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电缆环流监ce装置 2020-02-06 ji术论文 1154 ℃ 0 评论

袁燕岭1,李世松2,董杰1,gaojun福1,黄松岭2,赵伟2(1.国网唐shan供电公司,河北 唐shan 063000; 2.清华大xue电机系,北jing 100084)摘要:电力电缆是电能chuanshu的重要载体之一,其yun行可靠性直接影响电力蟙i车墓┑鏰n全。 电力电缆zhen断检ceji术jibaohan对已发生故障的zhen断、定位,也涵盖对电力电缆yun行状态的监ce,及shi发现电缆lao化deng缺陷或故障隐籮i蕴醙ao电缆yun衳ie目煽啃跃哂兄匾庖濉 文章简介电力电缆lao化deng缺陷及发生故障的机理,shu理常见电力电缆zhen断检ceji术并比较它们的you劣,在此基础shangjie合智能电网发展趋势,探tao电力电缆zhen断检ceji术的发展趋势和面lin的挑战。
关键词:电力电缆;zhen断检ceji术;电缆lao化;在线监ce;电缆故障* 基金xiang目:国网ji北电力有限公薺iu苆ixiang目(gao裧ou缋孪呗坊げ憬拥氐缌骷敖拥叵叻纃ao割在线监ce蟙i逞衘iu)
0 yin 言
区别于chuan统的jiakong线shu电方式,电力电缆shu电一ban用于不能或不襰hun捎胘iakong线的场合,例ru向大城shi中心供电、kua海峡shu电deng。 随着我国城shi化水不断提升,电力电缆shu电得以kuai速发展,已成为电网chuanshu电能的基本xing式之一[1] 。 再则,近nian来在直流shu电领yu,电力电缆shu电表现出比jiakong线shu电更大的you势。 首xian,电缆在直流电ya作用下的绝缘强度比交流电ya下更gao,shu电rong量也相应增大。 其次,直流电力电缆shu电的稳态电rong电流仅由纹波电yayin起,量值很小,电缆的shu电长度几乎不受电rong电流的限制。 基于zhexieyou势,直流电缆shu电越来越受到电力行业关注,成为未来shu电发誫ou膔e点之一[2-3] 。虽然在蔰ao蕐un行中,电力电缆shu电的故障率ming显di于chuan统的jiakong线shu电,dan随譶uo缌Φ缋麓罅坑τ糜诘缌οdi骋约捌鋣un行shijian的延长,电力电缆线路发生故障的概率无疑会逐渐增jia。 而且,电力电缆一ban采用封闭式紧cu型设计,固体挤塑cai料绝缘或油纸构成的复合绝缘bao裹于密闭的外壳之中[4] ,发生故障后不yi定位、维修困难,rongyi造成停电事故扩大化,严重威胁电力蟙i硑un行an全。
电力电缆zhen断检ceji术(diagnostic testing),涵盖了电力电缆故障zhen断、定位以及电力电缆在shu电中 的状态监ce,利用它,一方面旨在kuai速zhen断出电缆已
发生故障的类型和位置,为电力电缆维修提供支持;另一方面,可评估电力电缆的yun行状态,及shi发现电缆yun行中存在的an全隐籮i醙ao电力电缆yun衳ie腶n全可靠性。
目前,国内外已发展出duo种电力电缆zhen断检ceji术,shi用于不同的电缆shi用环jing和电缆类型的故分析与状态监ce。 本文总jie常见的电力电缆lao化和故障原因,对目前常见的电力电缆zhen断检ceji术jia以shu理,进而探tao智能电网环jing下电力电缆zhen断检ceji术发展所面lin的机遇和挑战。
1 电力电缆lao化和故障的机理
电力电缆敷设后,受到电、re、机xie和环jing的zong合影响,daozhi其绝缘lao化,yun行可靠性下降,严重shi造成ji穿事故[5] 。 电力电缆lao化和故障,ji可能发生在电缆礿i錽hang,襜u赡芊⑸谄浣油穋hu。 表1 gui纳了电力电缆lao化和故障的诱因及发展机理[6] 。
表 1 电力电缆lao化和故障产生的机理
诱因名称 lao化或故障机理 示意图
温度过gao
电缆线路因过载而发re,电缆通道通feng不liang,电缆内bu气隙游lidaozhi局bu过redeng机xie损伤施工建设过cheng中受到外力,或由外界zi然力(ru地质活动) deng造成的损伤绝缘受潮
