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第五章 電力電纜在線監(jiān)測(cè)與診斷,1,本章內(nèi)容,概述 電纜絕緣的劣化和診斷內(nèi)容 電纜絕緣的在線監(jiān)測(cè) 電纜的故障定位方法,2,§5.1 概述,3,3,什么是電力電纜？,架空線電力電纜,,電力傳輸通道,4,為什么使用電纜？,輸電通道小 不受環(huán)境污染影響 可靠性高 對(duì)人身及周圍環(huán)境干擾小 特殊應(yīng)用環(huán)境,,使用電纜的優(yōu)點(diǎn),5,,制造工藝復(fù)雜 造價(jià)高 施工維修麻煩,,使用電纜的缺點(diǎn),6,電力電纜發(fā)展簡(jiǎn)史,,7,電力電纜的使用至今已有百余年歷史。1879年 愛迪生首次使用電纜實(shí)現(xiàn)地下輸電。 1911年 德國(guó)敷設(shè)60kV高壓電纜。 1913年 霍希施泰特研制成分相屏蔽電纜。 1981年 研制成1000kV的特高壓電力電纜。,8,XLPE電纜,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 無(wú)敷設(shè)落差限制 安裝維護(hù)方便 1952年：發(fā)明XLPE材料 1957年：GE制成XLPE電纜 50年代末：第一代工藝 | 濕法交聯(lián) 70年代末：第二代工藝 | 干式交聯(lián) 80年代中后期：第三代工藝 | 凈化材料,自動(dòng)控制,9,電纜的種類,油紙絕緣電纜 氣體絕緣電纜 塑料絕緣電纜,,10,聚氯乙烯電纜 聚乙烯電纜 XLPE（交聯(lián)聚乙烯電纜）,,塑料絕緣電纜,1. 電力電纜合計(jì),2. XLPE電纜,3. 油紙電纜,11,交聯(lián)聚乙烯電纜,XLPE， cross linked polyethylene ? 30余年歷史 ? 性能優(yōu)良、工藝簡(jiǎn)單、安裝方便 ? 得到廣泛應(yīng)用,12,XLIE電纜的基本結(jié)構(gòu),13,交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜結(jié)構(gòu)示意圖,1、導(dǎo)體 2、導(dǎo)體屏蔽 3、交聯(lián)聚乙烯絕緣 4、絕緣屏蔽 5、金屬屏蔽 6、填充 7、內(nèi)襯層 8、鎧裝層 9、外護(hù)套,14,導(dǎo)電線芯：高導(dǎo)電率材料，絞線承圓形或扇形截面。 絕緣層：高電阻率材料，tg?、? 低而電氣強(qiáng)度Eb高的油浸紙、橡皮或塑料。 密封護(hù)套：保護(hù)絕緣線芯免受機(jī)械、水分、化學(xué)等的損傷，有時(shí)外部還有保護(hù)覆蓋層。 半導(dǎo)體層的作用：均勻電場(chǎng)，它可以克服電暈及游離放電，使芯線與絕緣層之間有良好的過(guò)渡。,15,,,,16,電纜敷設(shè)情況,17,電纜故障率 按電壓等級(jí),18,電纜故障率 按運(yùn)行時(shí)間,,19,電纜故障原因,§5.2 電纜絕緣的劣化和診斷內(nèi)容,20,,水樹枝劣化的監(jiān)測(cè)方法： ●Detection of bridged water tree On-line diagnostic methods ●Detection of un-bridged water tree Off-line diagnostic methods,交聯(lián)聚乙烯電纜的壽命,,,BDV of cable with bridged WT,電壓壽命極限,Bridged water tree,Un-bridged water tree,,,BDV; 10-20kV,,Electrical tree,,Insulation layer,,Insulation layer,21,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水樹枝劣化特性如下： （l）僅發(fā)生在6kV以上的高壓交聯(lián)聚乙烯電纜中。 （2）從投運(yùn)到破壞的時(shí)間需要數(shù)年至十幾年，大多數(shù)在10年以上。 （3）貫通絕緣體的水樹枝狀劣化，大部分能維持正常工作電壓以上的電壓值，只有在發(fā)生脈沖電壓等異常電壓時(shí)才產(chǎn)生破壞。 （4）環(huán)境溫度高時(shí)，劣化進(jìn)程加快。,因此對(duì)電力電纜絕緣本體進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)是可行的，也是必要的。,§5.3 電纜絕緣的在線監(jiān)測(cè),22,? 離線方法 ? 直流法 ? 工頻法 ? 低頻法 ? 綜合判斷法,電力電纜監(jiān)測(cè)和診斷方法,23,對(duì)已運(yùn)行油紙電力電纜的試驗(yàn)項(xiàng)目,24,XLPE預(yù)試時(shí)不宜用直流耐壓,運(yùn)行后常有（電、水）樹枝生成 直流耐壓時(shí)沿樹枝有電荷注入 XLPE電阻率極高，短路時(shí)電荷放不完 再加交流時(shí)電場(chǎng)畸變，更易擊穿,25,XLPE幾種停電預(yù)試方案,用超低頻0.1Hz測(cè)tanδ及耐壓 用交流（串聯(lián)諧振）測(cè)tanδ及耐壓 用振蕩波試驗(yàn)?zāi)蛪?