交聯(lián)聚乙烯電纜在線監(jiān)測(cè)及檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀

交聯(lián)聚乙烯電纜在線監(jiān)測(cè)及檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀

0大學(xué)生電纜電纜系統(tǒng)隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)城市供電的需要，中國(guó)電網(wǎng)線路的利用率逐年增加。從2008年3月31日起，36kv和其他電纜線路的線路總流量為83931g，線路總流量為063.342公里。其中330kV電纜線路7回,總長(zhǎng)1.881km;220kV電纜線路333回,總長(zhǎng)898.3718km;110kV電纜線路3142回,總長(zhǎng)4629.625km;66kV電纜線路449回,總長(zhǎng)533.465km。另外,上海世博變電站500kV電纜線路16km于2010年投運(yùn)。北京電力公司計(jì)劃近幾年投運(yùn)2回500kV電纜線路。高壓交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜在電網(wǎng)中所占的比重日益增長(zhǎng),目前國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)66kV及以上電纜線路97.62%的運(yùn)行電纜為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,現(xiàn)在僅有北京、上海和甘肅三地50回充油電纜在網(wǎng)運(yùn)行,且絕大多數(shù)是2000年前投運(yùn),2005年以后,全網(wǎng)沒(méi)有新的充油電纜線路投運(yùn)。交聯(lián)聚乙烯電纜構(gòu)成了城市供電和主網(wǎng)架的重要環(huán)節(jié),如何提高它們的運(yùn)行水平,確保電網(wǎng)供電可靠性,是目前亟待研究解決的問(wèn)題。電纜絕緣的劣化及缺陷的發(fā)展,具有統(tǒng)計(jì)性,發(fā)展速度有快有慢,大多數(shù)都有一定的發(fā)展期。在這期間,絕緣會(huì)發(fā)出反映絕緣狀態(tài)變化的各種物理化學(xué)信息。通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及綜合處理,可提早發(fā)現(xiàn)故障隱患,對(duì)電纜設(shè)備的可靠性做出判斷,對(duì)絕緣壽命做出預(yù)測(cè)。這樣,既可以避免絕緣缺陷的擴(kuò)大導(dǎo)致事故,又可避免盲目的停電實(shí)驗(yàn)。所以,電力電纜設(shè)備絕緣的在線檢(監(jiān))測(cè)勢(shì)在必行。1主絕緣層、金屬護(hù)層及外三維XLPE絕緣電纜基本結(jié)構(gòu)包括本體和附件。本體包括導(dǎo)電線芯、主絕緣層、金屬護(hù)層及外護(hù)套等(見圖1)。針對(duì)電纜主絕緣(包括本體和附件),目前主要有以下在線監(jiān)測(cè)方法:直流分量法、直流疊加法、低頻疊加法、在線介質(zhì)損耗角正切法和局部放電在線監(jiān)測(cè)法。1.1直流電流在自然形態(tài)中的作用如果運(yùn)行中的XLPE電纜絕緣體產(chǎn)生了水樹枝,則在運(yùn)行中的交流電壓作用下,由于水樹枝的整流作用將產(chǎn)生一個(gè)微弱的直流電流分量(nA級(jí))流過(guò)絕緣體。通過(guò)檢測(cè)這一直流分量來(lái)判斷電纜絕緣老化的方法,稱為直流分量法。但是,直流分量法中測(cè)得的電流極微弱,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行支流分量法的測(cè)量時(shí),微小的干擾電流就會(huì)引起很大的誤差。其干擾主要來(lái)自被測(cè)電纜的屏蔽層與大地之間的雜散電流。1.2電纜纜的老化度通過(guò)電纜所接的電壓互感器的中性點(diǎn)或其他方法,將一小的直流電壓疊加到運(yùn)行中的XLPE電纜的導(dǎo)體線芯上,用高靈敏度的電流表測(cè)定出流過(guò)電纜絕緣體的直流漏電流(一般為nA級(jí)以上),或測(cè)量其絕緣電阻,判定絕緣的老化程度。由于絕緣電阻與電纜的殘余壽命的相關(guān)性并不是很好,其分散性太大,又因絕緣電阻與很多因素有關(guān),很難測(cè)量其絕緣電阻值并預(yù)測(cè)電纜的老化程度。實(shí)驗(yàn)表明,只有當(dāng)XLPE電纜中的水樹枝發(fā)展到絕緣厚度的80%以上時(shí),才會(huì)使絕緣電阻顯著下降到“危險(xiǎn)值”,故該法雖然比較易于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè),但當(dāng)護(hù)層絕緣電阻太低時(shí)難以獲得準(zhǔn)確讀數(shù)。1.3層間隔壓電路此方法將低頻電壓接入電纜高壓回路的高壓端與地之間,從電纜的接地線上測(cè)出低頻電流。