低壓電纜絕緣狀態(tài)檢測(cè)方法及壽1命評(píng)估

1、低壓電纜絕緣狀態(tài)檢測(cè)方法及壽命評(píng)估摘要：改革開放以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快。農(nóng)網(wǎng)工程、城網(wǎng)工程工程量大，涉及面廣。在低壓電力電纜入地工程中，低壓電力電纜的用量大，涉及面廣。隨著時(shí)間的增加，電纜絕緣在自然條件下發(fā)生老化、龜裂，降低絕緣性能。國(guó)內(nèi)高壓電力電纜老化監(jiān)測(cè)技術(shù)開展了較多研究，但對(duì)低壓電力電纜老化狀態(tài)監(jiān)測(cè)處于探索階段，為了更好的服務(wù)于電氣化農(nóng)村，提高供電可靠性，有必要對(duì)低壓電纜老化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)電纜的使用壽命做出正確的評(píng)估，做到防患未然。關(guān)鍵詞：低壓電纜 絕緣 檢測(cè)隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，人們生活水平大有改善，但與此同時(shí)，對(duì)電力市場(chǎng)的需求也日益增加，突現(xiàn)出電力短缺的供需矛盾。在城市文明

2、化的建設(shè)過程中，人們希望營(yíng)造優(yōu)雅的生存環(huán)境和寬松的生活空間。于是，地下電力電纜輸配電線路逐漸取代架空線路，同時(shí)隨著電纜數(shù)量的增多及運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，電纜的故障也越來越頻繁。因此，研究電力電纜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可及時(shí)對(duì)電纜進(jìn)行合理的維護(hù)、檢修及更換，對(duì)保證電纜可靠運(yùn)行具有重要意義。一、電力電纜性能不帶電檢測(cè)方法 隨著城市建設(shè)的發(fā)展,電力電纜在城網(wǎng)供電中所占的份量也越來越重,在一些城市的市區(qū)逐步取代架空輸電線路;同時(shí)隨著電纜數(shù)量的增多及運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),電纜的故障也越來越頻繁。由于電纜線路的隱蔽性、個(gè)別運(yùn)行單位的運(yùn)行資料不完善以及測(cè)試設(shè)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(zhì)可分為

3、串聯(lián)（斷線）故障及并聯(lián)（短路）故障兩種,后者按絕緣外是否有金屬護(hù)套或屏蔽可分為主絕緣故障（外有金屬屏蔽）,外皮（外護(hù)套）故障（無金屬屏蔽）的故障。主絕緣故障根據(jù)測(cè)試方法不同,按故障點(diǎn)的絕緣電阻Rf大小可分為金屬性短路（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）;高阻故障;間歇（閃絡(luò)）故障三種。三者之間沒有絕對(duì)的界限,主要由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法區(qū)分,與設(shè)備的容量及內(nèi)阻有關(guān)。近十年來我國(guó)城市電網(wǎng)大量采用XLPE電力電纜,根據(jù)電纜的故障,國(guó)內(nèi)外有各種不同的測(cè)試方法。1.1電橋法及低壓脈沖反射法20世紀(jì)70年代前,世界上廣泛使用電橋法及低壓脈沖反射法進(jìn)行電力電

4、纜故障測(cè)試,兩者對(duì)低阻故障很準(zhǔn)確,但對(duì)高阻故障不適用,故常常結(jié)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(dá)到可以使用電橋法或低壓脈沖法測(cè)量的目的。燒穿方法對(duì)電纜主絕緣有不良影響,現(xiàn)已很少使用。1.2高壓直流閃測(cè)法和沖擊閃測(cè)法分別測(cè)試間歇故障及高阻故障,兩者都均可分為電流閃測(cè)法和電壓閃測(cè)法,取樣參數(shù)不同,各有優(yōu)缺點(diǎn)。電壓取樣法可測(cè)率高,波形清晰易判,盲區(qū)比電流法少一倍,但接線復(fù)雜,分壓過大時(shí)對(duì)人及儀器有危險(xiǎn)。電流取樣法正好相反,接線簡(jiǎn)單,但波形干擾大,不易判別盲區(qū)大。兩種方法目前是國(guó)產(chǎn)高阻故障測(cè)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(chǎn)品。高壓電流、電壓閃測(cè)法基