測(cè)回復(fù)電壓 測(cè)極化去極化電流 測(cè)損耗電流中的諧波分量,26,回復(fù)電壓的測(cè)量方法,27,回復(fù)電壓實(shí)例,28,Tettex 5462,29,極化去極化電流測(cè)量原理,30,極化去極化電流典型曲線,31,PDC-ANALYSER-1MOD,32,絕緣連接盒兩側(cè)接成差分法以測(cè)量局放,33,一種電纜檢測(cè)系統(tǒng),34,水樹枝檢測(cè)方法,DC leakage ＞ AC superposition ≒ LF superposition ＞ DC superposition ? DC component,針對(duì)形成橋路的水樹枝探測(cè)效果,:,35,直流泄漏電流,試驗(yàn)線路,,,cable,,guard electrode,,,,,terminal,,,,DC power supply (buttery),,,recorder,判斷標(biāo)準(zhǔn),36,,,直流泄漏電流 (μA),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Un-bridged water tree,Bridged water tree,Applied stress ; 1kV/mm,0.001,0.01,0.1,1,Accumulation probability (%),10,20,50,90,●One bridged water tree can pass the DC leakage current of about 0.1 μA. ●Un-bridged water trees can hardly pass the DC leakage current.,直流泄漏電流,37,,直流法,? 直流成分電流監(jiān)測(cè) ? 直流疊加法 ? 直流電橋法,38,,直流成分法機(jī)理,電纜中存在水樹時(shí)，類似尖?板電極具有整流作用。因此在工作電壓下，電纜絕緣中將流過(guò)微小的直流電流。根據(jù)這一電流的數(shù)值，既可判斷電纜中水樹的發(fā)展?fàn)顩r。,直流成分電流監(jiān)測(cè),,39,,TR 配電變壓器 GPT 接地保護(hù)用 電壓互感器 M 直流微電流 檢測(cè)裝置 (nA級(jí)),回路中流通微弱的直流成分電流,直流成分電流監(jiān)測(cè)原理接線,直流成分電流監(jiān)測(cè),40,,微電流測(cè)量裝置 ? 微電流測(cè)量?jī)x ? 低通濾波器 衰減交流成分、檢出直流成分 ? 接地保護(hù)裝置 保證試驗(yàn)人員和裝置的安全,直流成分電流監(jiān)測(cè),,41,,直流成分電流監(jiān)測(cè),,42,,判斷規(guī)則 直流成分電流 ? 小于1 nA ? 絕緣良好 ? 大于100 nA ? 絕緣不良 ? 介于兩者間 ? 加強(qiáng)監(jiān)測(cè),直流成分電流監(jiān)測(cè),43,,,護(hù)層與地之間有化學(xué)電勢(shì)Es,直流成分電流監(jiān)測(cè),44,,,? 護(hù)層與電纜絕緣護(hù)層的絕緣電阻下降 ? M中將流過(guò)雜散電流 ? 通常Es不超過(guò) 0.5 V ? 當(dāng)護(hù)層絕緣電阻小于200?500 M? ? 雜散電流將影響診斷的可靠性,45,,直流法 ? 直流疊加法,借助電抗器將直流電壓在線疊加于電纜絕緣測(cè)量直流疊加電流。,46,,? 防止影響GPT二次輸出電壓 ? 直流電壓不能很高，約10?50 V ? 直流電壓不高 電纜絕緣處于交流高壓作用下 ? 真實(shí)反映絕緣的實(shí)際狀況,直流疊加法,47,,6 kV XLPE電纜 直流疊加電流 與 水樹長(zhǎng)度 的關(guān)系,直流疊加法,48,,? 保證安全 L、C 調(diào)諧于50 Hz ? 雜散電流Es的影響 ? 正、反向 疊加直流 電壓消除,直流疊加法,49,,判斷規(guī)則 測(cè)得絕緣電阻 ? 大于1000 M? ? 絕緣良好 ? 小于10 M? ? 絕緣不良 ? 介于兩者間 ? 加強(qiáng)監(jiān)測(cè) 試驗(yàn)證明：用直流疊加法測(cè)得的絕緣電阻與停電后加直流高壓時(shí)的測(cè)試結(jié)果很相近。,直流疊加法,50,,Test circuit,,,DC power supply,,Measuring equipment,,cable,,,●DC 5 - 50V is superimposed on the high voltage in service. ●DC component in leakage current is measured.,,,Resistance measured by DC superposition method (MΩ),,Resistance measured by DC leakage current (MΩ),Relationship between DC superposition method and DC leakage current.,DC Superposition Method,●DC leakage current is highly sensitivity.,51,,,,,,,Resistance (MΩ),Resistance (MΩ),Time,Time,Time change of DC superposition current,,,,Problem ●This method tends to be influenced by the stray current or corruption of the terminal. ●Measured value will change with measurement time or humidity very much.