会改变电路的频率特性。由于绝缘中的电阻 阻值很大，1Hz 的差频响应信号强弱主要取决于电容的变化。在保证电缆绝缘总电阻和电容 基本不变的情况下，增加水树枝的长度，也就是加大了二极管两端间的电容在总电容中的比 例。因为电容之间为串联关系，所以电容所占比例越大，其电容量越小。当“水树枝”的长度 增加时，即二极管两端间的电容量减小，1Hz 的电流响应信号加强。根据这种规律，可以通 过检测电流响应信号的大小，可以判断水树枝的发展的快慢，以及绝缘老化的程度。4. 结束语XLPE 电力电缆绝缘在线监测的方法还不很成熟，尤其是在绝缘劣化程度的判据方面， 还需要做大量的研究工作。从目前来看，交流叠加法是一种较好的方法，其所要检测的 1Hz 交流损失电流信号灵敏度高、抗干扰能力强。用交流叠加法设计的检测仪器判断 XLPE 电力 电缆绝缘性能状况方便有效。参考文献1应吕 亮 , 魏东 , 高小庆等 . 我 国高压及 超高 压交联 乙烯 绝缘电 力电 缆的应 用与 发展 . 电线 电 缆,2001,3:3-82TaKao Kumazawa.A new hot-line diagnostic method for XLPE power cables-AC superposition methodC.Proceedings of the 5th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials.19973 Yasuyuki Ikeda,Takahisa Imajo.Diagnosis Method and judgement Criteria for Water Tree Deterioration of6.6kVXLPECables.In:SecondSino-JapaneseConferenceonElectricInsulation Diagnosis.Tokyo,1992,90-934 Yukihiro Yagi.Study on diagnostic method for water treed XLPE cable by loss current measurement。Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 1998Research on AC Superposition Method of On-lineMonitoring of XLPE Cable InsulationWang Junshi, Hou Kun, Li GuoxinThe School of Information and Electrical Engineering of CUMT, XuZhou (221008)AbstractAs the damage of XLPE power cable insulation is usually caused by water tree deterioration, it is veryimportant to make on-line diagnosis on it. Bases on the theoretic analysis of AC superposition method, this paper analyzes the detecting principle of 101Hz signal and established the equivalent model to carry on the simulation analysis.Keywords:XLPE power cable; on-line monitoring; AC superposition method