5、本上解決了電纜高阻故障問題,在我國(guó)電力部門應(yīng)用十分廣泛,且應(yīng)用十分豐富經(jīng)驗(yàn),但儀器有盲區(qū),且波形有時(shí)不夠明顯,靠人為判斷,有時(shí)未能成功,儀器的精度及誤差相對(duì)較大。 1.3二次脈沖法這是二十世紀(jì)90年代出現(xiàn)的測(cè)試技術(shù),因?yàn)榈蛪好}沖準(zhǔn)確易用,結(jié)合高壓發(fā)生器發(fā)射沖擊閃絡(luò)技術(shù),在故障點(diǎn)起弧的瞬間通過內(nèi)部裝置觸發(fā)發(fā)射一低壓脈沖,此脈沖在故障點(diǎn)閃絡(luò)處（電弧的電阻值很低）發(fā)生短路反射,并將波形記憶在儀器中,電弧熄滅后,重新發(fā)一正常的低壓測(cè)量脈沖到電纜中,此低壓脈沖在故障處（高阻）沒有擊穿產(chǎn)生通路,直接到達(dá)電纜末端,并在電纜末端發(fā)生開路反射,將兩次低壓脈沖波形進(jìn)行對(duì)比,非常容易判斷故障點(diǎn)（擊穿點(diǎn)）位置。儀器可

6、自動(dòng)匹配,自動(dòng)判斷計(jì)算出故障點(diǎn)距離。二次脈沖法的出現(xiàn),使得電纜高阻故障測(cè)試變得十分簡(jiǎn)單,成為最先進(jìn)的測(cè)試方法。 對(duì)于二次脈沖法,無論是奧地利的Baur公司,還是德國(guó)Seba公司的產(chǎn)品原理是一樣的,只是在實(shí)現(xiàn)上有差異:前者強(qiáng)調(diào)起弧與觸發(fā)脈沖配合,由內(nèi)部通信裝置對(duì)沖擊電流進(jìn)行阻尼,同時(shí)也增加了沖擊電流的沖擊寬度來實(shí)現(xiàn);而后者則采用專門穩(wěn)弧儀,強(qiáng)調(diào)延長(zhǎng)電弧時(shí)間,保證低壓脈沖在起弧期間到達(dá)。這種方法與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高壓電流或電壓法測(cè)試儀相比具有以下優(yōu)點(diǎn):一體化設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)緊湊（compact）,只要接入電源,接好地線,連接被測(cè)電纜即可進(jìn)行各種測(cè)試方法的操作,接線簡(jiǎn)單,切換容易,安全可靠。自動(dòng)化程度高,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)

7、匹配、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)判斷、自動(dòng)計(jì)算,并可以進(jìn)行打印或?qū)D形存入軟盤, 在計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。無盲區(qū)問題:考慮到儀器本身的饋線以及外接的高壓電纜引線長(zhǎng)度,因此進(jìn)行儀器調(diào)試時(shí),引入“tm”測(cè)試,首先測(cè)試每種方法中的脈沖波經(jīng)過儀器到達(dá)引線末端所經(jīng)歷的時(shí)間“tm” 值,并輸入記憶的系統(tǒng)中;測(cè)試電纜時(shí),儀器會(huì)自動(dòng)將原點(diǎn)（起點(diǎn)）定在該方法的“tm”時(shí)刻處,因“tm”為定值與波速度選擇無關(guān),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(jīng)歷的時(shí)間“tm”是不變的;所測(cè)波形中tm時(shí)刻點(diǎn)即為所測(cè)電纜的始端,因此測(cè)量時(shí)沒有盲區(qū)的概念。精度高:采用 Baur公司IRG300回波儀采樣頻率已達(dá)200 MHz,以

8、波速為=160 m/s計(jì)算,精確度可達(dá)0.4 m。由于這套儀器的自動(dòng)化程度高、精確,操作簡(jiǎn)單,克服了電流、電壓沖擊法的不足,有效解決了高阻故障測(cè)試的困難,只要波速度選擇正確,測(cè)量結(jié)果非常準(zhǔn)確。 二、電力電纜絕緣性能帶電檢測(cè)的方法現(xiàn)在,國(guó)內(nèi)外廣泛開展帶電檢測(cè)方法的研究,提出了多種方法。實(shí)際的運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn),大部分電力電纜故障是由電纜絕緣發(fā)生劣化引起的。引起這種電纜發(fā)生劣化的原因較多（有電劣化、熱劣化、化學(xué)劣化、機(jī)械劣化甚至鼠蟲害引起的劣化等）,但最主要仍是電劣化。其主要劣化形態(tài)為:局部放電電劣化;電樹枝劣化;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

9、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(zhì)損耗tg變大等現(xiàn)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(duì)電纜絕緣的在線監(jiān)測(cè)來測(cè)定劣化信號(hào),判定電纜絕緣是否能繼續(xù)運(yùn)行。電纜絕緣的劣化信號(hào)一般來說極其微小,如因樹枝狀劣化產(chǎn)生的直流分量電流為nA級(jí),最大的也只不過為A級(jí)。因此, 國(guó)外在對(duì)高分子絕緣材料劣化的基礎(chǔ)物理過程進(jìn)行大量研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)劣化信號(hào),研究并采取了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)措施。電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)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(fā)生水樹枝劣化,則電流

