高壓電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)分析

目前預(yù)防性試驗(yàn)中規(guī)定的電纜試驗(yàn)項(xiàng)目不多，主要是絕緣電阻測(cè)量和直流耐壓試驗(yàn)，在實(shí)際檢測(cè)中，根據(jù)需要又開(kāi)發(fā)出多種判定或鑒別電纜性能的試驗(yàn)方法，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。

常見(jiàn)電纜老化檢測(cè)方法比較

       上述這些方法可以從不同側(cè)面研究電纜老化情況，具有一定的效果，但對(duì)于交聯(lián)聚乙烯電纜普遍認(rèn)為不適合進(jìn)行高壓直流試驗(yàn)，所以針對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜發(fā)展了多種在線檢測(cè)方法。
       一、直流分量法
       由于交聯(lián)聚乙烯電纜中存在著樹(shù)枝化（水樹(shù)枝、電樹(shù)枝）絕緣缺陷，它們?cè)诮涣髡?、?fù)半周表現(xiàn)出不同的電荷注入和中和特性，導(dǎo)致在長(zhǎng)時(shí)間交流工作電壓的反復(fù)作用下，水樹(shù)枝的前端積聚了大量的負(fù)電荷，樹(shù)枝前端所積聚的負(fù)電荷逐漸向?qū)Ψ狡?，這種現(xiàn)象稱為整流效應(yīng)。由于“整流效應(yīng)”的作用，流過(guò)電纜接地線的交流電流便含有微弱的直流成分，檢測(cè)出這種直流成分即可進(jìn)行劣化診斷。用圖1-1所示的測(cè)量回路可在交聯(lián)聚乙烯電纜系統(tǒng)中，檢測(cè)到電纜線芯與屏蔽層的電流中極小的直流分量。

圖1-1 直流分量在線監(jiān)測(cè)回路

       研究表明，水樹(shù)枝發(fā)展得愈長(zhǎng)，直流分量也就愈大，而且XLPE電纜的直流分量電流Idc與其直流泄漏電流及交流擊穿電壓間往往具有較好的相關(guān)性，如圖1-2、圖1-3。在線檢測(cè)出Idc增大時(shí)，常常說(shuō)明水樹(shù)枝的發(fā)展、泄漏電流的增大，這樣的絕緣劣化過(guò)程會(huì)導(dǎo)致交流擊穿電壓的下降。

圖1-2 泄漏電流與直流分量的相關(guān)性

圖1-3 交流擊穿電壓與直流分量的相關(guān)性

       直流分量法測(cè)得的電流極微弱，有時(shí)也不大穩(wěn)定，微小的干擾電流就會(huì)引起很大誤差。研究表明，這些干擾主要來(lái)自被測(cè)電纜的屏蔽層與大地之間的雜散電流，因雜散電流及真實(shí)的由水樹(shù)枝引起的電流，均經(jīng)過(guò)直流分量裝置，以致造成很大誤差?？梢钥紤]采取旁路雜散電流或在雜散電流回路中串入電容將其阻斷等方法。
       二、直流疊加法
       直流疊加法的基本原理是：在接地的電壓互感器的中性點(diǎn)處加進(jìn)低壓直流電源（通常為50V），使該直流電壓與施加在電纜絕緣上的交流電壓疊加，從而測(cè)量通過(guò)電纜絕緣層的微弱的納安級(jí)直流電流或其絕緣電阻，其測(cè)量原理如圖1-4所示。
       由于直流疊加法是在交流高壓上再疊以低值的直流電壓，這樣在帶電情況下測(cè)得的絕緣電阻與停電后加直流高壓時(shí)的測(cè)試結(jié)果很相近。但絕緣電阻與電纜絕緣剩余壽命的相關(guān)性并不很好，分散性相當(dāng)大。絕緣電阻與許多因素有關(guān)，即使同一根電纜，也難以僅靠測(cè)量其絕緣電阻值來(lái)預(yù)測(cè)其壽命。
       對(duì)于中性點(diǎn)固定接地的三相系統(tǒng)，也可在三相電抗器中性點(diǎn)上加進(jìn)低壓直流電源而仍用直流疊加法在線檢測(cè)電纜絕緣性能。

