1、低壓電纜絕緣狀態(tài)檢測方法內(nèi)容摘要隨著低壓電纜在電網(wǎng)供電中的越來越廣泛的使用，低壓電纜的使用數(shù)量、長度有了很大的發(fā)展，隨之故障也增多了。為了能提前預測低壓電纜絕緣發(fā)展方向，低壓電纜絕緣故障檢測方法的研究應(yīng)運而生，并且得到了很好的發(fā)展本文首先簡述了低壓電纜的研究現(xiàn)狀和低壓電纜絕緣故障類型及老化原因。隨后，討論低壓電纜絕緣老化及其表現(xiàn)形式。在文章中，對低壓電纜絕緣故障檢測方法進行了歸納和總結(jié)，給出了各種檢測方法的原理，并對各種測試方法的優(yōu)缺點進行了比較分析，給出了種種測試方法的適用范圍，以期為各種低壓絕緣故障的檢測系統(tǒng)方法選擇提供了各種參考方法。用上述方法通過實驗對電纜檢測后，達到了預期檢測的目的，

2、對電纜的絕緣狀態(tài)給出了總體的評評判。關(guān)鍵詞：介質(zhì)損耗；水樹枝；老化；漏導電流目 錄內(nèi)容摘要I引 言11 低壓電纜絕緣概述21.1 低壓電纜檢測方法的研究現(xiàn)狀21.2 低壓電纜絕緣故障類型21.2.1 接地故障21.2.2 短路故障21.2.3 斷線故障21.3 低壓電纜絕緣老化原因31.3.1 熱老化31.3.2 機械老化31.3.3 電老化31.4 本文主要研究內(nèi)容42 低壓電纜絕緣狀態(tài)檢測技術(shù)分析52.1 低壓電纜絕緣電阻的測試方法52.1.1 測試中電壓與時間的選擇52.1.2 低壓電纜絕緣電阻的測量52.2 低壓電纜絕緣漏導電流檢測方法62.3 低壓電纜絕緣介質(zhì)損耗檢測方法72.3.1

3、 低壓電纜絕緣介質(zhì)損耗的測量原理72.3.2 低壓電纜絕緣介質(zhì)損耗的測量方法72.4 低壓電纜絕緣在線運行檢測方法82.4.1 直流疊加法82.4.2 低頻疊加法92.4.3 交流疊加法103 測量數(shù)據(jù)分析與判斷123.1 低壓電纜絕緣電阻實驗結(jié)果的分析與判斷123.2 低壓電纜絕緣泄露電流實驗結(jié)果的分析與判斷123.3 低壓電纜絕緣介質(zhì)損耗實驗結(jié)果的分析與判斷124 總結(jié)14參考文獻15引 言在生產(chǎn)、生活中電氣絕緣引起的事故比率居高不下，特別是隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平不斷的提高，用電量在大幅的增加，同時對用電安全也提出了更高的要求。針對電纜故障，很有必要研究電纜故障應(yīng)對措施，以期達到

4、如下目的：一是使電纜可能出現(xiàn)故障點處能夠按計劃停電得到及時處理，二是：電纜出現(xiàn)故障后，測試人員到達現(xiàn)場能夠以最短的時間，準確地探測出故障點，采取有效處理措施后，能夠快速恢復線路供電，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。目前，對低壓電纜的檢測，我們基本上還采用定期試驗維修的方法，這種離線試驗方法對出廠產(chǎn)品與將要投入使用的設(shè)備進行檢測非常有效，但無法對使用中的電纜進行監(jiān)測。而且電纜在試驗時使用耐壓試驗等方法，本身就會對其造成損傷，使電纜的老化加快，電纜的絕緣特性受到影響，雖然耐壓試驗是一種有效發(fā)現(xiàn)故障的方法，但還是要尋求不會對試品有損壞的新試驗方法。各種離線和在線檢測方法為低壓電纜的絕緣狀態(tài)檢測提供了新的思

5、路。151 低壓電纜絕緣概述1.1 低壓電纜檢測方法的研究現(xiàn)狀電力電纜試驗技術(shù)嚴重滯后于電力電纜制造和應(yīng)用技術(shù)。國家關(guān)于絕緣電力電纜(XLPE)投運后的試驗方法、標準和運行規(guī)程大多在20世紀70年代頒布，比較陳舊落后，有的甚至是沿用油紙絕緣電力電纜的試驗方法。1996年修編的電力設(shè)備預防性試驗規(guī)程中，僅用很少的篇幅提及絕緣電力電纜投運后的預試方法，不具可操作性。據(jù)統(tǒng)計：在19621999年間，直流耐壓試驗合格后投入運行的電纜在短期內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)約占電纜運行故障總次數(shù)的43.8%。這一事實再次說明了直流耐壓試驗不僅不能夠及時發(fā)現(xiàn)電纜運行缺陷，反而使電力電纜的絕緣損傷較大，縮短電纜運行壽命。到目

