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电力电缆诊断检测技术综述

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/3/7     浏览次数:    
  电力电缆诊断检测技术综述
  摘要:电力电缆是电能传输的重要载体之一,其运行可靠性直接影响电力系统的供电安全。电力电缆诊断检测技术既包含对已发生故障的诊断、定位,也涵盖对电力电缆运行状态的监测,及时发现电缆老化等缺陷或故障隐患,对提高电缆运行的可靠性具有重要意义。文章简介电力电缆老化等缺陷及发生故障的机理,梳理常见电力电缆诊断检测技术并比较它们的优劣,在此基础上结合智能电网发展趋势,探讨电力电缆诊断检测技术的发展趋势和面临的挑战。
  关键词:电力电缆;诊断检测技术;电缆老化;在线监测;电缆故障;
  0引言
  区别于传统的架空线输电方式,电力电缆输电一般用于不能或不宜采用架空线的场合,例如向大城市中心供电、跨海峡输电等。随着我国城市化水平不断提升,电力电缆输电得以快速发展,已成为电网传输电能的基本形式之一[1]。再则,近年来在直流输电领域,电力电缆输电表现出比架空线输电更大的优势。首先,电缆在直流电压作用下的绝缘强度比交流电压下更高,输电容量也相应增大。其次,直流电力电缆输电的稳态电容电流仅由纹波电压引起,量值很小,电缆的输电长度几乎不受电容电流的限制。基于这些优势,直流电缆输电越来越受到电力行业关注,成为未来输电发展的热点之一[2-3]。

  虽然在实际运行中,电力电缆输电的故障率明显低于传统的架空线输电,但随着电力电缆大量应用于电力系统以及其运行时间的延长,电力电缆线路发生故障的概率无疑会逐渐增加。而且,电力电缆一般采用封闭式紧凑型设计,固体挤塑材料绝缘或油纸构成的复合绝缘包裹于密闭的外壳之中[4],发生故障后不易定位、维修困难,容易造成停电事故扩大化,严重威胁电力系统运行安全。

  电力电缆诊断检测技术(diagnostictesting),涵盖了电力电缆故障诊断、定位以及电力电缆在输电中的状态监测,利用它,一方面旨在快速诊断出电缆已发生故障的类型和位置,为电力电缆维修提供支持;另一方面,可评估电力电缆的运行状态,及时发现电缆运行中存在的安全隐患,提高电力电缆运行的安全可靠性。
  目前,国内外已发展出多种电力电缆诊断检测技术,适用于不同的电缆使用环境和电缆类型的故障分析与状态监测。本文总结常见的电力电缆老化和故障原因,对目前常见的电力电缆诊断检测技术加以梳理,进而探讨智能电网环境下电力电缆诊断检测技术发展所面临的机遇和挑战。
  1电力电缆老化和故障的机理
  电力电缆敷设后,受到电、热、机械和环境的综合影响,导致其绝缘老化,运行可靠性下降,严重时造成击穿事故[5]。电力电缆老化和故障,既可能发生在电缆导体上,也可能发生在其接头处。表1归纳了电力电缆老化和故障的诱因及发展机理[6]。
  表1电力电缆老化和故障产生的机理Tab.1Mechanismofedgingandfaultoftheelectricalpowercables诱因名称老化或故障机理示意图温度过高电缆线路因过载而发热,电缆通道通风不良,电缆内部气隙游离导致局部过热等机械损伤施工建设过程中受到外力,或由外界自然力(如地质活动)等造成的损伤绝缘受潮多发生在电缆线路的排管和接头处,因制造工艺不良,环境潮湿,存在裂纹等绝缘老化电缆长时间运行导致绝缘强度下降,介质损耗增大,出现热老化、电气老化、机械老化及化学老化等电压过高大气过电压(如雷击),操作过电压,屏蔽层疤痕,电缆内杂质或气泡等电力电缆老化和出现故障的原因复杂多样,可由上述的单一机理引发,也可能是多种诱因共同导致。为提高电力电缆运行的可靠性,需对已发生的故障快速、准确加以诊断,找出故障的类型和位置,并及时对故障电缆进行维修,而对潜在可能发生的电缆故障,应通过对电缆的运行状态进行有效的检测和在线监测等,评估其老化程度、潜在的故障类型及可能发生故障的位置,并尽早采取措施避免故障的发生。
  2常见的电力电缆诊断检测技术