圖1-4 直流疊加法測(cè)量原理圖

       三、電纜絕緣tanδ
       對(duì)電纜絕緣層tanδ值的在線檢測(cè)方法，與電容型試品的在線檢測(cè)tanδ方法很相似。對(duì)多路電纜進(jìn)行tanδ巡回檢測(cè)時(shí)，仍常由電壓互感器處獲取電源電壓的相位來(lái)進(jìn)行比較，其原理框圖如圖1-5所示。

圖1-5 多路巡回檢測(cè)tanδ測(cè)量原理

       通常認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)集中性的缺陷采用直流分量法較好，因?yàn)閠anδ值往往反映的是普遍性的缺陷，個(gè)別的較集中的缺陷不會(huì)引起整根長(zhǎng)電纜所測(cè)到的tanδ值的顯著變化。由圖1-6可見(jiàn)，電纜絕緣中水樹(shù)枝的增長(zhǎng)會(huì)引起tanδ值的增大，但分散性較大。同樣，在線測(cè)出tanδ值的上升可反映絕緣受潮、劣化等缺陷，交流擊穿電壓會(huì)降低，其間的關(guān)系如圖1-7的實(shí)例所示，同樣具有一定的分散性。

圖1-6 水樹(shù)枝長(zhǎng)度與電纜tanδ的關(guān)系

圖1-7 電纜tanδ與長(zhǎng)時(shí)擊穿電壓的關(guān)系

       在對(duì)已運(yùn)行過(guò)的XLPE電纜進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，得出水樹(shù)枝發(fā)生的個(gè)數(shù)以及zui長(zhǎng)的水樹(shù)枝長(zhǎng)度與電纜tan 測(cè)量值的關(guān)系，如圖1-8及圖1-9所示，它們的趨勢(shì)是明確的，但分散性很大。如將zui長(zhǎng)的水樹(shù)枝長(zhǎng)度與每單位長(zhǎng)度電纜中的樹(shù)枝數(shù)的乘積作為橫坐標(biāo)，則與測(cè)得的tanδ(縱坐標(biāo))之間具有更好的相關(guān)性，說(shuō)明測(cè)得的tanδ值取決于整體損耗的變化。

          圖1-8 樹(shù)枝數(shù)對(duì)tanδ影響圖                圖1-9 zui大樹(shù)枝長(zhǎng)度與tanδ的關(guān)系

       四、其他在線檢測(cè)方法
       對(duì)于發(fā)現(xiàn)局部缺陷，局部放電檢測(cè)是很有價(jià)值的。常見(jiàn)的電纜局部放電方法有局部放電檢測(cè)儀、接地線脈沖電流法、電磁耦合法、超聲波法等，可以對(duì)電纜及其附件進(jìn)行檢測(cè)，但由于電纜長(zhǎng)、電容量大，對(duì)其進(jìn)行在線檢測(cè)時(shí)外界干擾的影響十分嚴(yán)重，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)有效分辨率一般為100～1000pC。
       由于交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣電阻很小，在線檢測(cè)tanδ易受影響，而tanδ、擊穿電壓和電容增量之間有較好的相關(guān)性，因此建議改為在線檢測(cè)流過(guò)接地線的電容電流增量的方法。該方法簡(jiǎn)便易行，只要在接地線上套以電流傳感器即可實(shí)現(xiàn)，但這時(shí)另一端電纜終端接地線在測(cè)量時(shí)需要臨時(shí)斷開(kāi)。
       考慮到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)容性電流的影響，日本提出了在電纜線路上疊加20V、7.5Hz的低頻電壓的方法。由于容性電流隨頻率降低而減少，而阻性電流則無(wú)明顯變化，所以易從總電流中將阻性電流區(qū)分出來(lái)。同時(shí)由于tanδ=1/?CR，頻率下降，等值tanδ增大，也易于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
       表1-1給出了幾種電纜絕緣在線檢測(cè)方法的比較。通過(guò)對(duì)幾種檢測(cè)方法的比較，可以選擇比較有效的方法。