●The trend management by on-line diagnosis is required.,,,DC Superposition Method,52,直流法 ? 直流電橋法,測(cè)量電纜絕緣電阻的電橋接線,53,,? 電橋平衡 ? Rx = (E1-V4) R2 / V4 設(shè)E1為20 V， V4為1 mV，R2為50 M? Rx最大可測(cè)到100 000 M? ? 防止直流電壓對(duì)GPT的有害影響,直流電橋法,54,,? Es影響的消除 調(diào)節(jié)R4及E0 ? V0指示為零 ? 其他設(shè)備的絕緣電阻與R3并聯(lián) R3之值并不參與計(jì)算 其他設(shè)備的絕緣電阻不影響測(cè)量結(jié)果,直流電橋法,55,,? 加于電纜的電壓信號(hào)(通過(guò)電壓互感器取出) ? 流過(guò)絕緣的電流信號(hào)(通過(guò)電流互感器取出) ? 通過(guò)數(shù)字化測(cè)量裝置 ? 電纜絕緣的tg?,工頻法 ? 介損因數(shù)法,56,,什么是介質(zhì)損耗角 ( tan d) ??,time/sec,,0,10,電壓,電流,,,,,,,,,=,介質(zhì)損耗角 tanδ,,=,,有功功率,,無(wú)功功率,,57,,,受潮對(duì)tan?的影響,58,,,溫度對(duì)tan?的影響,59,,,6 kV XLPE電纜交流擊穿電壓 與在線測(cè)得 tg? 間的關(guān)系,60,,,統(tǒng)計(jì)分析表明 ? tg?大于1% ? 絕緣不良,61,,如果滿足以下條件，電纜狀態(tài)正常 : tan d (2 U0) 1.2 ‰ and,[tan d (2 Uo) - tan d (Uo)] 0.6 ‰,如果發(fā)生以下情況，則電纜處于故障狀態(tài) (須立即更換） :tan d (2 Uo) 3 2.2 ‰ or,[tan d (2 Uo) - tan d (Uo)] 3 1.0 ‰,對(duì)于 XLPE 電纜這一標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的。,XLPE的 tan d標(biāo)準(zhǔn),62,,工頻法 ? 局部放電法,? 試驗(yàn)分析證明 絕緣中的電樹枝達(dá)到0.5 mm時(shí) 局部放電量約100 pC ? 由?-q、?-n、q-n、或?-q-n譜圖 ? 判斷電纜狀態(tài) ? ? 放電相位，q ? 放電量，n ? 重復(fù)率,63,,,,? 偏斜度s 在4個(gè)象限中 的分布 ? 預(yù)測(cè)樹枝的 延伸發(fā)展情況 ? P點(diǎn)進(jìn)入第3象限 ? 絕緣進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài),64,,? 水樹 ? 流經(jīng)電纜絕緣 的電流也含有 低頻成分 ? 根據(jù)頻譜分析 頻率在10 Hz , 特別在3 Hz以下.,低頻法 ? 低頻成分法,65,,? 在電纜接地線中串接入測(cè)量裝置 由測(cè)得的低頻電流診斷絕緣 ? 低頻電流也是納安級(jí) 對(duì)測(cè)量裝置要求較高,66,,低頻法 ? 低頻疊加法,? 避免直流微電流測(cè)量上的困難 將7.5 Hz、20 V的低頻電壓 在線疊加于電纜 ? 在電纜接地線中串接入測(cè)量裝置 ? 絕緣電阻值,67,,低頻疊加法6 kV電纜絕緣電阻 與工頻擊穿電壓的關(guān)系,68,,判斷規(guī)則 ? 絕緣電阻大于1 000 M? ? 性能良好 ? 絕緣電阻小于1 000 M? ? 性能下降 ? 絕緣電阻小于400 M? ? 電纜應(yīng)立即更換,69,,綜合判斷法,? 絕緣狀態(tài)與特性參數(shù)間的統(tǒng)計(jì)分散性 僅用一種方法診斷絕緣 ? 漏判和錯(cuò)判的可能 ? 采用幾種方法，互相配合進(jìn)行復(fù)合診斷 ? 可提高診斷的正確性 ? 采用包含直流疊加法、tg?法和局部放電法的復(fù)合診斷 ? 診斷的準(zhǔn)確率高達(dá)95%以上,70,,電纜故障的演變,? 早期電纜本體故障為主 ? 近期電纜負(fù)荷過(guò)載性故障較多 ? 目前電纜附件故障已成為重要故障原因。 電纜終端或中間接頭出現(xiàn)放電點(diǎn) 電纜終端或中間接頭出現(xiàn)過(guò)熱點(diǎn) 電纜外護(hù)層絕緣不良導(dǎo)致的環(huán)流故障,71,,對(duì)電纜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的要求,? 實(shí)時(shí)報(bào)警 ? 故障精確定位 ? 