由于電纜絕緣層可看作RC的并聯(lián)等值電路,當(dāng)施加的電壓為低頻時(shí),流過(guò)絕緣層的容性電流較工頻時(shí)小得多,而阻性電流IR卻無(wú)明顯的變化,較易從接地線總低頻電流中分離出阻性分量。一方面可計(jì)算得到阻性電流所反映的電纜的絕緣電阻;另一方面頻率降低,等值tanδ增大,從而使得等值介質(zhì)損耗角正切較易測(cè)出。1.4電纜緣厚度an測(cè)量通過(guò)電壓互感器將運(yùn)行電纜的電壓信號(hào)取出,同時(shí)運(yùn)用電流互感器將流過(guò)電纜絕緣的工頻電流信號(hào)取出,比較兩者的相位,便可得電纜絕緣的介質(zhì)損耗角正切(tanδ),從而判斷絕緣老化程度。但對(duì)XLPE電纜進(jìn)行測(cè)量時(shí),由于電纜絕緣的tanδ很小,往往難以測(cè)準(zhǔn),特別當(dāng)屏蔽層對(duì)地絕緣電阻很小時(shí),在線監(jiān)測(cè)tanδ更加受影響。此方法在國(guó)外也已開發(fā)出裝置,但其測(cè)量精度不夠理想。1.5局部放電試驗(yàn)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者、IEC、IEEE以及CIGRE等國(guó)際電力權(quán)威機(jī)構(gòu),一致推薦局部放電試驗(yàn)為XLPE絕緣電力電纜絕緣狀況評(píng)價(jià)的最佳方法。電力電纜局部放電量與電力電纜絕緣狀況密切相關(guān)。局部放電量的變化預(yù)示著電纜絕緣存在著可能危及電纜安全運(yùn)行壽命的缺陷。通過(guò)檢測(cè)運(yùn)行中的電纜絕緣的局部放電,可檢測(cè)電纜絕緣的局部缺陷。隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展,采用局部放電法作為電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)的方法,現(xiàn)在已成為研究的熱點(diǎn)。這種方法最具有發(fā)展前景,但對(duì)技術(shù)要求也較高。常用的幾種局部放電檢測(cè)方法有:內(nèi)置耦合電容法、脈沖電流法、空間超高頻法及超聲波法等。為研究各種局部放電檢測(cè)方法的靈敏度和有效性,可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和比較。選擇一條220kV長(zhǎng)距離XLPE電纜作為檢測(cè)對(duì)象,選用不同廠家的多個(gè)局部放電檢測(cè)產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行檢測(cè),這些產(chǎn)品采用的原理包括脈沖電流法、空間超高頻法、超聲波法等。圖2是在某個(gè)中間接頭安裝不同傳感器的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖。該試驗(yàn)采用串聯(lián)諧振方法加壓,對(duì)電纜施加(1.0~1.4)U0的電壓,分析局部放電水平和電壓的關(guān)系,以判斷局部放電的性質(zhì)。檢測(cè)結(jié)果表面,在中間接頭處發(fā)現(xiàn)局部放電信號(hào),對(duì)該接頭進(jìn)行解體分析,發(fā)現(xiàn)主絕緣的外半導(dǎo)體層表面存在嚴(yán)重的劃傷,系中間接頭的現(xiàn)場(chǎng)施工工藝不良所致,該缺陷在電壓的作用下會(huì)產(chǎn)生局部放電,長(zhǎng)期運(yùn)行中容易發(fā)展成擊穿事故?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)研究證明,在線局部放電監(jiān)測(cè)對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜內(nèi)部缺陷確有重要的作用。2主粘連時(shí)金融電纜主緣失效目前有關(guān)XLPE電力電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究基本都以電纜主絕緣為研究對(duì)象,電纜保護(hù)層的在線監(jiān)測(cè)研究相對(duì)較為忽略。XLPE電力電纜主絕緣的狀態(tài)或壽命既取決于自身材料特性的內(nèi)因,也直接關(guān)聯(lián)到保護(hù)層狀態(tài)這一外因。當(dāng)外護(hù)層被破壞后,對(duì)主絕緣的影響有3個(gè)方面:(1)導(dǎo)致金屬護(hù)層出現(xiàn)多點(diǎn)接地,產(chǎn)生環(huán)流,造成損耗且絕緣層局部過(guò)熱加速老化,影響主絕緣壽命;(2)在外力或電磁力作用下,進(jìn)一步出現(xiàn)金屬護(hù)層連接處位移、錯(cuò)位,導(dǎo)致水分侵入主絕緣,主絕緣產(chǎn)生水樹老化的概率增加,影響主絕緣壽命;(3)主絕緣在金屬護(hù)層被腐蝕處出現(xiàn)電場(chǎng)集中,易于產(chǎn)生局部放電和引發(fā)電樹枝,對(duì)電纜運(yùn)行安全造成威脅。所以,直接監(jiān)測(cè)保護(hù)層狀態(tài)、把握好電纜主絕緣的第一道防線,就可以有效預(yù)防電纜主絕緣問(wèn)題及其他故障的形成。