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電力電纜絕緣性能檢測方法分析
1 電力電纜性能不帶電檢測方法
隨著城市建設的發展,電力電纜在城網供電中所占的份量也越來越重,在一些城市的市區逐步取代架空輸電線路;同時隨著電纜數量的增多及運行時間的延長,電纜的故障也越來越頻繁。由于電纜線路的隱蔽性、個別運行單位的運行資料不完善以及測試設備的局限性等原因,使電纜故障的查找非常困難[1]。電力電纜故障按性質可分為串聯(斷線)故障及并聯(短路)故障兩種,后者按絕緣外是否有金屬護套或屏蔽可分為主絕緣故障(外有金屬屏蔽),外皮(外護套)故障(無金屬屏蔽)的故障。主絕緣故障根據測試方法不同,按故障點的絕緣電阻Rf大小可分為①金屬性短路(低阻)故障,其中Rf不同儀器及方法選擇各不同,一般Rf<10 Z0(Z0為電纜波阻抗);②高阻故障;③間歇(閃絡)故障三種。三者之間沒有的界限,主要由現場試驗方法區分,與設備的容量及內阻有關。近十年來我國城市電網大量采用XLPE電力電纜,根據電纜的故障,國內外有各種不同的測試方法。
1.1 電橋法及低壓脈沖反射法
20世紀70年代前,世界上廣泛使用電橋法及低壓脈沖反射法進行電力電纜故障測試,兩者對低阻故障很準確,但對高阻故障不適用,故常常結合燃燒降阻(燒穿)法,即加大電流將故障處燒穿使其絕緣電阻降低以達到可以使用電橋法或低壓脈沖法測量的目的。燒穿方法對電纜主絕緣有不良影響,現已很少使用。
1.2 高壓直流閃測法和沖擊閃測法
分別測試間歇故障及高阻故障,兩者都均可分為電流閃測法和電壓閃測法,取樣參數不同,各有優缺點。電壓取樣法可測率高,波形清晰易判,盲區比電流法少一倍,但接線復雜,分壓過大時對人及儀器有危險。電流取樣法正好相反,接線簡單,但波形干擾大,不易判別盲區大。兩種方法目前是國產高阻故障測試儀的主流方法,主要有西安四方、山東科匯、武漢高壓所等產品。高壓電流、電壓閃測法基本上解決了電纜高阻故障問題,在我國電力部門應用十分廣泛,且應用十分豐富經驗,但儀器有盲區,且波形有時不夠明顯,靠人為判斷,有時未能成功,儀器的精度及誤差相對較大。
1.3 二次脈沖法
這是二十世紀90年代出現的測試技術,因為低壓脈沖準確易用,結合高壓發生器發射沖擊閃絡技術,在故障點起弧的瞬間通過內部裝置觸發發射一低壓脈沖,此脈沖在故障點閃絡處(電弧的電阻值很低)發生短路反射,并將波形記憶在儀器中,電弧熄滅后,重新發一正常的低壓測量脈沖到電纜中,此低壓脈沖在故障處(高阻)沒有擊穿產生通路,直接到達電纜末端,并在電纜末端發生開路反射,將兩次低壓脈沖波形進行對比,非常容易判斷故障點(擊穿點)位置。儀器可自動匹配,自動判斷計算出故障點距離。二次脈沖法的出現,使得電纜高阻故障測試變得十分簡單,成為*測試方法。
對于二次脈沖法,無論是奧地利的Baur公司,還是德國Seba公司的產品原理是一樣的,只是在實現上有差異:前者強調起弧與觸發脈沖配合,由內部通信裝置對chong擊電流進行阻尼,同時也增加了沖擊電流的沖擊寬度來實現;而后者則采用專門穩弧儀,強調延長電弧時間,保證低壓脈沖在起弧期間到達。這種方法與國內生產高壓電流或電壓法測試儀相比具有以下優點:
①一體化設計,結構緊湊(compact),只要接入電源,接好地線,連接被測電纜即可進行各種測試方法的操作,接線簡單,切換容易,安全可靠。
