XLPE电缆在线监测系统的研究

由于不同电压等级的电力系统的变压器的接地方式不 同， 会影响高压电缆绝缘在线监测方法的最终选择。从以上的 介绍和分析， 可以得出以下结论:
1、直流成分法适用于各种电压等 级 的 电 缆 绝 缘 系 统 的 在 线监测， 但由于杂散电流的干扰和微小电流的提取困难等因 素， 不适合电力系统的实际应用。
2、直 流 叠 加 法 适 用 于 低 压 电 缆 绝 缘 系 统 的 监 测 ， 由 于 不 能解决接地方式和直流信号加载之间的矛盾， 不适合高压电 力系统的实际应用。
本文 在 对 几 种 目 前 存 在 的 XLPE 电 缆 绝 缘 在 线 监 测 方 法 进行研究的基础上， 提出了基于差频法的在线监测方案， 从而 为更好的实际运用电缆绝缘故障在线监测技术， 为电力系统 安 全 、方 便 、迅 捷 的 排 除 电 缆 故 障 提 供 有 利 的 理 论 依 据 。
用下， 水树枝前端的负电荷逐渐向对方漂移， 就像整流作用那 样出现了直流成分但数值很小， 仅有几到几十纳安。水树枝的 发展促使泄漏电流的增加， 这样的劣化过程导致交流击穿电 压的下降。
在由电源线、电缆导芯、电缆绝缘层和护层、电 缆 接 地 线 、 GPT(接 地 保 护 用 电 压 互 感 器)、电 源 线 构 成 的 回 路 中 通 过 微 电 流测量装置可以测出此电流。微电流测量装置应并联有低通 滤波器及接地保护装置， 以衰减交流成分， 分检出直流成分。 因为直流成分是运行中的电缆的固有特性， 所以， 该法适用于 中 、高 电 压 等 级 的 电 缆 监 测 。
直流叠加法的基本原理是在变电站变压器的中性接地点 处或者是母线处， 通过电压互感器将低压直流电源叠加在电 缆绝缘己施加的交流相电压上， 并通过并联一高压电容来免 除交流高压对直流电源的影响。通过测量流过电缆绝缘的直 流电流来求出电缆的绝缘电阻， 从而实现电缆的在线诊断。为 了 防 止 直 流 电 压 影 响 GPT 二 次 线 圈 开 口 三 角 的 输 出 电 压 ， 所 以， 直流电压不能很高， 大约为 10~15V 。由于电缆绝缘处于交 流高压的作用之下， 尽管所加电压不高， 仍能真实反应绝缘的 实际状况。
２ ＸＬＰＥ 电 缆 绝 缘 现 场 检 测 方 法 及 比 较
２．１ 直流成分法在线监测技术原理及方法 XLPE 电力电缆的绝缘会由于化学、热和电气等因素而劣
化 。水 树 现 象 被 认 为 是 老 化 的 重 要 原 因 之 一 。因 此 一 些 研 究 者 认为 XLPE 电缆 绝 缘 老 化 诊 断 的 主 要 工 作 是 如 何 在 击 穿 之 前 监测到水树。
在正常运行电压下， XLPE 电缆的直流分量很微弱。当护 套绝缘不良或浸水时， 铜屏蔽层与镀锌钢带间会产生原电池， 再加上外界的电磁场干扰与静电感应， 都会产生杂散电流， 而 这个电流的大小可以和由水树枝产生的直流成分相比拟。这 将最终影响到测量结果的真实性。 ２．２ 直流叠加法在线监测技术原理及方法
［关键词］ 绝缘故障； 在线监测； 差频法； 模拟试验
１ 前言