10、中含有直流成分,且樹枝劣化長(zhǎng)度與直流分量電流存在一定關(guān)系,故研究采用直流電流分量監(jiān)測(cè)法。但由于直流分量電流極?。ㄒ话銥閚A級(jí)）,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(shí),測(cè)量誤差很大,故此必須要清拭端部且要在天氣晴好時(shí)測(cè)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(duì)電纜中水樹枝長(zhǎng)度與絕緣電阻的關(guān)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(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。且直流電壓是經(jīng)中性點(diǎn)接地的電壓互感器旋加于電纜的,若互感器中長(zhǎng)期流過直流電源會(huì)發(fā)生磁飽和現(xiàn)象而產(chǎn)生零序電壓,可能使變電所內(nèi)繼電器誤動(dòng)作。2.3低頻交流迭加法

11、針對(duì)電纜中水樹枝長(zhǎng)度與絕緣電阻的關(guān)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(jiān)測(cè)的交流損失電流在原理上隨著劣化的發(fā)展而變大的。但在使用中應(yīng)認(rèn)真確認(rèn)電纜端部的工作狀態(tài),例如為調(diào)整端部電場(chǎng)分布而裝有應(yīng)力環(huán)時(shí),即使電纜絕緣良好,交流損失電流也較大,那么僅根據(jù)在線監(jiān)測(cè)的信號(hào),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(cè)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(jiān)測(cè)樹枝劣化而產(chǎn)生1Hz的劣化信號(hào)。由于樹枝劣化的電纜上迭加工頻+約1 Hz電壓時(shí),被測(cè)的劣化信號(hào)最大,可采用這種方法檢測(cè)出1 Hz的劣化信號(hào)的強(qiáng)弱來判斷電纜劣化的程度

12、。這種監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是:可從電纜接地線處迭加電壓,測(cè)定簡(jiǎn)單方便,不僅可作為在線監(jiān)測(cè),也可作帶電監(jiān)測(cè),用一套設(shè)備監(jiān)測(cè)多條電纜;因迭加電壓檢測(cè)的是已知劣化信號(hào),即1 Hz信號(hào),故檢測(cè)精度高,抗干擾能力強(qiáng);受鎧裝絕緣電阻及端部污損等因素影響較小。通過以上的分析比較,我們可以發(fā)現(xiàn)在不帶電檢測(cè)方法中,二次脈沖法是一種比較好的方法,在帶電檢測(cè)的方法中,交流電壓迭加法是目前比較好的一種方法。雖然帶電檢測(cè)的方法還不很成熟,比如對(duì)絕緣劣化程度的判斷等方面,還需要做大量的研究工作,但是這是電力電纜檢測(cè)的一種發(fā)展方向。三、電纜的老化機(jī)理在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，電纜的絕緣和護(hù)套等聚合物材料隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生各種緩慢的、不可逆

13、的化學(xué)變化和物理變化，這些變化就是電纜的老化過程。從宏觀上來看，表現(xiàn)為材料的延伸率降低，即材料的抗拉強(qiáng)度減弱；護(hù)套材料的硬度或抗壓模量增大；材料的密度增加；電氣性能改變。電纜的老化機(jī)理可分為影響分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)老化機(jī)理和影響材料混合物成分的物理老化機(jī)理。3.1、化學(xué)老化機(jī)理（1）高分子鏈斷裂：一個(gè)高分子鏈斷裂為2個(gè)或多個(gè)新鏈，一般為烷氧基或過氧化根斷鏈，導(dǎo)致物質(zhì)性質(zhì)的改變。（2）交聯(lián)反應(yīng)：在2個(gè)相鄰高分子間共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)發(fā)生交聯(lián)，使原先物質(zhì)的有效成分減少。（3）氧化反應(yīng)：這是一種自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在氧化反應(yīng)開始階段，在溫度和輻照的影響下，由于共價(jià)鍵的斷裂而產(chǎn)生反應(yīng)性物質(zhì)，即自由基，氧化反應(yīng)既導(dǎo)致斷鏈，又生成交聯(lián)，這取決于氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程中各階段的分子運(yùn)動(dòng)情況，它隨著聚合物中添加劑的不同而不同。（4）氧擴(kuò)散控制過程：聚合材料中自由基的初速率大于溶解氧擴(kuò)散的速率時(shí)，老化快慢由氧