  2.1经典电桥法经典电桥法用于电力电缆故障诊断和定位,其基本原理如图1所示[7]。电力电缆终端故障相与非故障相短接,并将故障相和非故障相分别作为电桥电路的两个阻抗臂。如图1,电桥电路四个臂的阻抗分别为R1、R2、R3和R4,调节R2使电桥平衡,便有:
  R1R2=R3R4(1)式中R1和R2的电阻值确切已知。
  通常认为电缆阻抗与其长度成正比,设被监测电缆长度为L0,其近端与故障点间相距Lx,则有:
  R1R2=2L0-LxLx(2)求解式(2),可得到电缆近端与故障点间的距离为:
  Lx=2L0R2R1+R2(3)实施电桥法的电桥又具体细分为低阻电桥、高阻电桥和电容电桥,分别用于对电力电缆的短路(低阻)故障、高阻故障和开路故障的监测。
  2.2时域行波反射法时域行波反射法通过监测电缆的阻抗变化来确定故障点[8]。这种方法的工作原理类似于雷达,需要在被监测电缆的近端注入一个快速脉冲信号,其在电缆中传输,电缆故障点阻抗的变化,会导致传输信号抖动,继而会产生一个反射信号。反射信号的正负及大小,取决于故障点阻抗与电缆特征阻抗间的关系。通过比较原脉冲信号与反射信号的关系,可确定故障点位置和故障的严重程度。具体地,表征故障点特征的参数定义为:
  ρ=zd-z0zd+z0(4)式中zd为电缆故障点的阻抗;z0是电缆的特征阻抗。
  ρ的最大值为1,对应电缆开路;最小值为-1,对应电缆短路;若等于0,表明电缆无故障。ρ的具体量值大小,反映被监测电缆故障点处故障的严重程度。
  不同类型的故障,以时域行波反射法得到的反射波形会不同。图2以波形的方式给出了若干种常见故障的判定依据。
  图2以时域行波反射法得到的常见故障判定波形Fig.2Typicalwaveformsofthefaulttimedomainreflectometrymethod采用时域波形反射法,发射信号与反射信号的时间差为Δt,对应于行波从发射处至故障点往返一次的时间间隔,故以这种方法可计算出电缆中的故障点到监测脉冲信号发射点的距离,即:
  L=vΔt2(5)式中v为所使用行波脉冲信号的传播速度。
  2.3恢复电压法恢复电压法基于如下考虑:电力电缆在施加一定直流电压并放电后,所产生的恢复电压随时间的变化中包含有电缆老化和潜在故障的信息[9-10]。该方法的工作原理如图3所示,首先给被测电缆充电,即在一定时间(约15min)内给被测电缆施加1kV~2kV的直流高电压充电,之后,借助接地电阻使该电力电缆放电2s~5s,测量其开路电压即恢复电压。
  图3恢复电压法的工作原理示意Fig.3Schematicoftherecovervoltagemeasurement采用恢复电压法时,一般定义电缆的老化系数为:
  D=Umax(2U0)Umax(U0)(6)式中Umax(2U0)为给电缆施加2U0电压充电下得到的最大恢复电压;Umax(U0)是施加U0充电得到的最大恢复电压。一般地,D的值在2.0~2.5时,表明被监测电缆的工作状态良好;D在2.5~3.0,其工作状态一般;D大于3.0后,即意味着被监测电缆老化严重,已该检修或更换。
  2.4等温松弛电流法等温松弛电流法关注高压电缆的整体老化和浸水程度。采用该方法时,首先将被测电缆用直流电压(例如1kV)充电,随后再借助接地电阻放电2s~5s,随即测量放电电流随时间变化的特性曲线,测量时间约15min~30min。
  等温松弛法的等效原理如图4所示[11-12],其中的3个电容与电阻串联的支路分别代表了3种极化过程:C1和R1对应主体极化;C2和R2对应无定形与晶体界面的影响;C3和R3对应老化造成的界面中的金属盐和水合离子的影响。一般地,采用3阶指数衰减函数对等温松弛电流进行拟合,即:
  i(t)=I0+Σ3i=1aie-t/τi(7)可见,松弛电流被分解为3个不同时间常数的松弛电流分量之和,其中ai、τi与电介质的材料特性有关;I0为电缆放电最终达到平衡时的稳态电流值。
  图5所示,等温松弛法认为放电电量包含3个分量Q1、Q2、Q3,对应于式(7)的3个电流分量,即分别对应于由电缆绝缘层、半导体层和故障点产生的放电电流。这种方法定义的电缆老化参数为:一般地,IRCA的值小于1.75时,对应电缆工作状态良好;IRCA在1.75~1.90之间,表明电缆工作状态正常;IRCA在1.90~2.10之间,说明电缆已出现老化;而若IRCA大于2.10,就意味着电缆已严重老化,需要及时更换。
