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)tan及耐壓 用交流（串聯(lián)諧振）測(cè)tan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 (A),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 A. 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200500 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1050 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 (M),Resistance measured by DC leakage current (M),Relationship between DC superposition method and DC leakage current.,DC Superposition Method,DC leakage current is highly sensitivity.,51,Resistance (M),Resistance (M),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 tan,=,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 3 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, 3 : 0°) The level of water tree deterioration is judged by harmonic.,Short WT 3 ： small 3 ： LargeBDV : High,Long WT 3 ： Large 3 ： 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 （） Charge is accumulated in the insulation layer including water tree. 2.Short-circuiting (Earth) （） 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 （） Trapped charge is released from water tree region. DC component current by residual charge is measured.,(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.,78,Residual Charge Method,Sample,Sample,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 ; 1.4F 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 (M),Time,Resistance (M),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： 50500Hz,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,