6、前為止，許多國家包括中國在內(nèi)，已不再采用直流耐壓試驗作為交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的預防性試驗手段1。介質(zhì)損耗角的測量是判斷絕緣故障的最有效的手段之一。它與材料特性有關(guān)，而與材料尺寸、體積無關(guān)的物理量，所以用測量介質(zhì)損耗角來判斷高壓電氣設(shè)備的絕緣情況，特別是對絕緣受潮、老化變質(zhì)等分布性缺陷是卓有成效的。1.2 低壓電纜絕緣故障類型電纜故障有許多種，大致分為以下幾種。1.2.1 接地故障接地故障即電纜一芯或多芯對地故障。其中又可分為低阻接地或高阻接地。一般接地電阻在20100以下為低阻故障，以上為高阻故障。因使用的電橋和檢流計靈敏度不同，對低阻與高阻的劃分也往往不一致。原則上接地電阻較低，能直接用低

7、壓電橋進行測量的故障，稱為低阻故障。須要進行燒穿或用高壓電橋進行的故障，稱為高阻接地。1.2.2 短路故障短路故障即電纜兩芯或三芯短路，或兩芯、三芯短路接地。其中也可分為低阻短路或高阻短路故障，其劃分原則與接地故障相同。1.2.3 斷線故障斷線故障即電纜一芯或多芯被故障電流燒斷或受機械外力拉斷，形成完全斷線或不完全斷線，其故障點對地的電阻也可分為高阻或低阻故障，一般以1M為分界限，小于1M為低阻。能較準確地測出電纜的電容，用電容量的大小來判斷故障點可稱為高阻斷線故障2。1.3 低壓電纜絕緣老化原因絕緣材料在使用一定的年限以后，絕緣性能都會呈現(xiàn)一定程度的劣化，這被稱為“絕緣老化”。絕緣材料的老化

8、原因是多樣的、復雜的，最具代表性的主要有：熱老化、機械老化、電壓老化等。絕緣材料老化的表現(xiàn)主要有絕緣電阻下降、介質(zhì)損耗增大等，對老化了的絕緣材料進行顯微觀察，可以發(fā)現(xiàn)樹枝狀結(jié)構(gòu)存在。1.3.1 熱老化熱老化指的是絕緣介質(zhì)負荷電流變化及短路電流引起的熱伸縮、材料氧化、熱分解等化學變化以及硬度變化、龜裂等物理變化引起的老化和絕緣材料性能降低。其化學結(jié)構(gòu)在熱量的作用下發(fā)生變化，使得絕緣性能下降的現(xiàn)象。熱老化的本質(zhì)是絕緣材料在熱量的影響下發(fā)生了化學變化，所以熱老化也被稱為化學老化。一般情況下，化學反應(yīng)的速度隨著環(huán)境溫度的升高而加快。熱老化使得絕緣材料的電氣和機械性能同時產(chǎn)生劣化，絕緣壽命減少，但是最顯

9、著的表現(xiàn)還是材料的伸長率、拉伸強度等機械特性的變化。例如，XLPE材料被認為當拉伸率從初始的400%600%降低到100%時壽命終止3。1.3.2 機械老化機械老化是電纜系統(tǒng)在生產(chǎn)、安裝、運行過程中受到各種機械應(yīng)力的作用發(fā)生的老化。這種老化主要是絕緣材料在機械應(yīng)力作用下產(chǎn)生微觀的缺陷，這些微小的缺陷隨著時間的流逝和機械應(yīng)力的持續(xù)作用慢慢惡化，形成微小裂縫并逐漸擴大，直至引起局部放電等破壞絕緣的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也被稱為“電-機械擊穿”。1.3.3 電老化電老化指的是在電場長期作用下，由于電纜制造中的質(zhì)量缺陷，施工中機械與外力作用傷害，絕緣物中的空隙、裂紋等，造成局部電場不均勻，誘發(fā)局部放電，以導體

