低压电缆绝缘状态检测方法与寿命评估

网络高等教育网络高等教育 本本 科科 生生 毕毕 业业 论论 文（设文（设 计）计） 题 目：低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估 学习中心： 内蒙古呼伦贝尔奥鹏学习中心 层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2013 年 秋 季 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 2015 年 6 月 1 日 低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估 I 内容摘要 由于交联聚乙烯电缆绝缘性能好,易于制造和安装方便,近年得到了迅速的发 展。随着城网改造和农网改造的实施,电力电缆的利用比重也会越来越高,如何维 护使用好已有的电力设备,提高供电可靠性就显得十分必要,电缆的运行状况直接 关系到电力系统的安全运行及供电的可靠性。文首先论述了电缆的一般结构，介 绍了目前电缆检测的方法及意义，分析了影响电缆绝缘性能的因数以及电缆运行 的等效电路。着重论述了电缆检测的三个主要检测手段，即绝缘电阻、泄露电流 和介质损耗，对电缆性能检测的实际意义。 关键词：绝缘电阻；介质损耗；电缆寿命 低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估 II 目 录 内容摘要I 1 绪论.4 1.1 课题的背景及意义.4 1.2 国内外发展现状.4 1.2.1 国外低压电缆绝缘检测和老化检测发展现状.4 1.2.2 我国低压电缆绝缘检测和老化检测发展现状.4 1.3 本文的主要内容.4 2 电缆故障类型及绝缘老化的原因.5 2.1 电缆故障的类型.5 2.1.1 接地故障.5 2.1.2 短路故障.5 2.1.3 断线故障5 2.1.4 闪络性故障6 2.2 电缆老化原因.6 2.2.1 电气老化.6 2.2.2 热老化.6 2.2.3 机械老化.7 2.2.4 水老化.7 2.3 电缆研究现状及发展趋势.7 3 电缆绝缘状态的检测与寿命分析.9 3.1 绝缘电阻的测量意义.9 3.2 绝缘电阻测量方法与分析.9 3.3 介质损耗测量的意义.9 3.4 介质损耗的测量与分析.9 3.5 热老化性能概述.10 3.6 热老化实验及数据分析.10 4 结 论.12 参考文献.13 低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估 III 附 录.14 低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估 4 1 绪论 1.1 课题的背景及意义 对电缆进行状态诊断及评估，是合理安排电缆更换，保证电力供应安全可靠 的一个重要技术手段，也是在智能电网中实现对电缆有效管理的极其重要的部分。 随着我国煤矿开采量的加大，电力电缆的利用比重也会越来越高。 对于动力和照明线路来说，采用的橡胶绝缘电缆在使用过程中，由于橡胶的 氧化分解作用，使硫化橡胶的电物理和机械性能发生变化:变硬、变脆，在橡皮 上形成裂纹，空气和水分填充在裂纹中使电缆老化加剧，最终导致绝缘击穿或短 路。此外，电缆使用环境恶劣加速电缆绝缘层材料的老化。所以对电缆失效尚无 合适的标准，以及对电缆寿命缺少有效的研究和估计方法，这种更换带有很大的 盲目性，并且更换电缆工序繁琐并且是一项价格非常昂贵且繁重的作业，其结果 必然造成材料的浪费或带来事故的隐患。所以，对一电缆目前技术状态的确切评 价不仅从保证电力设备工作可靠性的观点来看是重要的，而且从预防火灾的角度 来看也是很重要的。当前，绝大多数低压电缆用橡胶做绝缘材料，氧化分解能硫 化橡胶的电物理和机械性能，使得电缆老化迅速，绝缘击穿或短路现象会最终发 生。而低压电缆绝缘状态的在线检测可以精确评估电缆技术和运行状态，尽早发 现电缆绝缘缺陷，并采取适当的维修措施，以确保设备的安全运行和可靠使用， 而且还具有非常重要的防火功能。 1.2 国内外发展现状 1.2.11.2.1 国外低压电缆绝缘检测和老化检测发展现状国外低压电缆绝缘检测和老化检测发展现状 20世纪60年代起，国外就开始了关于XLPE (交联聚乙烯）电缆绝缘弱点检测 和老化检测技术的研究，时至今日，该项研究仍在不断发展。