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第五章 電力電纜在線監(jiān)測與診斷,1,本章內容,概述 電纜絕緣的劣化和診斷內容 電纜絕緣的在線監(jiān)測 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 對人身及周圍環(huán)境干擾小 特殊應用環(huán)境,,使用電纜的優(yōu)點,5,,制造工藝復雜 造價高 施工維修麻煩,,使用電纜的缺點,6,電力電纜發(fā)展簡史,,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現地下輸電。 1911年 德國敷設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,結構簡單 無敷設落差限制 安裝維護方便 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 70年代末：第二代工藝 | 干式交聯 80年代中后期：第三代工藝 | 凈化材料,自動控制,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（交聯聚乙烯電纜）,,塑料絕緣電纜,1. 電力電纜合計,2. XLPE電纜,3. 油紙電纜,11,交聯聚乙烯電纜,XLPE， cross linked polyethylene ? 30余年歷史 ? 性能優(yōu)良、工藝簡單、安裝方便 ? 得到廣泛應用,12,XLIE電纜的基本結構,13,交聯聚乙烯絕緣電纜結構示意圖,1、導體 2、導體屏蔽 3、交聯聚乙烯絕緣 4、絕緣屏蔽 5、金屬屏蔽 6、填充 7、內襯層 8、鎧裝層 9、外護套,14,導電線芯：高導電率材料，絞線承圓形或扇形截面。 絕緣層：高電阻率材料，tg?、? 低而電氣強度Eb高的油浸紙、橡皮或塑料。 密封護套：保護絕緣線芯免受機械、水分、化學等的損傷，有時外部還有保護覆蓋層。 半導體層的作用：均勻電場，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渡。,15,,,,16,電纜敷設情況,17,電纜故障率 按電壓等級,18,電纜故障率 按運行時間,,19,電纜故障原因,§5.2 電纜絕緣的劣化和診斷內容,20,,水樹枝劣化的監(jiān)測方法： ●Detection of bridged water tree On-line diagnostic methods ●Detection of un-bridged water tree Off-line diagnostic methods,交聯聚乙烯電纜的壽命,,,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,根據現場運行經驗，水樹枝劣化特性如下： （l）僅發(fā)生在6kV以上的高壓交聯聚乙烯電纜中。 （2）從投運到破壞的時間需要數年至十幾年，大多數在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才產生破壞。 （4）環(huán)境溫度高時，劣化進程加快。,因此對電力電纜絕緣本體進行故障監(jiān)測是可行的，也是必要的。,§5.3 電纜絕緣的在線監(jiān)測,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)測和診斷方法,23,對已運行油紙電力電纜的試驗項目,24,XLPE預試時不宜用直流耐壓,運行后常有（電、水）樹枝生成 直流耐壓時沿樹枝有電荷注入 XLPE電阻率極高，短路時電荷放不完 再加交流時電場畸變，更易擊穿,25,XLPE幾種停電預試方案,用超低頻0.1Hz測tanδ及耐壓 用交流（串聯諧振）測tanδ及耐壓 用振蕩波試驗耐壓 測回復電壓 測極化去極化電流 測損耗電流中的諧波分量,26,回復電壓的測量方法,27,回復電壓實例,28,Tettex 5462,29,極化去極化電流測量原理,30,極化去極化電流典型曲線,31,PDC-ANALYSER-1MOD,32,絕緣連接盒兩側接成差分法以測量局放,33,一種電纜檢測系統(tǒng),34,水樹枝檢測方法,DC leakage ＞ AC superposition ≒ LF superposition ＞ DC superposition ? DC component,針對形成橋路的水樹枝探測效果,:,35,直流泄漏電流,試驗線路,,,cable,,guard electrode,,,,,terminal,,,,DC power supply (buttery),,,recorder,判斷標準,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 ? 直流疊加法 ? 直流電橋法,38,,直流成分法機理,電纜中存在水樹時，類似尖?板電極具有整流作用。因此在工作電壓下，電纜絕緣中將流過微小的直流電流。根據這一電流的數值，既可判斷電纜中水樹的發(fā)展狀況。,直流成分電流監(jiān)測,,39,,TR 配電變壓器 GPT 接地保護用 電壓互感器 M 直流微電流 檢測裝置 (nA級),回路中流通微弱的直流成分電流,直流成分電流監(jiān)測原理接線,直流成分電流監(jiān)測,40,,微電流測量裝置 ? 微電流測量儀 ? 低通濾波器 衰減交流成分、檢出直流成分 ? 接地保護裝置 保證試驗人員和裝置的安全,直流成分電流監(jiān)測,,41,,直流成分電流監(jiān)測,,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 ? 