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電力電纜診斷檢測技術綜述李世松

電纜環流監測裝置 2020-02-06 技術論文 523 ℃ 0 評論

袁燕嶺1,李世松2,董杰1,高俊福1,黃松嶺2,趙偉2(1.國網唐山供電公司,河北 唐山 063000; 2.清華大學電機系,北京 100084)摘要:電力電纜是電能傳輸的重要載體之一,其運行可靠性直接影響電力系統的供電安全。 電力電纜診斷檢測技術既包含對已發生故障的診斷、定位,也涵蓋對電力電纜運行狀態的監測,及時發現電纜老化等缺陷或故障隱患,對提高電纜運行的可靠性具有重要意義。 文章簡介電力電纜老化等缺陷及發生故障的機理,梳理常見電力電纜診斷檢測技術并比較它們的優劣,在此基礎上結合智能電網發展趨勢,探討電力電纜診斷檢測技術的發展趨勢和面臨的挑戰。
關鍵詞:電力電纜;診斷檢測技術;電纜老化;在線監測;電纜故障* 基金項目:國網冀北電力有限公司科技項目(高壓電纜線路護層接地電流及接地線防盜割在線監測系統研究)
0 引 言
區別于傳統的架空線輸電方式,電力電纜輸電一般用于不能或不宜采用架空線的場合,例如向大城市中心供電、跨海峽輸電等。 隨著我國城市化水不斷提升,電力電纜輸電得以快速發展,已成為電網傳輸電能的基本形式之一[1] 。 再則,近年來在直流輸電領域,電力電纜輸電表現出比架空線輸電更大的優勢。 首先,電纜在直流電壓作用下的絕緣強度比交流電壓下更高,輸電容量也相應增大。 其次,直流電力電纜輸電的穩態電容電流僅由紋波電壓引起,量值很小,電纜的輸電長度幾乎不受電容電流的限制。 基于這些優勢,直流電纜輸電越來越受到電力行業關注,成為未來輸電發展的熱點之一[2-3] 。雖然在實際運行中,電力電纜輸電的故障率明顯低于傳統的架空線輸電,但隨著電力電纜大量應用于電力系統以及其運行時間的延長,電力電纜線路發生故障的概率無疑會逐漸增加。 而且,電力電纜一般采用封閉式緊湊型設計,固體擠塑材料絕緣或油紙構成的復合絕緣包裹于密閉的外殼之中[4] ,發生故障后不易定位、維修困難,容易造成停電事故擴大化,嚴重威脅電力系統運行安全。
電力電纜診斷檢測技術(diagnostic testing),涵蓋了電力電纜故障診斷、定位以及電力電纜在輸電中 的狀態監測,利用它,一方面旨在快速診斷出電纜已
發生故障的類型和位置,為電力電纜維修提供支持;另一方面,可評估電力電纜的運行狀態,及時發現電纜運行中存在的安全隱患,提高電力電纜運行的安全可靠性。
目前,國內外已發展出多種電力電纜診斷檢測技術,適用于不同的電纜使用環境和電纜類型的故分析與狀態監測。 本文總結常見的電力電纜老化和故障原因,對目前常見的電力電纜診斷檢測技術加以梳理,進而探討智能電網環境下電力電纜診斷檢測技術發展所面臨的機遇和挑戰。
1 電力電纜老化和故障的機理
電力電纜敷設后,受到電、熱、機械和環境的綜合影響,導致其絕緣老化,運行可靠性下降,嚴重時造成擊穿事故[5] 。 電力電纜老化和故障,既可能發生在電纜導體上,也可能發生在其接頭處。 表1 歸納了電力電纜老化和故障的誘因及發展機理[6] 。
表 1 電力電纜老化和故障產生的機理
誘因名稱 老化或故障機理 示意圖
溫度過高
電纜線路因過載而發熱,電纜通道通風不良,電纜內部氣隙游離導致局部過熱等機械損傷施工建設過程中受到外力,或由外界自然力(如地質活動) 等造成的損傷絕緣受潮