日本是较早开展 XLPE电缆绝缘老化检测技术研究的国家之一，但是研发的电缆绝缘检测仪只能发 现已经发生绝缘老化的电缆，无法描述被检测电缆的绝缘老化程度，而且该检测 仪主要针对的是陆地所使用电缆。 20世纪70年代前,世界上广泛使用电桥法及低压脉冲反射法进行电力电缆故 障测试,两者对低阻故障很准确,但对高阻故障不适用,故常常结合燃烧降阻(烧穿)法, 即加大电流将故障处烧穿使其绝缘电阻降低以达到可以使用电桥法或低压脉冲法 测量的目的。烧穿方法对电缆主绝缘有不良影响,现已很少使用。 近几年来，欧美发达国家及日本的学者为了尽可能地等效工频电压并尽可能 低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估 5 地减小试验设备的体积和重量，适应电缆运行现场试验的需要，先后提出多种离 线破坏性试验方法，如0.1低频电压试验、KHz振荡波电压试验、串联谐振或变频 谐振交流电压试验;以及离线非破坏性试验方法，如在0.1超低频电压、KHz振荡 波电压下的电缆局部放电量试验，并推荐上述试验方法和手段作为今后电力电缆 竣工交接试验或预防性试验方法。 1.2.21.2.2 我国低压电缆绝缘检测和老化检测发展现状我国低压电缆绝缘检测和老化检测发展现状 国内天津大学杜伯学采用温差法对 XLPE 电缆老化进行评估，其研究对象为 10KV 的陆用电缆；上海交通大学王雅群采用等温松驰电流对 XLPE 电缆寿命评估， 但是受到国内外电缆制造工艺差异的影响，计算所得老化因子与国外学者报道的 结果相差普遍较大。其中检测技术分为非在线式和在线式：非在线式包括反吸收 电流、残留电压、电位衰减法、直流泄漏电流、残留电荷、直流电压叠加法等在 线式包括直流成分、脉动法，直流电压叠加法等。目前的应用绝缘监测剩余寿命 评估方法都比较偏向于从定性分析的角度切入，在定量分析方面，只能给出一个 比较宽泛的范围。 直流耐压试验常用于油介质电气设备的预防性诊断试验，20 世纪 90 年代初期 之前，国内外普遍沿用油纸绝缘电缆的试验方法，常采取离线直流耐压破坏性试 验作为绝缘电力电缆竣工交接试验和周期性预防性试验的唯一手段。理论分析计 算、试验研究和长期积累的大量实际运行经验表明:一方面，由于直流耐压试验 过程是向电缆绝缘介质注入大量的空间电荷过程，空间电荷限于介质良好的绝缘 性能而不能及时泄漏。这些残留空间电荷积聚形成的局部电场与外施工频电场迭 加，畸变介质内部电场分布，严重损伤电缆绝缘，往往使得试验合格的电力电缆 在投入运行后几小时或几十小时内就发生电缆绝缘击穿故障，甚至发生多点击穿 故障。另一方面，直流耐压试验的电压取值很高，试验时间较长，直流电场促使 介质中的水树枝向电树枝转变，周期性的直流耐压试验无疑是导致电缆绝缘早期 劣化，相对缩短电缆安全运行寿命。 1.3 本文的主要内容 本文研究的是低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估。 全文共分为四章，内容简介如下： 第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的 主要内容； 低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估 6 第二章是电缆故障类型及绝缘老化的原因； 第三章电缆绝缘状态的检测与寿命分析； 第四章最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。 低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估 7 2 电缆故障类型及绝缘老化的原因 2.1 电缆故障的类型 电缆故障有许多种，大致分为: 2.1.12.1.1 接地故障接地故障 电缆一芯或多芯对地故障。其中又可分为低阻接地或高阻接地。一般接地电 阻在 20 一 100。以下为低阻故障，以上为高阻故障。因使用的电桥和检流计灵敏 度不同，对低阻与高阻的划分也往往不一致。原则上接地电阻较低，能直接用低 压电桥进行测量的故障，称为低阻故障。须要进行烧穿或用高压电桥进行的故障， 称为高阻接地。 2.1.22.1.2 短路故障短路故障 电缆两芯或三芯短路，或两芯、三芯短路接地。其中也可分为低阻短路或高 阻短路故障，其划分原则与接地故障相同。 