电力电缆在运行过程中， 必然要出现绝缘老化现象， 甚至 发生绝缘击穿， 引起供电线路的突发停电事故。绝缘老化的本 质是材料性能发生不可逆转的改变， 影响老化的因素一般涉 及热、电、机械与环境等方面。电力电缆的故障不是一 下 发 展 起来的， 而是由于长期运行造成绝缘老化而最终导致击穿。在 考虑 XLPE 电缆寿命 时 ， 把 终 端 头 、接 头 不 良 这 类 早 期 故 障 和 外力破坏事故等排除， 就可以认为现场绝缘诊断应以水树老 化为主。即 水 树 枝 老 化 被 认 为 是 造 成 XLPE 电 缆 在 运 行 中 被 击穿的主要原因。
118 2008.4（ 总第 97 期）
研究与探讨
T0
XLPE 电缆
广西电业
GUANG XIDIAN YE
调频 信号源
上位机
T1
（ 显示）
A
B
检测 装置
数据 采集
图 １ ＸＬＰ Ｅ 电缆的差频法在线检测实验图
电缆屏蔽 电缆接地
滤波电路 保护电路
检波 电路
滤波电路 放大电路
数据 采集
图 ２ 检测装置电路框图
差频在线监测法的检测方式与直流法相似， 在工频交流 电下叠加低频电压， 观察其对老化电缆的响应程度。针对目前 国内外研究的低频叠加采用不同频段和波形试探的现状下， 寻求出真正能体现电缆老化程度的低频加载信号。近来， 有研 究 发 现 在 同 时 对 含 水 树 枝 XLPE 电 缆 施 加 两 个 频 率 相 近 或 相 似呈倍数关系的正弦电压时， 检测回路中会有超低频水树劣 化特征电流信号产生， 据此可对电缆绝缘的水树枝老化状态 进行在线诊断， 这就是差频监测技术的理论基础。如果施加 50H z工频电压叠加上去的话， 形成的信号会淹没在工频供电 的系统中， 所以采用 100H z左右的低频低压电源供电。该方法 可以用在不同电压等级的电缆线上， 根据电力电网的实际接 线方式， 不同的电压等级需要在不同的部位叠加低频信号。 10kV 电缆可以采用 类 似 于 直 流 叠 加 法 ， 即 通 过 消 弧 线 圈 的 零 序 PT 叠加;110kV/220kV 电缆可以在电网 PT 二次测开口三角 端注入变频恒流信号。差频技术的主要难点在于研制一个有 利于研究并且能工作在现场的频段可调的变频电源和寻找有 效的变频信号叠加位置以及大小。该方法的测量方式如图 1 所示。
研究与探讨
广西电业
GUANG XIDIAN YE
X LPE 电缆绝缘故障在线监测系统的研究
廖远忠
（ 柳州供电局，广西 柳州市 ５４５００５）
［摘 要］ 本文分析了目前各种电力电缆绝缘故障在线监测方法的利弊， 提出基于差频法的在线监测方案， 并进行模拟试 验 和分析， 验证了该方案的合理性和试验装置的实用性， 为电力电缆绝缘故障在线监测研究提供了新的思路。
由于实验条件限制， 本实验选取一个长为 10m 左右的 6. 6kV 电 压 轻 微 老 化 的 电 缆(1# 电 缆 样 品)和 一 根 从 现 场 拆 卸 下 来的绝缘劣化严重的电缆(2# 电缆样品)作为本次实验的样品。 将从采集卡获取的数据送入 M atlab 处理。含有水树枝的未完 全劣化 XLPE 电缆的波形图如图 3、图 4 所示。图 3 的采样数 据来自于图 1 所示的 A 点， 即未通过微小电流检测系统的取 样电容上的波形数据。从图 3 上半部分的时域图中， 可以看到