  图5等温松弛法放电电量分量示意图Fig.5Schematicdiagramofdischargedcurrentcomponentsoftheisothermalrelaxationcurrentmethod2.5tanδ检测法tanδ法测量的是电力电缆电介质的损耗角。一般地,固定材料的损耗角是确定的,如果能将该确定的损耗角的量值做参考,通过测量高压电缆运行过程中损耗角的变化,便可得到电缆运行状态的估计参数[13]。
  tanδ检测法的基本原理如图6所示。实施该方法时,要在被测电缆上施加工频或超低频电压,用仪器仪表测量电压与电流信号的相位差,由此,可确定总电流I中的充电分量Ic和损耗分量Ir,即:
  tanδ=IrIc=2I-I2槡rIc(9)tanδ的量值与制成被测电缆所用绝缘材料密切相关,一般地,若tanδ小于0.1%,表明被测电缆工作状态良好;tanδ介于0.1%~5%之间,对应于电缆工作虽还算正常,但已存在老化迹象;而如果tanδ大于5%,就意味着电缆明显已老化或已存在故障,应及时维修或更换。
  图6tanδ检测法的基本原理Fig.6Schematicofthetanδmethod还有一种所谓高级的电力电缆状态监测tanδ法,又称介电谱法。它的原理与tanδ法类似,但与tanδ测量法仅施加单一频率电压信号不同,是通过施加多个不同频率的电压信号,并扫描不同频率电压信号作用下电缆电介质的损耗角,一起获得更多的电缆运行状态信息。一般地,对介电谱的获取,可采用两种不同的方法:一是采用变频交流激励,通过测量不同频率激励下电压与电流的相位差获得;二是测量直流电流激励下电缆电压随时间变化的函数,进而通过哈蒙近似[14],将时域测量信息转化为频域的谱信息。
  2.6局部放电法局部放电法是检测电缆故障最常用的方法之一[15],其等效电路如图7所示。被测电缆故障处的电容用3个电容来表征,其中Ca表示无故障下的电缆电容值;Cb为故障点的残余电容;Cc代表故障点的电容;Sg用于表征故障点处的放电间隙。
  图7实施局部放电法的等效电路Fig.7Equivalentcircuitforpowercablepartialdischarge实施局部放电法时,要在被测电力电缆上加高电压,以使得电缆故障或缺陷处产生局部放电,放电信号用传感器系统检测、获取后传输至终端,再进行分析、处理和判断。显然,采用这种方法至关重要的,是其中的传感器系统要能较准确地获取放电信号。为实现电力电缆状态监测,人们已研发出多种局部放电信号传感器系统。
  (1)实现脉冲电流法的线性耦合器检测局部放电电流的脉冲电流法,是目前唯一有国际标准IEC60270可依的局部放电检测方法[16]。实施它时,要采用线性耦合器采集电缆电流行波信号,可实现测量仪器与高压回路之间的耦合,操作简单方便,且检测分辨率较高。
  (2)实现声学检测法的声学探测器电缆发生局部放电时,电能瞬间得到释放,随即将在电缆中产生机械波。因此,电缆上的局部放电,在一定程度上可看作声波源。如此,利用声学探测仪器检测提取所产生的声波特征,便可得到电缆故障的信息。声学信号属机械波,长距离测量衰减严重,故这种传感器系统更适于近距离如电缆接头故障的检测[17]。
  (3)超高频天线在被测电缆的中间接头或终端接头处放置超高频天线,它可耦合电缆的局部放电电磁波信号,其频带通常在百MHz到GHz量级[18]。超高频天线可检测频率很高的信号,能有效避开低频噪声干扰,具有较高的检测灵敏度。
  (4)铂电极对在电缆绝缘接线盒两侧的护套上各贴一对铂电极,就可采集电缆局部放电信号并校验脉冲输入。
  当局部放电在一侧发生时,另一侧电缆作为耦合电容,可将局部放电脉冲转化为电压信号,再经过放大就便于监测了[19]。
  (5)耦合传感器耦合传感器可通过电容传感器[20]、方向传感器等实现检测信号的耦合[21]。耦合信号幅度随时间的变化,可用于判断被测电缆局部放电信号的传播方向,并最终确定被测电缆上局部放电发生的位置。
  2.7整体放电法整体放电法的检测任务如图8所示[22],实施检测时,需要测定充电电流Ip与所加电压Uch的关系、初始衰减电压Ud的斜率Sd对充电电压的函数等。
  为此,定义的电缆运行状态评估参数为:
  CV=IpIdpSd1UchCRdistchtdp(10)式中Idp为放电电流;C是测试电容;Rdis代表放电电阻;tch表征充电时间;tdp为放电时间。
  根据测量原理,CV的值若大于10,表明电缆运行状态良好;CV在1~10之间,说明电缆已有老化迹象,有潜在故障可能;而CV小于1,就意味着电缆老化严重或故障隐患明显,需要及时维修或更换。
  图8整体放电法原理示意Fig.8Schematicdiagramoftheoveralldischargemethod2.8直流漏电流检测法直流漏电流检测法通过给电缆施加直流电压并同步测量漏电流来确定电缆的工作状态。采用它,可评估高压电缆的整体运行状态;也可通过在不同位置处加载漏电流检测装置,对电缆故障进行定位。
  为消除外界电磁干扰对检测的影响,一般采用多电平直流信号作激励,通过比较不同电平下漏电流的变化,可提高检测准确度[23]。如图9所示,给电缆施加正、负直流电压,经时间t0后,测量极化电流和去极化电流的差值Idc(t0)。
  图9直流漏电流检测法原理Fig.9Detectionprincipleofthepolarization&depolarizationcurrentmeasurement为反映电缆老化情况,可定义极化电流系数为:
  η=Idc(t0)Idc0(t0)(11)式中Idc0(t0)为参考电缆的极化和去极化电流的差值。基于检测原理,若η=1,表明电缆无明显老化;1<η<10,表明电缆中度老化;η>10,则说明电缆已老化严重或故障隐患明显,需要及时维修和更换。
  2.9绝缘耐压法这种方法又细分为简单绝缘耐压法和监控绝缘耐压法。其中,简单绝缘耐压法短时间内在电缆上施加1.5~3倍正常工作电压的正弦或方波电压,检测电缆能否在此电压下正常运行,继而得到额定电压下电缆运行正常与否的结论。由于未能具体量化电缆运行状态指标,IEEE未将该方法确定为电缆故障检测的标准方法,但其检测结果,对判定电缆是否需要维修更换具有参考价值。实施简单绝缘耐压法,较短时间能获得电缆工作正常否的定性判断,但不能给出定量的合格与否的结论。而监控绝缘耐压法则不然,它能判断电缆运行状态正常与否之同时,还能测量出电缆电介质材料的介电率、局放特性以及tanδ等参数。
  3结束语
  随着智能电网和能源互联网的快速发展,电力行业的发展迎来了前所未有的机遇和挑战。作为电力系统重要的能量传输载体,电力电缆的运行安全至关重要。在未来,对电力电缆的诊断检测,将向着实时、在线、智能化、网络化等方向发展,这些发展趋势可被描述为如下几点:
  (1)电力电缆在线监测技术。现有的电力电缆诊断检测方法大多属离线检测。随着网络化、信息化技术的应用,对电力电缆进行在线监测将成为可能。实施电力电缆在线监测,应充分考虑电缆的频带特性,所用激励信号的频率应尽量远离工频。例如,可在电缆正常运行下发射高频脉冲(时域行波反射法),以实现检测信号与电能传输的兼容。
  (2)电力电缆运行状态实时数据查询。实现电力电缆在线监测后,更需要建立统一的数据管理平台,见图10,即,通过有线或无线方式,实现监测数据的互联和共享,并逐步建立电力电缆状态监测数据库,结合大数据分析,以更为准确地评估和预测电力电缆的运行状况。
  (3)多种电力电缆诊断检测技术联合。由于不同的电缆诊断检测技术的准确性受具体被测对象和检测环境等的限制,均不同程度地存在检测盲区。
  将多种诊断检测技术联合使用,可有效覆盖单一方法的不足,获得更高的检测准确性和可靠性。
  (4)电力电缆运行故障的自动识别。在所建立的电力电缆在线监测平台上,应具备智能专家系统,旨在根据检测信号的变化特征,自动匹配并识别相应的故障;且更进一步地,可在识别出具体故障后做出及时响应,以防止故障影响的扩大化。

  (5)直流电力电缆诊断检测技术。如前所述,基于种种优点,直流电缆输电已越来越受到电力行业重视。然而,目前的电缆诊断检测技术均是针对交流电力电缆的。及早研究直流电缆运行、老化和故障产生机理,并提出相应检测技术和在线监测方案,无疑是该领域今后的重要任务。


本文由 安徽电力电缆 整理编辑。

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