多發生在電纜線路的排管和接頭處,因制造工藝不良,環境潮濕,存在裂紋等絕緣老化電纜長時間運行導致絕緣強度下降,介質損耗增大,出現熱老化、電氣老化、機械老化及化學老化等
電壓過高大氣過電壓 ( 如雷擊),操作過電壓,屏蔽層疤痕,電纜內雜質或氣泡等電力電纜老化和出現故障的原因復雜多樣,可由上述的單一機理引發,也可能是多種誘因共同導
致。 為提高電力電纜運行的可靠性,需對已發生的故障快速、準確加以診斷,找出故障的類型和位置,并及時對故障電纜進行維修,而對潛在可能發生的電纜故障,應通過對電纜的運行狀態進行有效的檢測和在線監測等,評估其老化程度、潛在的故障類型及可能發生故障的位置,并盡早采取措施避免故障的發生。
2 常見的電力電纜診斷檢測技術
2.1 經典電橋法
經典電橋法用于電力電纜故障診斷和定位,其基本原理如圖 1 所示[7] 。 電力電纜終端故障相與非故障相短接,并將故障相和非故障相分別作為電橋電路的兩個阻抗臂。 如圖 1,電橋電路四個臂的阻抗分別為 R1、R2、R3 和 R4,調節 R2 使電橋平衡,便有:R1R2 =R3R4 (1)式中 R1 和 R2 的電阻值確切已知。
圖 1 以經典電橋法診斷電力電纜故障原理示意通常認為電纜阻抗與其長度成正比,設被監測
電纜長度為 L0 ,其近端與故障點間相距 Lx,則有:R1R2 =2L0 -LxLx(2)求解式(2),可得到電纜近端與故障點間的距離為:
Lx =2L0R2R1 +R2 (3)
實施電橋法的電橋又具體細分為低阻電橋、高阻電橋和電容電橋,分別用于對電力電纜的短路(低阻)故障、高阻故障和開路故障的監測。
2.2 時域行波反射法
時域行波反射法通過監測電纜的阻抗變化來確定故障點[8] 。 這種方法的工作原理類似于雷達,需要被監測電纜的近端注入一個快速脈沖信號,其在電纜中傳輸,電纜故障點阻抗的變化,會導致傳輸信號抖動,繼而會產生一個反射信號。 反射信號的正負及大小,取決于故障點阻抗與電纜特征阻抗間的關系。 通過比較原脈沖信號與反射信號的關系,可確定故障點位置和故障的嚴重程度。 具體地,表征故障點特征的參數定義為:ρ =zd -z0zd +z0(4)式中 zd 為電纜故障點的阻抗;z0 是電纜的特征阻抗。
ρ 的最大值為 1,對應電纜開路;最小值為 -1,對應電纜短路;若等于 0,表明電纜無故障。 ρ 的具體量值大小,反映被監測電纜故障點處故障的嚴重程度。
不同類型的故障,以時域行波反射法得到的反射波形會不同。 圖 2 以波形的方式給出了若干種常見故障的判定依據。
圖2 以時域行波反射法得到的常見故障判定波形采用時域波形反射法,發射信號與反射信號的時間差為 Δt,對應于行波從發射處至故障點往返一次的時間間隔,故以這種方法可計算出電纜中的故障點到監測脈沖信號發射點的距離,即:L =vΔt2 (5)式中 v 為所使用行波脈沖信號的傳播速度。
2.3 恢復電壓法
恢復電壓法基于如下考慮:電力電纜在施加一定直流電壓并放電后,所產生的恢復電壓隨時間的變化中包含有電纜老化和潛在故障的信息[9-10] 。 該方法的工作原理如圖 3 所示,首先給被測電纜充電,即在一定時間(約 15 min)內給被測電纜施加 1 kV ~2 kV 的直流高電壓充電,之后,借助接地電阻使該電力電纜放電 2 s ~5 s,測量其開路電壓即恢復電壓。圖 3 恢復電壓法的工作原理示意