tan& 介损反映了电缆 绝 缘 性 能 的 整 体 缺 陷 水 平 ， 是 目 前 电力系统对于电容性设备的绝缘水平的一种主要评判标准。 该方法的原理很简单， 获取电压互感器 PT 上或者高压电阻杆 上的电压信号和流过绝缘的电流(通过电流互感器)信 号 ， 再 通 过数字化测量装置来检测出两种信号的角差即可。但是， 在实 现的过程中对监测仪器的精度要求比较苛刻。部分水树的生 长没有击穿时， 引起的绝缘电阻的减少， 也很难引起 tan’ 的变 化。这将造成在线监测的盲区， 不利于具体判断绝缘的老化部 位， 大大降低了检测精度。由于 tan( 介损法是电缆本身的属 性， 所以它可以用在任何电压等级的电缆上。 ２．５ 差频法在线监测技术原理及方法
记录 波形
数字 显示
调频电源和检测装置构成。电源由工频动力电源和自制调频 电源构成。检测装置由采样电路、滤波电路、检 波 电 路 和 放 大 电路等构成。检测装置框图如图 2 所示。 ３．１ 调频信号的最佳幅频值
最佳调频电压的求取是以在额定工频电压下含水树枝电 缆所呈现的绝缘电阻最小值时的电压值。经过多次的实验， 使 含水树枝 XLPE 电缆电导电流达到最大或绝缘电阻达到最小， 调频电压的取值大约在 37V 左右。最佳调频信号的频率是以 在额定工频电压下含水树枝电缆所呈现的低频信号最大值时 的频率值。经过反复的实验， 使含水树枝 XLPE 电缆的低频信 号达到最大值时的频率为 101.4H z。 ３．２ 电缆试验的数据处理
3、局部放电法是电缆绝缘老化的 有 效 判 别 方 法 。 在 无 法 很好的解决电力系统的干扰时， 电力电缆的局部放电试验只 能作为电缆产品出厂前质量评定的手段且局限在屏蔽良好的 试验室进行， 无法用于现场检测。
4、 介 质 损 耗 角 是 电 容 性 设 备 的 绝 缘 检 测 的 主 要 手 段 之 一。但由于反映的是电缆绝缘性能的整体缺陷水平， 无法反映 局部电缆绝缘裂化程度。所以其检测精度不高。
由于现场干扰在短时间内的量是一定的， 所以通过直流 电压的正反叠加， 获得两次测量的差值既为实际值的两倍， 这 样就有效地抑制了各种干扰， 如杂散电流的影响。该方法已经 成功的应用在 10kV 及以下的中压电缆上， 但对于变压器的中 性点直接接地的 110kV/220kV 高压电缆却无法加载上 去 。 因 为 中 性 点 直 接 接 地 电 阻 很 小 ， 直 流 电 压 很 难 加 上 去 ， 而 PT 上 的开口三角也无法加载直流电压。所以， 直流叠加法适用于低
在交流电压作用下， 消耗于绝缘中的有功功率， 叫做介质 损耗。绝缘的介质损耗角正切 tan! 的物理意义可以通过在绝 缘上的交流电压 U 与绝缘中通过的电流 I之间的矢量关系来 解释。设电流与电压的夹角为 "。电流 I矢量可以分解为两个 分量:Ip=Icos#， 与电压矢量相垂直， 代表电缆的纯电容电流， 是 电 流 的 无 功 分 量 ； Ia=Isin$， 与 电 压 矢 量 相 垂 直 平 行 ， 是 电 流 的 有功分量。介质损耗角正切 tan% 是电流的有功分量和无功分 量的比。允许载流量减少， 对超高压电缆， 介质损耗是限制载 流量和影响绝缘热击穿的主要因素。它的变化还是电缆绝缘 老化的标志之一。
已发现， 当 运 行 中 的 XLPE 电 缆 绝 缘 含 有 水 树 枝 时 ， 小 直 流成分存在于导体芯和铜屏蔽之间， 并且该直流成分是绝缘 中水树引起的裂化特征。通过测量直流成分， 诊断绝缘老化作 在时的整流效应。在外施电压的负半周期时， 水树枝由 尖端向绝缘中注入较多的负电荷， 而在正半周期时注入的正 电荷较少， 以至仅中和了一部分电荷。在电缆运行工频电压作