10、的變異部、空隙、雜質(zhì)為起點，局部破壞，發(fā)展成樹枝化，漸漸地導致絕緣破壞。電老化機理很復雜，它包含因為絕緣擊穿產(chǎn)生。放電引起的一系列物理和化學效應(yīng)4?？傊?，樹枝狀結(jié)構(gòu)是絕緣老化、劣化后最常觀察到的現(xiàn)象，它們的產(chǎn)生和生長是引起絕緣老化、劣化的最基本、直接的因素。研究各種樹枝產(chǎn)生、生長的機理和它們對絕緣的影響對于尋找防止絕緣材料老化和檢測絕緣老化程度的方法是非常有意義的。1.4 本文主要研究內(nèi)容隨著電力事業(yè)的迅速發(fā)展，對供電可靠性和用電安全性的要求在進一步的提高，電力設(shè)備絕緣狀況檢測技術(shù)的發(fā)展日益得到重視，新的檢測設(shè)備和新的檢測技術(shù)不斷在推出。電線電纜是最常用的電力設(shè)備，同時也是出現(xiàn)絕緣故障的概率最

11、高的設(shè)備，據(jù)不完全統(tǒng)計，電氣絕緣不良引起的事故中波及的設(shè)備有近一半與電線電纜有關(guān)。在我國，針對高電壓等級的電纜絕緣檢測技術(shù)受到了普遍的重視，但是針對低壓配電網(wǎng)的電線電纜絕緣檢測技術(shù)的研究卻進展不大。本文的提出就是針對上述問題研究的有效補充，以低壓電纜的絕緣電阻和漏電電流為主要研究手段，對電纜絕緣狀態(tài)進行檢測，并判斷電纜的絕緣狀態(tài)以及故障的類別。2 低壓電纜絕緣狀態(tài)檢測技術(shù)分析2.1 低壓電纜絕緣電阻的測試方法2.1.1 測試中電壓與時間的選擇（1）測試電壓：測試絕緣電阻時所施加的直流電壓不能太高，否則會導致絕緣內(nèi)部放電，既影響測試正確性又易造成絕緣損壞；也不能太低，以致影響測試的靈敏度和準確性

12、。對于35kV及以下的電力電纜，一般最低電壓不低于100V，最高電壓不超過3000V。（2）測試順序：為了檢查電纜在耐壓試驗過程中可能產(chǎn)生而并未暴露(即未擊穿)的缺陷，因此絕緣電阻的測試應(yīng)在耐壓試驗之后。（3）測試中的讀數(shù)時間：由于加上電壓后，絕緣中存在著三種隨時間而衰減的電流，因此理論上應(yīng)該等這三種電流全部衰減完后，才讀到導電電流(即泄漏電流)的數(shù)值，以計算絕緣電阻。但時間太長測試工作量大以及考慮到測量系統(tǒng)長時間的穩(wěn)定性，因此在測試方法的標準中明確規(guī)定在接通電流后1分鐘(即正到達1分鐘時即讀數(shù))。1分鐘讀數(shù)既保證了非電導電流大部分己經(jīng)消失，又使測試時間有了統(tǒng)一，使讀數(shù)具有重復性和可比性，以及

13、提高測試效率。2.1.2 低壓電纜絕緣電阻的測量測量絕緣電阻的儀表被稱為兆歐表，傳統(tǒng)的有靠手搖動產(chǎn)生電壓的搖表，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種性能優(yōu)良數(shù)字兆歐表。對于采用多層絕緣的電力電纜而言，是測量線芯導體與屏蔽層之間的絕緣電阻，接線方式如圖2.1所示，測量電壓在1000V以上。對于一般低壓配電網(wǎng)各種電線而言，可以采取測量兩相間或相線對地線之間的絕緣電阻的方法，測量電壓為500V或者1000V。圖2.1 電纜絕緣電阻測量接線圖絕緣電阻的判定標準根據(jù)電纜種類、電壓等級、應(yīng)用場合等條件不同而不同，同時也因測試電壓等級不同而不同。一般規(guī)定民用低壓供電線路絕緣強度標準必須達到在500V電壓下，絕緣電