加強監(jiān)測,直流成分電流監(jiān)測,43,,,護層與地之間有化學電勢Es,直流成分電流監(jiān)測,44,,,? 護層與電纜絕緣護層的絕緣電阻下降 ? M中將流過雜散電流 ? 通常Es不超過 0.5 V ? 當護層絕緣電阻小于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 ? 真實反映絕緣的實際狀況,直流疊加法,47,,6 kV XLPE電纜 直流疊加電流 與 水樹長度 的關系,直流疊加法,48,,? 保證安全 L、C 調諧于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 ? 加強監(jiān)測 試驗證明：用直流疊加法測得的絕緣電阻與停電后加直流高壓時的測試結果很相近。,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,測量電纜絕緣電阻的電橋接線,53,,? 電橋平衡 ? Rx = (E1-V4) R2 / V4 設E1為20 V， V4為1 mV，R2為50 M? Rx最大可測到100 000 M? ? 防止直流電壓對GPT的有害影響,直流電橋法,54,,? Es影響的消除 調節(jié)R4及E0 ? V0指示為零 ? 其他設備的絕緣電阻與R3并聯 R3之值并不參與計算 其他設備的絕緣電阻不影響測量結果,直流電橋法,55,,? 加于電纜的電壓信號(通過電壓互感器取出) ? 流過絕緣的電流信號(通過電流互感器取出) ? 通過數字化測量裝置 ? 電纜絕緣的tg?,工頻法 ? 介損因數法,56,,什么是介質損耗角 ( tan d) ??,time/sec,,0,10,電壓,電流,,,,,,,,,=,介質損耗角 tanδ,,=,,有功功率,,無功功率,,57,,,受潮對tan?的影響,58,,,溫度對tan?的影響,59,,,6 kV XLPE電纜交流擊穿電壓 與在線測得 tg? 間的關系,60,,,統(tǒng)計分析表明 ? 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 ‰,對于 XLPE 電纜這一標準是非常重要的。,XLPE的 tan d標準,62,,工頻法 ? 局部放電法,? 試驗分析證明 絕緣中的電樹枝達到0.5 mm時 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 ? 重復率,63,,,,? 偏斜度s 在4個象限中 的分布 ? 預測樹枝的 延伸發(fā)展情況 ? P點進入第3象限 ? 絕緣進入危險狀態(tài),64,,? 水樹 ? 流經電纜絕緣 的電流也含有 低頻成分 ? 根據頻譜分析 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量裝置 由測得的低頻電流診斷絕緣 ? 低頻電流也是納安級 對測量裝置要求較高,66,,低頻法 ? 低頻疊加法,? 避免直流微電流測量上的困難 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? ? 電纜應立即更換,69,,綜合判斷法,? 絕緣狀態(tài)與特性參數間的統(tǒng)計分散性 僅用一種方法診斷絕緣 ? 漏判和錯判的可能 ? 采用幾種方法，互相配合進行復合診斷 ? 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合診斷 ? 診斷的準確率高達95%以上,70,,電纜故障的演變,? 早期電纜本體故障為主 ? 近期電纜負荷過載性故障較多 ? 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放電點 電纜終端或中間接頭出現過熱點 電纜外護層絕緣不良導致的環(huán)流故障,71,,對電纜在線監(jiān)測技術的要求,? 實時報警 ? 故障精確定位 ? 綜合監(jiān)測（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效應的光磁場傳感器 0.1Hz超低頻余弦波耐壓試驗 高壓電纜局部放電故障定位 使用噪聲減輕系統(tǒng)進行電纜局部放電的故障定位技術,83,DTS安裝,DTS – 原理230kV電纜表面溫度,,84,,85,,86,,,Layout of laboratory test system,實驗室測試,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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,,應用–熱點定位,,,Located hotspot and site conditions,Layout of circuit installation,,,89,5. Conclusion,,應用II – 電纜負荷預測,,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交聯電纜離線測試系統(tǒng),局放測試加壓過程,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很相似,PDIV of several PD faults at 50 Hz AC and 600 Hz DAC,94,新型振蕩波測試系統(tǒng),OWTS M 28 28 kV peak voltage,OWTS M 60 60 kV peak voltage,Thank you,95,