表1-1 電纜絕緣在線檢測(cè)方法的比較

       圖1-10給出了直流分量法、直流疊加法、在線tanδ法三種方法組成的綜合在線檢測(cè)儀的測(cè)量原理。

圖1-10 直流疊加法、直流分量法和tanδ測(cè)量的聯(lián)合裝置

       在電力系統(tǒng)中常將電力電纜按絕緣材料分為：油紙絕緣電纜、橡塑絕緣電纜、充油電纜、充氣電纜等。其中油紙絕緣電纜已經(jīng)逐步退出運(yùn)行，橡塑絕緣電纜使用量逐年增加，特別是交聯(lián)聚乙烯電纜近年來(lái)已經(jīng)成為中高壓輸電系統(tǒng)中的主要品種。
       交聯(lián)聚乙烯電力電纜由于其電氣性能和耐熱性能都很好，傳輸容量較大，結(jié)構(gòu)輕便，易于彎曲，附件接頭簡(jiǎn)單，安裝敷設(shè)方便，不受高度落差的限制，特別是沒(méi)有漏油和引起火災(zāi)的危險(xiǎn)，因此受到用戶廣泛歡迎。
       交聯(lián)聚乙烯電纜和油浸紙統(tǒng)包電纜在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別除了相間主絕緣是交聯(lián)聚乙烯塑料以及線芯形狀是圓形之外，還有兩層半導(dǎo)體屏蔽層。在芯線的外表面包*層半導(dǎo)體屏蔽層，它可以克服導(dǎo)體電暈及電離放電，使芯線與絕緣層之間有良好的過(guò)渡；在相間絕緣外表面包第二層半導(dǎo)體膠，同時(shí)加包了一層0.1mm厚的薄銅帶，它組成了良好的相間屏蔽層，它保護(hù)著電纜，使之幾乎不能發(fā)生相間故障。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)220kV電壓等級(jí)交聯(lián)聚乙烯電纜，國(guó)外已有500kV電壓等級(jí)的交聯(lián)聚乙烯電纜投入試用線路。
       引起電纜絕緣故障的原因是多方面的，如果電纜的制造質(zhì)量好（包括纜芯絕緣、護(hù)層絕緣所用的材料及制造工藝）、運(yùn)行條件合適（包括負(fù)荷、過(guò)電壓、溫度及周?chē)h(huán)境等），而且不受外力等因素的破壞，則電纜絕緣的壽命相當(dāng)長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電纜運(yùn)行中的事故大多是由于外力破壞（如開(kāi)掘、擠壓而損傷）或地下污水的腐蝕等所引起的。由于電纜材料本身和電纜制造、敷設(shè)工程中不可避免地存在缺陷，受運(yùn)行中的電、熱、化學(xué)、環(huán)境等因子的影響，電纜的絕緣都會(huì)發(fā)生不同程度的老化。不同的老化因子，引起的老化過(guò)程及形態(tài)也不同。表1-2給出了交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化的原因和表現(xiàn)形態(tài)，其中樹(shù)枝化老化是交聯(lián)聚乙烯電纜所*的。所謂水樹(shù)枝和電樹(shù)枝是指在局部高電場(chǎng)的作用下，絕緣層中水分、雜質(zhì)等缺陷呈現(xiàn)樹(shù)枝狀生長(zhǎng)，zui終導(dǎo)致絕緣擊穿；所謂化學(xué)樹(shù)枝是指絕緣層中的硫化物與銅導(dǎo)體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫化銅和氧化銅等物質(zhì)，這些生成物在絕緣層中呈樹(shù)枝狀生長(zhǎng)。

表1-2 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化原因及表現(xiàn)形態(tài)