綜合監(jiān)測(cè)（溫度、煙霧、放電等）,72,,●Among on-line diagnostic methods, the detection sensitivity to bridged water tree is high. ●This method is strong in a noise. ●High voltage work is unnecessary.,AC Superposition Method,On-site measurement results,,Measuring equipments,●Measuring time; 20 min. ●Weight; 40kg ●Power supply; 50/60Hz 100V,,73,,Loss Current Method,,HV,,Current which flows on a cable,,,,(Loss current),,(Capacity current),,Test circuit,●Only the waveform for loss current is observed by comparing a current phase with a voltage phase. ●The peak value I3 and phase difference angle θ3 to the basic wave of the 3rd harmonics current wave are used as an index of a degradation judging.,74,,●The ac loss current wave is distorted by water tree. (The occurrence of harmonics) ●Harmonic current changes according to the growth of water tree. (I3 : small → large, θ3 : － → 0°) The level of water tree deterioration is judged by harmonic.,,,,,,,Short WT Ｉ3 ： small Θ3 ： LargeBDV : High,Long WT Ｉ3 ： Large Θ3 ： SmallBDV : Low,,,Loss Current Method,,Non degradation,Relationship between water tree degradation and loss current waveform,75,,Loss Current Method,Result of diagnosis using removed cables,●Rate of correct answers : 92% ●The poor cable is not judged to be good. (The breakdown in service after diagnosis is avoidable.),76,Residual Charge Method,Test circuit,Residual charge signal,1.Application of DC pre-stress voltage （①） ?Charge is accumulated in the insulation layer including water tree. 2.Short-circuiting (Earth) （②） ?Accumulated charge in the insulation layer is discharged, but trapped charge in water tree region is not released. ( The existence of residual charge) 3.Application in steps of AC voltage （③） ?Trapped charge is released from water tree region. ?DC component current by residual charge is measured.,,③,(DC component current),,DC current,Procedure of measurement,77,,●The highest voltage value that residual charge is detected is used as the index to estimate the degree of water tree deterioration.,,Residual Charge Method,Procedure of voltage application,Release of residual charge,●Trapped charge in long water tree (heavy deteriorated water tree region) requires a higher voltage application to be released.,①,②,③,78,Residual Charge Method,Sample①,Sample②,,,,,,,Measurement results of residual charge,,,,,Relationship between Er and EBD,,Max. released stress of residual charge, Er (kV/mm),AC breakdown stress, EBD (kV/mm),,,,,,,AC applied voltage (kV),AC applied voltage (kV),Residual charge (nC),Residual charge (nC),,● EBD decreases along with the increases in Er.,79,,,Residual Charge Method,Schematic