duo发生在电缆线路的排guan和接头chu,因制造工艺不liang,环jing潮湿,存在lie纹deng绝缘lao化电缆长shijianyun衳ie紌hi绝缘强度下降,介质损耗增大,出现relao化、电气lao化、机xielao化及化xuelao化deng
电ya过gao大气过电ya ( ruleiji),操作过电ya,屏蔽层ba痕,电缆内杂质或气泡deng电力电缆lao化和出现故障的原因复杂duo样,可由shang述的单一机理yin发,襜u赡苁莇uo种诱因gong同dao
zhi。 为提gao电力电缆yun衳ie目煽啃裕瓒砸逊⑸墓收蟢uai速、譲i穓ia以zhen断,找出故障的类型和位置,并及shi对故障电缆进衳ing蓿詑ian在可能发生的电缆故障,应通过对电缆的yun行状态进行有效的检ce和在线监cedeng,评估其lao化cheng度、qian在的故障类型及可能发生故障的位置,并尽zao采取措施避mian故障的发生。
2 常见的电力电缆zhen断检ceji术
2.1 jing典电桥法
jing典电桥法用于电力电缆故障zhen断和定位,其基本原理ru图 1 所示[7] 。 电力电缆终端故障相与非故障相短接,并将故障相和非故障相分别作为电莕uo缏返牧礁鰖u抗bi。 ru图 1,电莕uo缏匪母鯾i的zu抗分别为 R1、R2、R3 和 R4,调节 R2 蔳ou缜牌胶猓阌校篟1R2 =R3R4 (1)式中 R1 和 R2 的电zu謉eng非幸阎Ⅻbr/>图 1 以jing典电桥法zhen断电力电缆故障原理示意通常认为电缆zu抗与其长度成正比,设bei监ce
电缆长秗en L0 ,其近端与故障点jian相ju Lx,则有:R1R2 =2L0 -LxLx(2)qiu解式(2),可得到电缆近端与故障点jian的juli为:
Lx =2L0R2R1 +R2 (3)
实施电桥法的电桥又具体细分为dizu电桥、gaozu电桥和电rong电桥,分别用于对电力电缆的短路(dizu)故障、gaozu故障和开路故障的监ce。
2.2 shiyu行波反射法
shiyu行波反射法通过监ce电缆的zu抗bian化来确定故障点[8] 。 zhe种方法的工作原理类似于lei达,需要bei监ce电缆的近端注入一个kuai速脉冲信号,其在电缆中chuanshu,电缆故障点zu縢ou腷ian化,会daozhichuanshu信号抖动,ji而会产生一个反射信号。 反射信簄uo恼杭按笮。ue于故障点zu抗与电缆特征zu抗jian的关系。 通过比较原脉冲信号与反射信簄uo墓叵担扇范ü收系阄恢煤凸收系难现豤heng度。 具体地,表征故障点特征的参shu定义为:ρ =zd -z0zd +z0(4)式中 zd 为电缆故障点的zu抗;z0 是电缆的特征zu抗。
ρ 的最大值为 1,对应电缆开路;最小值为 -1,对应电缆短路;若deng于 0,表ming电缆无故障。 ρ 的具体量值大小,反映bei监ce电缆故障点chu故障的严重cheng度。
不同类型的故障,以shiyu行波反射法得到的反射波xing会不同。 图 2 以波xing的方式给出了若干种常见故障的pan定yi据。
蚸i 以shiyu行波反射法得到的常见故障pan定波xing采用shiyu波xing反射法,发射信号与反射信簄uo膕hijian差为 Δt,对应于行波从发射chu至故障点往返一次的shijianjian隔,故以zhe种方法可计算出电缆謝ie墓收系愕郊郼e脉冲信号发射点的juli,即:L =vΔt2 (5)式中 v 为所shi用行波脉冲信簄uo腸huan播速度。
2.3 恢复电ya法
恢复电ya法基于ru下考虑:电力电缆在施jia一定直流电裧ong⒎nuo绾螅幕指吹鐈a随shijian的bian化中baohan觴ie缋耹ao化和qian在故障的信息[9-10] 。 该方法的工作原理ru图 3 所示,首xian给beice电缆充电,即在一定shijian(约 15 min)内给beice电缆施jia 1 kV ~2 kV 的直流gao电ya充电,之后,jie助接地电zushi该电力电缆穘uo 2 s ~5 s,ce量其开路电ya即恢复电ya。图 3 恢复电ya法的工作原理示意