       在進(jìn)行電力電纜絕緣電阻的測(cè)量時(shí)，新的油浸紙絕緣電纜每一電纜芯對(duì)外護(hù)套的絕緣電阻換算到+20℃及1km長(zhǎng)度時(shí)，額定電壓在6kV及以上的電纜絕緣電阻應(yīng)不小于100MΩ，額定電壓1～3kV的電纜絕緣電阻不應(yīng)小于50MΩ。對(duì)運(yùn)行中的電纜，試驗(yàn)時(shí)對(duì)歷次試驗(yàn)中絕緣電阻變化的規(guī)律以及各相絕緣電阻的差別（不平衡系數(shù)一般不應(yīng)大于2）進(jìn)行綜合分析、判斷電纜的絕緣情況。
       橡塑絕緣電力電纜的主絕緣電阻值根據(jù)各廠家的規(guī)定執(zhí)行，而外護(hù)套的絕緣電阻和內(nèi)襯層的絕緣電阻規(guī)定當(dāng)采用500V絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)量時(shí)為0.5MΩ。
       在進(jìn)行直流耐壓和泄漏電流試驗(yàn)，如使用試驗(yàn)變壓器升壓到試驗(yàn)電壓時(shí)，同時(shí)讀取1min及5min的泄漏電流值，耐壓5min的泄漏電流值應(yīng)不大于耐壓1min時(shí)的泄漏電流值，或者極化比應(yīng)不小于1（極化比定義為1min/5min）?！兑?guī)程》對(duì)直流泄漏電流值沒(méi)有作明確規(guī)定，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照制造廠的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
       在直流泄漏電流試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)以下現(xiàn)象則表明電纜絕緣已經(jīng)出現(xiàn)明顯缺陷：
       （1）泄漏電流隨施加電壓時(shí)間的延長(zhǎng)不應(yīng)明顯上升。如發(fā)現(xiàn)隨時(shí)間延長(zhǎng)而明顯上升現(xiàn)象，則多數(shù)情況下電纜接頭、終端頭或電纜內(nèi)部已受潮。
       （2）泄漏電流不應(yīng)隨試驗(yàn)電壓升高而急劇上升。如果發(fā)現(xiàn)泄漏電流在升至某一電壓后急劇上升，則說(shuō)明電纜已明顯老化或存在嚴(yán)重隱患，電壓進(jìn)一步升高，則很可能導(dǎo)致?lián)舸?br />       （3）在測(cè)量過(guò)程中，泄漏電流應(yīng)穩(wěn)定，如發(fā)現(xiàn)有周期性擺動(dòng)，則說(shuō)明電纜有局部孔隙性缺陷。
       紙絕緣電力電纜還應(yīng)比較各相泄漏電流數(shù)值的三相不平衡系數(shù)，通常均應(yīng)不大于2。當(dāng)泄漏電流值各相均很小時(shí)（10kV及以上電纜泄漏電流小于20µA時(shí)，6kV及以下電纜泄漏電流小于10µA時(shí)），不平衡系數(shù)不作規(guī)定。
       對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜目前國(guó)外將用直流分量法測(cè)得的值分為大于100µA、1～100µA、小于1µA三檔，分別表明絕緣不良、絕緣有問(wèn)題需要注意、絕緣良好。
    同時(shí)，國(guó)外在直流疊加法在線監(jiān)測(cè)的研究中已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)，表1-3給出了日本目前通用的直流疊加法絕緣電阻的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

表1-3 日本直流疊加法測(cè)量絕緣電阻的判斷標(biāo)準(zhǔn)

       用測(cè)電纜絕緣tanδ方法時(shí)，從在線檢測(cè)tanδ值可估計(jì)整體絕緣的狀況，目前給出了在線監(jiān)測(cè)tanδ的參考標(biāo)準(zhǔn)，如表1-4所示。

表1-4 在線檢測(cè)tanδ的參考標(biāo)準(zhǔn)