diagram,On-site examination,●Diagnosis is automatically performed by PC. ●Diagnostic result is displayed on PC for a short time.,●Total weight ; 4 ton or less ●Max. load ; 1.4μF ●Power source ; 200V/100V, 10kVA or less,80,Comparison of On-line Diagnosis and Off-line Diagnosis,,,81,,Effective Example of On-line Diagnosis,On-line degradation diagnosis of a XLPE cable,●Data changes with measurement time a lot. In the case of fixed diagnosis, an incorrect judging may be carried out. (Measurement data needs to be trend managed.),,,Resistance (MΩ),Time,,,,,Resistance (MΩ),Time,,,82,一些新型方法,分布式光纖溫度傳感器 基于Faraday效應(yīng)的光磁場(chǎng)傳感器 0.1Hz超低頻余弦波耐壓試驗(yàn) 高壓電纜局部放電故障定位 使用噪聲減輕系統(tǒng)進(jìn)行電纜局部放電的故障定位技術(shù),83,DTS安裝,DTS – 原理230kV電纜表面溫度,,84,,85,,86,,,Layout of laboratory test system,實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,6.6kV/LV transformers (1MVA x 2),Cables under test (Maximum current 2kA),Three phase 0-230V variac (75kVA),400V, 100A supply,87,,6.6kV/LV Transformers,Cables in trench,,Thermocouples,,Thermocouple on cable surface and core,The 3600 paperless temperature recorder,,88,,應(yīng)用–熱點(diǎn)定位,,,Located hotspot and site conditions,Layout of circuit installation,,,89,5. Conclusion,,應(yīng)用II – 電纜負(fù)荷預(yù)測(cè),,With the optimised soil parameters, the cable rating under various emergency load conditions could be readily predicated:when the cables are subjected to the 120%, 150% and 200% nominated loading current (1255A), the circuit can take 120% of emergency load for 26.8 hours, 150% for 8.09 hours and 200% for around 2.77 hours.,Predicated conductor temperature under different overload conditions,,,,§5.4 電纜的故障定位方法,90,XLPE交聯(lián)電纜離線測(cè)試系統(tǒng),局放測(cè)試加壓過(guò)程,92,,振蕩交流電壓法—— DAC,,C,c,L,S,Process Control Unit,Data Storage,PD Analysis,Dielectric losses,estimation,,HV Source,,HV Solid,-,State Switch,,Inductor,,Test Object: Power Cable,,HV Divider,PD Coupling Capacitor,PD detector,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Embedded PC,Data Storage,PD Analysis,Dielectric losses,estimation,,HV Source,,HV Solid,-,State Switch,,Inductor,,,HV Divider,PD Coupling Capacitor,adaptive PD detector,,,,,,C,c,L,S,,,,,,,,,,200 MHz AD Converter,Test Object: power cable,,頻率范圍： 50～500Hz,93,連續(xù)交流和振蕩波法的局放參數(shù)很相似,PDIV of several PD faults at 50 Hz AC and 600 Hz DAC,94,新型振蕩波測(cè)試系統(tǒng),OWTS M 28 28 kV peak voltage,OWTS M 60 60 kV peak voltage,Thank you,95,