采用恢复电ya法shi,一ban定义电缆的lao化系shu为:D =Umax(2U0)Umax(U0) (6)
式中 Umax(2U0)为给电缆施jia 2U0 电ya充电下得到的最大恢复电ya;Umax (U0 )是施jia U0 充电得到的最大恢复电ya。 一ban地,D 的值在 2.0 ~2.5 shi,表mingbei监ce电缆的工作状态lianghao;D 在 2.5 ~3.0,其工作状态一ban;D 大于 3.0 后,即意味着bei监ce电缆lao化严重,已该检修或更换。
2.4 deng温松弛电流法
deng温松弛电流法关注gao裧ou缋碌恼錶ao化和浸水cheng度。 采用该方法shi,首xian将beice电缆用直流电ya(例ru 1 kV)充电,随后再jie助接地电zu穘uo 2 s ~5 s,随即ce量穘uo绲缌魉鎠hijianbian化的特性曲线,ce量shijian约 15 min ~30 min。
deng温松弛法的deng效原理ru图 4 所示[11-12] ,其謝ie 3 个电rong与电zu串联的支路分别代表了 3 种极化过cheng:C1 和 R1 对应主体极化;C2 和 R2 对应无定xing与晶体界面的影响;C3 和 R3 对应lao化造成的界面謝ie慕鹗粞魏退蟣izi的影响。 一ban地,采用 3 阶指shu衰减函shu对deng温松弛电流进行拟合,即:
i(t) =I0 +∑3
i =1aie-t /τi (7)
可见,松弛电流bei分解为 3 个不同shijian常shu的松弛电流分量之和,其中 ai、τi 与电介质的cai料特性有关;I0 为电缆穘uo缱钪沾锏狡胶鈙hi的稳态电流值。图 5 所示,deng温松弛法认为穘uo绲缌縝aohan 3 个分量 Q1 、Q2、Q3,对应于式(7)的 3 个电流分量,即分别对应于由电缆绝缘层、半礿i宀愫凸收系悴姆nuo绲缌鳌 zhe种方法定义的电缆lao化参shu为:
IRCA =Q1Q2图 4 deng温松弛法的deng效原理电路
一ban地,IRCA 的值小于 1.75 shi,对应电缆工作状态lianghao;IRCA 在 1.75 ~1.90 之jian,表ming电缆工作状态正常;IRCA 在 1.90 ~2.10 之jian,说ming电缆已出现lao化;而若 IRCA 大于 2.10,就意味譶uo缋乱蜒现豯ao化,需要及shi更换。
图 5 deng温松弛法穘uo绲缌糠至渴疽馔稽br/>2.5 tan δ 检ce法
tan δ 法ce量的是电力电缆电介质的损耗角。 一ban地,固定cai料的损耗角是确定祄o瑀u果能将该确定的损耗角的量值做参縥iü齝e量gao裧ou缋聐un行过cheng中损耗角的bian化,便可得到电缆yun行状态的估计参shu[13] 。
tan δ 检ce法的基本原理ru图 6 所示。 实施该方法shi,要在beice电缆shang施jia工频或超di频电ya,用仪器襮ian韈e量电ya与电流信簄uo南辔徊睿纱耍扇范ㄗ艿缌 I 謝ie某涞绶至 Ic 和损耗分量 Ir,即:tan δ =IrIc =2I-I2rIc (9)
tan δ 的量值与制成beice电缆所用绝缘cai料密切相关,一ban地,若 tan δ 小于 0.1%,表mingbeice电缆工作状态lianghao;tan δ 介于 0.1% ~5%之jian,对应于电缆工作虽huai算正常,dan已存在lao化jixiang;而ru果 tan δ 大于 5%,就意味譶uo缋耺ing显已lao化或已存在故障,应及shi维修或更换。
图 6 tan δ 检ce法的基本原理
huai有一种所谓gao级的电力电缆状态监ce tan δ法,又称介电谱法。 它的原理与 tan δ 法类似,dan与tan δ ce量法仅施jia单一频率电ya信号不同,是通过施jiaduo个不同频率的电ya信号,并扫描不同频率电ya信号作用下电缆电介质的损耗角,一起huo得更duo的电缆yun行状态信息。 一ban地,对介电谱的huo取,可采用两种不同的方法:一是采用bian频交流激励,通过ce量不同频聅hiだ碌鐈a与电流的相位差huo得;二是ce量直流电流激励下电缆电ya随shijianbian化的函shu,进而通过胹han疲郏保矗 ,将shiyuce量信息转化为频yu的谱信息。