同時(shí)由于電磁耦合作用,當(dāng)主絕緣品質(zhì)發(fā)生變化或XLPE電力電纜發(fā)生其他故障時(shí),也會(huì)反應(yīng)在金屬護(hù)層的感應(yīng)電量及應(yīng)力應(yīng)變等狀態(tài)量的變化上,即XLPE電力電纜的故障會(huì)在金屬護(hù)層上表現(xiàn)出故障特征。對(duì)XLPE電力電纜金屬護(hù)層的有效監(jiān)測(cè)不僅可以監(jiān)測(cè)電力電纜金屬護(hù)層自身的狀態(tài),也可以監(jiān)測(cè)主絕緣的品質(zhì)狀態(tài)和XLPE電力電纜其他故障。針對(duì)電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè),有接地電流監(jiān)測(cè)、接地容性電流監(jiān)測(cè)及綜合監(jiān)測(cè)等方法。2.1金屬護(hù)層接地試驗(yàn)110kV及以上電壓等級(jí)的電力電纜均為單芯電纜,因電纜金屬護(hù)層與線芯中交流電流產(chǎn)生的磁力線相鉸鏈,會(huì)出現(xiàn)較高的感應(yīng)電壓,故需采取接地措施。通常,短距離電纜的金屬護(hù)層采用一端直接接地、另一端經(jīng)保護(hù)電阻接地的方式;長(zhǎng)距離電纜的金屬護(hù)層則采用交叉互聯(lián)接地的方式。當(dāng)電纜絕緣護(hù)套破損、金屬護(hù)層出現(xiàn)2點(diǎn)或多點(diǎn)接地時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大環(huán)流,嚴(yán)重時(shí)可超過(guò)負(fù)荷電流的50%以上。監(jiān)測(cè)電纜的接地電流,可獲取電纜外護(hù)套的完整性信息。目前,該方法通常采用在接地線上安裝電流互感器來(lái)實(shí)現(xiàn),無(wú)需改變接地線的連接方式,適合110kV及以上電壓等級(jí)電纜線路。國(guó)內(nèi)多家科研院所及運(yùn)行單位均對(duì)該方法進(jìn)行研究和實(shí)踐。其中,華中科技大學(xué)等高校以環(huán)流絕對(duì)值和相對(duì)變化量為判據(jù),對(duì)電纜金屬護(hù)層的絕緣性能進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。北京電纜公司轄區(qū)內(nèi)的110kV及以上等級(jí)電纜線路中安裝了接地電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。研究結(jié)果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均表明,接地電流監(jiān)測(cè)是判斷電纜護(hù)套安全狀態(tài)的重要手段,也是未來(lái)電纜系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中重要的一環(huán)。2.2電纜主緣子平衡電壓的加速老化試驗(yàn)當(dāng)交聯(lián)聚乙烯的水樹枝發(fā)展時(shí),不但tanδ增大,擊穿電壓下降,而且電容增量ΔC增大,使得流經(jīng)主絕緣的容性電流發(fā)生變化,從而接地線電流ΔIg也會(huì)發(fā)生變化。該監(jiān)測(cè)方法,就是通過(guò)接地電流中容性分量的增量ΔIg,反映XLPE電纜絕緣老化前后的電容量變化。電纜的加速老化試驗(yàn)結(jié)果表明,交流擊穿電壓與接地線容性電流增量ΔIg有較好的相關(guān)性。因此,ΔIg可作為判定絕緣老化的依據(jù)。2.3在線監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)研究工作者提出了面向XLPE電纜金屬護(hù)層的在線監(jiān)測(cè)新思路,通過(guò)對(duì)金屬護(hù)層的感應(yīng)電勢(shì)、接地電流、電磁力及應(yīng)力應(yīng)變等的全面分析研究,得到各類故障或缺陷的表征現(xiàn)象及特征量,對(duì)應(yīng)這些故障表征現(xiàn)象及特征量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)。XLPE電力電纜各類故障的表征現(xiàn)象主要是3種:(1)因金屬護(hù)層絕緣損傷和接地系統(tǒng)缺陷引起的接地回路感應(yīng)環(huán)流;(2)主絕緣品質(zhì)劣化和附件劣化等引起的局部放電現(xiàn)象;(3)由于外力作用和故障接地感應(yīng)環(huán)流作用而引起的金屬護(hù)層應(yīng)力變化,特別是連接處發(fā)生位移應(yīng)變的故障特征。依據(jù)這一分析研究結(jié)果,對(duì)面向金屬護(hù)層的XLPE電力電纜在線監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行設(shè)計(jì),包括基于感應(yīng)環(huán)流的在線監(jiān)測(cè)模塊、基于饋路終端單元的XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)模塊及基于金屬護(hù)層位移應(yīng)變的在線監(jiān)測(cè)模塊等,進(jìn)而得出面向金屬護(hù)層的XLPE電力電纜在線監(jiān)測(cè)綜合方案。