采用恢復電壓法時,一般定義電纜的老化系數為:D =Umax(2U0)Umax(U0) (6)
式中 Umax(2U0)為給電纜施加 2U0 電壓充電下得到的最大恢復電壓;Umax (U0 )是施加 U0 充電得到的最大恢復電壓。 一般地,D 的值在 2.0 ~2.5 時,表明被監測電纜的工作狀態良好;D 在 2.5 ~3.0,其工作狀態一般;D 大于 3.0 后,即意味著被監測電纜老化嚴重,已該檢修或更換。
2.4 等溫松弛電流法
等溫松弛電流法關注高壓電纜的整體老化和浸水程度。 采用該方法時,首先將被測電纜用直流電壓(例如 1 kV)充電,隨后再借助接地電阻放電 2 s ~5 s,隨即測量放電電流隨時間變化的特性曲線,測量時間約 15 min ~30 min。
等溫松弛法的等效原理如圖 4 所示[11-12] ,其中的 3 個電容與電阻串聯的支路分別代表了 3 種極化過程:C1 和 R1 對應主體極化;C2 和 R2 對應無定形與晶體界面的影響;C3 和 R3 對應老化造成的界面中的金屬鹽和水合離子的影響。 一般地,采用 3 階指數衰減函數對等溫松弛電流進行擬合,即:
i(t) =I0 +∑3
i =1aie-t /τi (7)
可見,松弛電流被分解為 3 個不同時間常數的松弛電流分量之和,其中 ai、τi 與電介質的材料特性有關;I0 為電纜放電最終達到平衡時的穩態電流值。圖 5 所示,等溫松弛法認為放電電量包含 3 個分量 Q1 、Q2、Q3,對應于式(7)的 3 個電流分量,即分別對應于由電纜絕緣層、半導體層和故障點產生的放電電流。 這種方法定義的電纜老化參數為:
IRCA =Q1Q2圖 4 等溫松弛法的等效原理電路
一般地,IRCA 的值小于 1.75 時,對應電纜工作狀態良好;IRCA 在 1.75 ~1.90 之間,表明電纜工作狀態正常;IRCA 在 1.90 ~2.10 之間,說明電纜已出現老化;而若 IRCA 大于 2.10,就意味著電纜已嚴重老化,需要及時更換。
圖 5 等溫松弛法放電電量分量示意圖
2.5 tan δ 檢測法
tan δ 法測量的是電力電纜電介質的損耗角。 一般地,固定材料的損耗角是確定的,如果能將該確定的損耗角的量值做參考,通過測量高壓電纜運行過程中損耗角的變化,便可得到電纜運行狀態的估計參數[13] 。
tan δ 檢測法的基本原理如圖 6 所示。 實施該方法時,要在被測電纜上施加工頻或超低頻電壓,用儀器儀表測量電壓與電流信號的相位差,由此,可確定總電流 I 中的充電分量 Ic 和損耗分量 Ir,即:tan δ =IrIc =2I-I2rIc (9)
tan δ 的量值與制成被測電纜所用絕緣材料密切相關,一般地,若 tan δ 小于 0.1%,表明被測電纜工作狀態良好;tan δ 介于 0.1% ~5%之間,對應于電纜工作雖還算正常,但已存在老化跡象;而如果 tan δ 大于 5%,就意味著電纜明顯已老化或已存在故障,應及時維修或更換。
圖 6 tan δ 檢測法的基本原理
還有一種所謂高級的電力電纜狀態監測 tan δ法,又稱介電譜法。 它的原理與 tan δ 法類似,但與tan δ 測量法僅施加單一頻率電壓信號不同,是通過施加多個不同頻率的電壓信號,并掃描不同頻率電壓信號作用下電纜電介質的損耗角,一起獲得更多的電纜運行狀態信息。 一般地,對介電譜的獲取,可采用兩種不同的方法:一是采用變頻交流激勵,通過測量不同頻率激勵下電壓與電流的相位差獲得;二是測量直流電流激勵下電纜電壓隨時間變化的函數,進而通過蒙近似[14] ,將時域測量信息轉化為頻域的譜信息。