2.1.32.1.3 断线故障断线故障 电缆一芯或多芯被故障电流烧断或受机械外力拉断，形成完全断线或不完全 断线，其故障点对地的电阻也可分为高阻或低阻故障，一般以 IMQ 为分界限，小 于 1M。为低阻。能较准确地测出电缆的电容，用电容量的大小来判断故障点可称 为高阻断线故障。 2.1.42.1.4 闪络性故障闪络性故障 这类故障绝大多数在预防性试验中发生，并多出现在电缆中间接头和终端头。 试验时绝缘被击穿，形成间隙性放电，当所加电压达到某一定值时，发生击穿， 当电压降至某一值时，绝缘恢复而不发生击穿。有时在特殊条件下，绝缘击穿后 又恢复正常，即使提高试验电压，也不再击穿，这种故障称为封闭性故障。以上 两种现象均属于闪络性故障。 电缆故障是指电缆在预防性试验时发生绝缘击穿或在运行中，因绝缘击穿、 导线烧断等而迫使电缆线路停电的故障常见的故障有接地故障，短路故障，断线 低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估 8 故障，闪络性故障和混合型故障等。 2.2 电缆老化原因 电缆老化原因可分为: 2.2.12.2.1 电气老化电气老化 电气老化指的是在电场长期作用下，由于电缆制造中的质量缺陷，施工中机 械与外力作用伤害，绝缘物中的空隙、裂纹等，造成局部电场不均匀，诱发局部 放电，以导体的变异部、空隙、杂质为起点，局部破坏，发展成树枝化，渐渐地 导致绝缘破坏。电老化机理很复杂，它包含因为绝缘击穿产生。放电引起的一系 列物理和化学效应。 固体绝缘材料的绝缘击穿机理主要有以下两种理论: 1.达到一定电场时，电子数量急剧增加，使得绝缘材料遭到击穿破坏，由于 击穿破坏的主要原因是电子，因而称为“电击穿”。 2.在绝缘体上加上电压后，有微电流通过，由这一电流产生的焦耳热导致材 料击穿破坏，这被称为“热击穿”。 2.2.22.2.2 热老化热老化 热老化指的是绝缘介质负荷电流变化及短路电流引起的热伸缩、材料氧化、 热分解等化学变化以及硬度变化、龟裂等物理变化引起的老化和绝缘材料性能降 低。其化学结构在热量的作用下发生变化，使得绝缘性能下降的现象。热老化的 本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化，所以热老化也被称为化学老化。 一般情况下，化学反应的速度随着环境温度的升高而加快。用于绝缘的高分子有 机材料会在热的长期作用下发生热降解，主要是氧化反应，这种反应也被称为自 氧化游离基连锁反应，如聚乙烯的氧化反应就是从 C 一 H 键中 H 的脱离开始的。 热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减少，但是 最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。例如，XLPE 材料 被认为当拉伸率从初始的 400%一 600%降低到 1O0%时寿命终止。 2.2.32.2.3 机械老化机械老化 机械老化是电缆系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发 生的老化。这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷，这些微 低压电缆绝缘状态检测方法及寿命评估 9 小的缺陷随着时间的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化，形成微小裂缝并逐渐 扩大，直至引起局部放电等破坏绝缘的现象，这种现象也被称为“电一机械击 穿。 2.2.42.2.4 水老化水老化 水浸入电缆后(制造时或施工与运行中接头浸潮等)，由于电场的叠效果，在 电场不均匀及电场力集中点形成水树枝化。通常有内导水树枝化、蝴蝶水树枝化 和外导水树枝化阵。 橡皮、塑料电缆等浸水后施加电压作长期试验时，与不加电压只浸水的情况 相比较绝缘介质特性要低。这一现象被称为“浸水课电现象”。对产生“浸水课 电现象”的缘材料进行显微观察，发现有和电树枝相似的树枝状结构的存在，因 为这种树枝结构水有关，并且是在低电场强度、长时间作用下形成的，为与电树 枝区别，称之为水树水树枝在充满水的状态下看起来是白色的，但是干燥后就不 易观察到。水树枝多见结晶性材料如聚乙烯和交联聚乙烯，而在无定型材料的 PVC、丁基橡胶等聚合物中少发现。此外，水树枝在直流电压的作用下较难产生， 但是在交流电压作用下较易产