②自動化程度高,實現自動匹配、自動保護、自動判斷、自動計算,并可以進行打印或將圖形存入軟盤, 在計算機進行數據分析。③無盲區問題:考慮到儀器本身的饋線以及外接的高壓電纜引線長度,因此進行儀器調試時,引入“tm”測試,首先測試每種方法中的脈沖波經過儀器到達引線末端所經歷的時間“tm”值,并輸入記憶的系統中;測試電纜時,儀器會自動將原點(起點)定在該方法的“tm”時刻處,因“tm”為定值與波速度選擇無關,無論波速度選多少,同一種方法中脈沖在儀器本身及引線所經歷的時間“tm”是不變的;所測波形中tm時刻點即為所測電纜的始端,因此測量時沒有盲區的概念。④精度高:采用Baur公司IRG300回波儀采樣頻率已達200 MHz,以波速為=160 m/μs計算,度可達0.4 m。由于這套儀器的自動化程度高、,操作簡單,克服了電流、電壓沖擊法的不足,有效解決了高阻故障測試的困難,只要波速度選擇正確,測量結果非常準確。
2 電力電纜絕緣性能帶電檢測的方法[2-4]
現在,國內外廣泛開展帶電檢測方法的研究,提出了多種方法。實際的運行過程中發現,大部分電力電纜故障是由電纜絕緣發生劣化引起的。引起這種電纜發生劣化的原因較多(有電劣化、熱劣化、化學劣化、機械劣化甚至鼠蟲害引起的劣化等),但主要仍是電劣化。其主要劣化形態為:①局部放電電劣化;②電樹枝劣化;③水樹枝劣化。研究表明33 kV以下的固體絕緣電纜中,引起絕緣劣化的主要是水樹枝劣化。但無論哪種劣化都可能造成絕緣電阻的下降,泄漏電流的增加及介質損耗tgδ變大等現象。使得在工作電壓下交流損失電流變大,使得流過絕緣的電流中所含的直流分量增大。因此,可以通過對電纜絕緣的在線監測來測定劣化信號,判定電纜絕緣是否能繼續運行。電纜絕緣的劣化信號一般來說極其微小,如因樹枝狀劣化產生的直流分量電流為n*,zui大的也只不過為μ*。因此,國外在對高分子絕緣材料劣化的基礎物理過程進行大量研究的基礎上,針對劣化信號,研究并采取了相應的監測措施。電纜絕緣在線監測的方法有很多種,如直流電流法,直流電壓迭加法,交流電壓迭加法,低頻交流迭加法等等。
2.1 直流電流法
電纜在交流電壓作用下,若發生水樹枝劣化,則電流中含有直流成分,且樹枝劣化長度與直流分量電流存在一定關系,故研究采用直流電流分量監測法。但由于直流分量電流極小(一般為n*),因此容易受到雜散電流的干擾。且在電纜端部表面泄露電阻因脹污或因雨而下降時,測量誤差很大,故此必須要清拭端部且要在天氣晴好時測量,所以這種方法的使用受到很大的限制。
2.2 直流電壓迭加法
針對電纜中水樹枝長度與絕緣電阻的關系,研究了直流電壓迭加法。直流電壓迭加法因散雜電流的變化或端部表面泄露電阻變低而產生較大的測量誤差。且直流電壓是經中性點接地的電壓互感器旋加于電纜的,若互感器中長期流過直流電源會發生磁飽和現象而產生零序電壓,可能使變電所內繼電器誤動作。
2.3 低頻交流迭加法
針對電纜中水樹枝長度與絕緣電阻的關系,研究了低頻交流迭加法。低頻交流迭加法是一種較好的方法,所監測的交流損失電流在原理上隨著劣化的發展而變大的。但在使用中應認真確認電纜端部的工作狀態,例如為調整端部電場分布而裝有應力環時,即使電纜絕緣良好,交流損失電流也較大,那么僅根據在線監測的信號,就可能作出”絕緣不良”的誤判斷。
2.4 交流電壓迭加法
交流電壓迭加法的測量原理是:在電纜的屏蔽層上迭加101 Hz(即2倍工頻+1Hz)的交流電壓,監測樹枝劣化而產生1Hz的劣化信號。由于樹枝劣化的電纜上迭加工頻+約1 Hz電壓時,被測的劣化信號大,可采用這種方法檢測出1 Hz的劣化信號的強弱來判斷電纜劣化的程度。這種監測方法的優點是:①可從電纜接地線處迭加電壓,測定簡單方便,不僅可作為在線監測,也可作帶電監測,用一套設備監測多條電纜;②因迭加電壓檢測的是已知劣化信號,即1 Hz信號,故檢測精度高,抗干擾能力強;③受鎧裝絕緣電阻及端部污損等因素影響較小。