2.6 局bu穘uo绶?br/>局bu穘uo绶ㄊ羌靋e电缆故障最常用的方法之,其deng效电路ru图 7 所示。 beice电缆故障chu的电rong用 3 个电rong来表征,其中 Ca 表示无故障下的电缆电rong值;Cb 为故障点的残余电rong;Cc 代表故障点的电rong;Sg 用于表征故障点chu的穘uo鏹ian隙。
图 7 实施局bu穘uo绶ǖ膁eng效电路
实施局bu穘uo绶╯hi,要在beice电力电缆shangjiagao电ya,以蔳ou玫缋鹿收匣蛉毕輈hu产生局bu穘uo纾nuo缧藕庞胏huan感器蟙i臣靋e、huo取后chuanshu至终端,再进行分析、chu理和pan断。 显然,采用zhe种方法至关重要祄o瞧渲xie腸huan感器蟙i骋芙献ji返豩uo取穘uo缧藕拧 为实现电力电缆状态监ce,人们已研发出duo种局bu穘uo缧藕與huan感器蟙i场Ⅻbr/>(1)实蟴hi龀宓缌鞣ǖ南咝择詈掀鳇br/>检ce局bu穘uo绲缌鞯穆龀宓缌鞣ǎ悄壳皐ei一有国約hi曜 IEC 60270 可yi的局bu穘uo缂靋e方法[16] 。 实施它shi,要采用线性耦合器采ji电缆电流行波信号,可实现ce量仪器与gaoya回路之jian的耦合,操作简单方便,且检ce分bian率较gao。
(2)实现声xue检ce法的声xue探ce器
电缆发生局bu穘uo鐂hi,电能shunjian得到释放,随即将在电缆中产生机xie波。 因此,电缆shang的局bu穘uo纾谝欢╟heng度shang可看作声波yuan。 ru此,利用声xue探ce仪器检ce提取所产生的声波特征,便可得到电缆故障的信息。 声xue信号属机xie波,长julice量衰减严重,故zhe种chuan感器蟙i掣黶hi于近juliru电缆接头故障的检ce[17] 。
(3)超gao频天线
在beice电缆的中jian接头或终端接头chu放置超gao频天线,它可耦合电缆的局bu穘uo绲绱挪ㄐ藕牛淦荡ǔT诎 MHz 到 GHz 量级[18] 。 超gao频天线可检ce频率很gao的信号,能有效避开di频噪声干扰,具有较gao的检celing敏度。
(4)铂电极对
在电缆绝缘接线盒两侧的护套shang各贴一对铂电极,就可采ji电缆局bu穘uo缧藕挪⑿Q槁龀錽hu入。
当局bu穘uo缭谝徊喾⑸鷖hi,另一侧电缆作为耦合电rong,縮han謆u穘uo缏龀遄鐈a信号,再jing过放大就便于监ce了[19] 。
(5)耦合chuan感器
耦合chuan感器可通过电rongchuan感器[20] 、方向chuan感器deng实现检ce信簄uo鸟詈希郏玻保 。 耦合信号幅度随shijian的bian化,可用于pan断beice电缆局bu穘uo缧藕nuo腸huan播方向,并最终确定beice电缆shang局bu穘uo绶⑸奈恢谩Ⅻbr/>2.7 整体穘uo绶?br/>整体穘uo绶ǖ募靋erenwuru图 8 所示[22] ,实施检ceshi,需要ce定充电电流 Ip 与所jia电ya Uch的关系、chushi衰减电ya Ud 的斜率 Sd 对充电电裧ou暮痵hudeng。
为此,定义的电缆yun行状态评估参shu为:
CV =IpIdpSd U1chCRdis ttdchp (10)中 Idp为穘uo绲缌鳎籆 是ce试电rong;Rdis代表穘uo绲鐉u;tch表征充电shijian;tdp为穘uo鐂hijian。
根据ce量原理,CV 的謉eng舸笥 10,表ming电缆yun行状态lianghao;CV 在 1 ~10 之jian,说ming电缆已有lao化jixiang,有qian在故障可能;而 CV 小于 1,就意味譶uo缋耹ao化严重或故障隐患ming显,需要及shi维修或更换。
图 8 整体穘uo绶ㄔ硎疽狳br/>2.8 直流lou电流检ce法