3分布式光纖測(cè)溫法電纜在運(yùn)行過(guò)程中,因線芯流過(guò)大電流而發(fā)熱。監(jiān)測(cè)電纜的溫度,既可獲取電纜絕緣的工作狀況,也可通過(guò)計(jì)算線路的載流量了解線路運(yùn)行狀態(tài)。目前,應(yīng)用比較廣泛的電纜溫度測(cè)量方法是分布式光纖測(cè)溫。該方法主要依據(jù)光纖的光時(shí)域反射原理及光纖的背向拉曼散射溫度效應(yīng)?；谒鶞y(cè)溫度,可對(duì)電纜的載流量進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)一步獲得電纜運(yùn)行信息。測(cè)溫光纖既可以敷設(shè)在電纜護(hù)套內(nèi),即內(nèi)置式;也可沿線敷設(shè)在電纜護(hù)套外,即外置式。一些地區(qū)110kV及以上電壓等級(jí)的電纜線路上不同程度地敷設(shè)了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,該測(cè)溫系統(tǒng)具有測(cè)量距離長(zhǎng)及測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn),但存在空間分辨率較低、對(duì)因各類缺陷造成的局部溫升不敏感及易受敷設(shè)環(huán)境溫度和濕度影響等缺點(diǎn)。這也是在未來(lái)的研究和工程實(shí)踐中需要解決的問(wèn)題。4電纜附件的熱像檢測(cè)紅外熱成像技術(shù)常被應(yīng)用于電纜附件的在線溫度檢測(cè)。該技術(shù)是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射,將其能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上,再轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過(guò)電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,電纜附件發(fā)生故障前,缺陷經(jīng)常伴生局部發(fā)熱,采用紅外熱像儀對(duì)電纜附件進(jìn)行有針對(duì)性的在線檢測(cè),可發(fā)現(xiàn)電纜附件的發(fā)熱性缺陷。該項(xiàng)技術(shù)已在110kV及以上電纜終端檢測(cè)中獲得應(yīng)用,效果較為理想,其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量靈敏度高、結(jié)果直觀及可靠性好;但測(cè)量結(jié)果難以對(duì)缺陷程度準(zhǔn)確判斷,是需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。紫外成像法是近年來(lái)發(fā)展的用于在線檢測(cè)外絕緣系統(tǒng)放電狀態(tài)的新技術(shù)。由于電氣設(shè)備表面存在毛刺、結(jié)構(gòu)問(wèn)題或污穢等,運(yùn)行中電場(chǎng)集中且電荷密度過(guò)大,形成表面放電,這些放電現(xiàn)象都會(huì)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的紫外光譜。該技術(shù)可用于對(duì)110kV及以上電壓等級(jí)電纜的戶外終端電暈放電情況進(jìn)行在線檢測(cè),為電纜運(yùn)行部門提供更多的電纜系統(tǒng)運(yùn)行信息。5局部放電各種在線監(jiān)測(cè)及檢測(cè)項(xiàng)目中,局部放電、電纜護(hù)層接地電流監(jiān)測(cè)、電纜護(hù)層綜合監(jiān)測(cè)及分布式光纖測(cè)溫都能較好地反映電纜運(yùn)行過(guò)程中各類缺陷及電纜通道的異常狀態(tài),是高壓電纜在線監(jiān)測(cè)及檢測(cè)中值得推薦的技術(shù)。其中,電纜護(hù)層的接地電流監(jiān)測(cè),成本低,易于開展,應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)接地電流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。局部放電監(jiān)測(cè)的難度較大,成本高,應(yīng)主要推廣帶電檢測(cè)技術(shù),可結(jié)合電纜的定期巡檢開展,局部放電數(shù)據(jù)分析中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注局部放電的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)重要的、懷疑有缺陷的高壓電纜,可采用多種局部放電檢測(cè)方法進(jìn)行綜合診斷。電纜護(hù)層綜合監(jiān)測(cè)有較好的發(fā)展前景,應(yīng)在深入的理論研究基礎(chǔ)上