2.6 局部放電法
局部放電法是檢測電纜故障最常用的方法之,其等效電路如圖 7 所示。 被測電纜故障處的電容用 3 個電容來表征,其中 Ca 表示無故障下的電纜電容值;Cb 為故障點的殘余電容;Cc 代表故障點的電容;Sg 用于表征故障點處的放電間隙。
圖 7 實施局部放電法的等效電路
實施局部放電法時,要在被測電力電纜上加高電壓,以使得電纜故障或缺陷處產生局部放電,放電信號用傳感器系統檢測、獲取后傳輸至終端,再進行分析、處理和判斷。 顯然,采用這種方法至關重要的,是其中的傳感器系統要能較準確地獲取放電信號。 為實現電力電纜狀態監測,人們已研發出多種局部放電信號傳感器系統。
(1)實現脈沖電流法的線性耦合器
檢測局部放電電流的脈沖電流法,是目前唯一有國際標準 IEC 60270 可依的局部放電檢測方法[16] 。 實施它時,要采用線性耦合器采集電纜電流行波信號,可實現測量儀器與高壓回路之間的耦合,操作簡單方便,且檢測分辨率較高。
(2)實現聲學檢測法的聲學探測器
電纜發生局部放電時,電能瞬間得到釋放,隨即將在電纜中產生機械波。 因此,電纜上的局部放電,在一定程度上可看作聲波源。 如此,利用聲學探測儀器檢測提取所產生的聲波特征,便可得到電纜故障的信息。 聲學信號屬機械波,長距離測量衰減嚴重,故這種傳感器系統更適于近距離如電纜接頭故障的檢測[17] 。
(3)超高頻天線
在被測電纜的中間接頭或終端接頭處放置超高頻天線,它可耦合電纜的局部放電電磁波信號,其頻帶通常在百 MHz 到 GHz 量級[18] 。 超高頻天線可檢測頻率很高的信號,能有效避開低頻噪聲干擾,具有較高的檢測靈敏度。
(4)鉑電極對
在電纜絕緣接線盒兩側的護套上各貼一對鉑電極,就可采集電纜局部放電信號并校驗脈沖輸入。
當局部放電在一側發生時,另一側電纜作為耦合電容,可將局部放電脈沖轉化為電壓信號,再經過放大就便于監測了[19] 。
(5)耦合傳感器
耦合傳感器可通過電容傳感器[20] 、方向傳感器等實現檢測信號的耦合[21] 。 耦合信號幅度隨時間的變化,可用于判斷被測電纜局部放電信號的傳播方向,并最終確定被測電纜上局部放電發生的位置。
2.7 整體放電法
整體放電法的檢測任務如圖 8 所示[22] ,實施檢測時,需要測定充電電流 Ip 與所加電壓 Uch的關系、初始衰減電壓 Ud 的斜率 Sd 對充電電壓的函數等。
為此,定義的電纜運行狀態評估參數為:
CV =IpIdpSd U1chCRdis ttdchp (10)中 Idp為放電電流;C 是測試電容;Rdis代表放電電阻;tch表征充電時間;tdp為放電時間。
根據測量原理,CV 的值若大于 10,表明電纜運行狀態良好;CV 在 1 ~10 之間,說明電纜已有老化跡象,有潛在故障可能;而 CV 小于 1,就意味著電纜老化嚴重或故障隱患明顯,需要及時維修或更換。
圖 8 整體放電法原理示意
2.8 直流漏電流檢測法