直流lou电流检ce法通过给电缆施jia直流电裧ong⑼絚e量lou电流来确定电缆的工作状态。 采用它,可评估gao裧ou缋碌恼鍄un行状态;襜u赏ü诓煌恢胏hujia载lou电流检ce装置,对电缆故障进行定位。为消除外界电磁干扰对检ce的影响,一ban采用duo电平直流信号作激励,通过比较不同电平下lou电流的bian化,可提gao检ce譲i范龋郏玻常 。 ru图 9 所示,给电缆施jia正、负直流电ya,jingshijian t0 后,ce量极化电流和去极化电流的差值 Idc(t0)。
图 9 直流lou电流检ce法原理
为反映电缆lao化qing况,可定义极化电流系shu为:η=Idc(t0 )Idc0(t0) (11)式中 Idc0( t0 ) 为参考电缆的极化和去极化电流的差值。 基于检ce原理,若 η=1,表ming电缆无ming显lao化;1 <ηi保埃韒ing电缆中度lao化;η>10,则说ming电缆已lao化严重或故障隐患ming显,需要及shi维修和更换。
2.9 绝缘耐ya法
zhe种方法又细分为简单绝缘耐ya法和监控绝缘耐ya法。 其中,简单绝缘耐ya法短shijian内在电缆shang施jia 1.5 ~3 bei正常工作电裧ou恼一蚍讲ǖ鐈a,检ce电缆能否在此电ya下正常yun行,ji而得到额定电ya下电缆yun行正常与否的jie论。 由于未能具体量化电缆yun行状态指标,IEEE 未将该方法确定为电缆故障检ce的标准方法,dan其检cejie果,对pan定电缆是否需要维修更换具有参縥i壑怠 实施简单绝缘耐ya法,较短shijian能huo得电缆工作正常否的定性pan断,dan不能给出定量的合格与否的jie论。 而监控绝缘耐ya法则不然,它能pan断电缆yun行状态正常与否之同shi,huai能ce量出电缆电介质cai料的介电率、局放特性以及 tan δ deng参shu。
3 jieshu语
随着智能电网和能yuanhu联网的kuai速发展,电力行业的发展迎来了前所未觴ie幕龊吞粽健 作为电力蟙i持匾哪芰縞huanshu载体,电力电缆的yun行an全至关重要。 在未来,对电力电缆的zhen断检ce,将向着实shi、在线、智能化、网络化deng方向发展,zhexie发展趋势可bei描述为ru下几点:
(1)电力电缆在线监ceji术。 现觴ie牡缌Φ缋聑hen断检ce方法大duo属li线检ce。 随着网络化、信息化ji术的应用,对电力电缆进行在线监ce将成为可能。 实施电力电缆在线监ce,应充分考虑电缆的频带特性,所用激励信簄uo钠德视×吭秎i工频。 例ru,可在电缆正常yun行下发射gao频脉冲(shiyu行波反射法),以实现检ce信号与电能chuanshu的jianrong。
(2)电力电缆yun行状态实shishu据查询。 实现电力电缆在线监ce后,更需要建立统一的shu据guan理平台,见图 10,即,通过有线或无线方式,实现监ceshu据的hu联和gong享,并逐步建立电力电缆状态监ceshu据库,jie合大shu据分析,以更为譲i返仄拦篮驮e电力电缆的yun行状况。
(3)duo种电力电缆zhen断检ceji术联合。 由于不同的电缆zhen断检ceji术的譲i沸允芫咛錬eice对xiang和检ce环jingdeng的限制,均不同cheng度地存在检ce盲区。将duo种zhen断检ceji术联合shi用,可有效fu盖单一方法的不足,huo得更gao的检ce譲i沸院涂煽啃浴Ⅻbr/>(4)电力电缆yun行故障的zi动识别。 在所建立的电力电缆在线监ce平台shang,应具备智能zhuan家蟙i常荚诟菁靋e信簄uo腷ian化特征,zi动匹配并识别相应的故障;且更进一步地,可在识别出具体故障后做出及shi响应,以防止故障影响的扩大化。
(5)直流电力电缆zhen断检ceji术。 ru前所述,基于种种you点,直流电缆shu电已越来越受到电力行业重视。 然而,目前的电缆zhen断检ceji术均是针对交流电力电缆的。 及zao研jiu直流电缆yun行、lao化和故障产生机理,并提出相应检ceji术和在线监ce方案,无疑是该领yu今后的重要renwu。
图 10 电力电缆状态监ceshu据guan理平台
 

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