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疲@種現(xiàn)象稱(chēng)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。可以考慮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）。《規(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)