直流漏電流檢測法通過給電纜施加直流電壓并同步測量漏電流來確定電纜的工作狀態。 采用它,可評估高壓電纜的整體運行狀態;也可通過在不同位置處加載漏電流檢測裝置,對電纜故障進行定位。為消除外界電磁干擾對檢測的影響,一般采用多電平直流信號作激勵,通過比較不同電平下漏電流的變化,可提高檢測準確度[23] 。 如圖 9 所示,給電纜施加正、負直流電壓,經時間 t0 后,測量極化電流和去極化電流的差值 Idc(t0)。
圖 9 直流漏電流檢測法原理
為反映電纜老化情況,可定義極化電流系數為:η=Idc(t0 )Idc0(t0) (11)式中 Idc0( t0 ) 為參考電纜的極化和去極化電流的差值。 基于檢測原理,若 η=1,表明電纜無明顯老化;1 <η<10,表明電纜中度老化;η>10,則說明電纜已老化嚴重或故障隱患明顯,需要及時維修和更換。
2.9 絕緣耐壓法
這種方法又細分為簡單絕緣耐壓法和監控絕緣耐壓法。 其中,簡單絕緣耐壓法短時間內在電纜上施加 1.5 ~3 倍正常工作電壓的正弦或方波電壓,檢測電纜能否在此電壓下正常運行,繼而得到額定電壓下電纜運行正常與否的結論。 由于未能具體量化電纜運行狀態指標,IEEE 未將該方法確定為電纜故障檢測的標準方法,但其檢測結果,對判定電纜是否需要維修更換具有參考價值。 實施簡單絕緣耐壓法,較短時間能獲得電纜工作正常否的定性判斷,但不能給出定量的合格與否的結論。 而監控絕緣耐壓法則不然,它能判斷電纜運行狀態正常與否之同時,還能測量出電纜電介質材料的介電率、局放特性以及 tan δ 等參數。
3 結束語
隨著智能電網和能源互聯網的快速發展,電力行業的發展迎來了前所未有的機遇和挑戰。 作為電力系統重要的能量傳輸載體,電力電纜的運行安全至關重要。 在未來,對電力電纜的診斷檢測,將向著實時、在線、智能化、網絡化等方向發展,這些發展趨勢可被描述為如下幾點:
(1)電力電纜在線監測技術。 現有的電力電纜診斷檢測方法大多屬離線檢測。 隨著網絡化、信息化技術的應用,對電力電纜進行在線監測將成為可能。 實施電力電纜在線監測,應充分考慮電纜的頻帶特性,所用激勵信號的頻率應盡量遠離工頻。 例如,可在電纜正常運行下發射高頻脈沖(時域行波反射法),以實現檢測信號與電能傳輸的兼容。
(2)電力電纜運行狀態實時數據查詢。 實現電力電纜在線監測后,更需要建立統一的數據管理平臺,見圖 10,即,通過有線或無線方式,實現監測數據的互聯和共享,并逐步建立電力電纜狀態監測數據庫,結合大數據分析,以更為準確地評估和預測電力電纜的運行狀況。
(3)多種電力電纜診斷檢測技術聯合。 由于不同的電纜診斷檢測技術的準確性受具體被測對象和檢測環境等的限制,均不同程度地存在檢測盲區。將多種診斷檢測技術聯合使用,可有效覆蓋單一方法的不足,獲得更高的檢測準確性和可靠性。
(4)電力電纜運行故障的自動識別。 在所建立的電力電纜在線監測平臺上,應具備智能專家系統,旨在根據檢測信號的變化特征,自動匹配并識別相應的故障;且更進一步地,可在識別出具體故障后做出及時響應,以防止故障影響的擴大化。
(5)直流電力電纜診斷檢測技術。 如前所述,基于種種優點,直流電纜輸電已越來越受到電力行業重視。 然而,目前的電纜診斷檢測技術均是針對交流電力電纜的。 及早研究直流電纜運行、老化和故障產生機理,并提出相應檢測技術和在線監測方案,無疑是該領域今后的重要任務。
圖 10 電力電纜狀態監測數據管理平臺
 

本文標簽:技術文章環流監測環流監測技術規范

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