14、阻值不低于0.5M；對于空調(diào)回路，必須不低于1.0M。高壓10kV配電線路，要求每個絕緣子絕緣電阻不應(yīng)小于300M。2.2 低壓電纜絕緣漏導電流檢測方法漏導電流的測量實際上是從直流耐壓實驗測量而得，所以其測量原理和耐壓實驗相同。進行直流耐壓試驗需要高壓直流電源，一般利用交流試驗變壓器通過整流產(chǎn)生。直流耐壓試驗裝置的原理線路如圖2.2所示。測試設(shè)備為YMGY-15型電壓測試電源，DXDL-1型數(shù)顯高壓電流表，高壓電壓表。圖2.2 泄露電流測試原理圖R限流電阻；VD整流硅堆；PA1和PA2分別為高壓端和低壓端微安表；T為高壓變壓器，由220V交流調(diào)壓變壓器供電；Cx為被測試品。漏導電流測試值與溫度

15、、濕度有密切關(guān)系，因此在測試被測對象的同時，測量對象的溫度和環(huán)境溫度及濕度，應(yīng)參照國家標準，制定標準環(huán)境參量，修正測量值7。2.3 低壓電纜絕緣介質(zhì)損耗檢測方法2.3.1 低壓電纜絕緣介質(zhì)損耗的測量原理根據(jù)圖2.2的等效電路圖和向量圖的分析，我們可以得出介質(zhì)損耗角的定義如下： （2-1）如果取得試品的電流相量主以及電壓相量，則可得到其相量圖，詳見圖2.2。又因為總電流可以分解為電容電流Ic和電阻電流IR合成，因此: （2-2）根據(jù)介質(zhì)損耗、電容值的頻譜響應(yīng)，從而診斷判定各種絕緣介質(zhì)的老化程度，區(qū)分影響絕緣的因素。如水分、溫度、氧化等。適用于對變壓器、套管、電纜(交鏈聚乙烯電纜XLPE及油浸紙電

16、纜)、CTPT互感器、發(fā)電機、電動機及斷路器的絕緣測試。其測試原理框圖如下:圖2.3 低壓電纜絕緣介質(zhì)損耗的測試原理圖2.3.2 低壓電纜絕緣介質(zhì)損耗的測量方法除產(chǎn)品標準中另有規(guī)定者外，試樣有效長度應(yīng)不小于3m，試樣兩端絕緣外的覆蓋物應(yīng)小心地剝除，注意不得損傷絕緣表面。試樣應(yīng)在試驗環(huán)境中放置足夠長的時間，使試樣溫度與試驗溫度平衡，并保持穩(wěn)定。浸入水中試驗時，試樣兩個端頭露出水面的長度不小于250mm，絕緣部分露出的長度應(yīng)不小于150mm。在空氣中試驗時，試樣端部絕緣部分露出護套的長度應(yīng)不小于100mm。露出的絕緣表面應(yīng)保持干燥和潔凈。非金屬護套電纜，非屏蔽電纜或無愷裝的電纜試樣，應(yīng)浸入水中，單

17、芯者測量整個電纜的介質(zhì)損耗（從0.01Hz到）；多芯者，應(yīng)分別就電纜每個線芯對其余線芯與絕緣層的介質(zhì)損耗進行測量8。2.4 低壓電纜絕緣在線運行檢測方法傳統(tǒng)常規(guī)的停止運行狀態(tài)下的絕緣試驗間隔時間長，因此不易及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣缺陷，而且試驗時還會因停電造成一定的經(jīng)濟損失。隨著檢測技術(shù)、計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和對電力設(shè)備安全重視程度的提高，在線絕緣診斷技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。2.4.1 直流疊加法該方法是從停電測試方法中直流漏電流的測試發(fā)展而來的，最早于1977年開始應(yīng)用。測量電路如圖2.4所示。從變電所接地變壓器（GPT）的中性點處接入50V直流測試電源，檢測電纜的屏蔽層對地的微弱電流，并換算成相

18、應(yīng)的絕緣電阻。直流疊加法對于因電纜中水樹枝引起絕緣電阻的下降比較敏感，是一種原理直截且比較容易實施的方法。圖2.4 直流疊加法測量回路值得注意的是，當測量對象是敷設(shè)在地面以下的電纜時，電纜屏蔽層金屬與土壤之間因水分和礦物鹽分等物質(zhì)的作用存在化學電動勢，這個直流的電動勢會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。為了消除這種影響，可以采取先后疊加正、負電壓測量的方法。對于低壓配電網(wǎng)（如IT型電網(wǎng)）而言，也可以采用直流疊加法測量各相電纜對地的漏電流，接線方式如圖2.5所示。圖2.5 IT電網(wǎng)直流疊加法測量回路直流疊加法的不足之處主要有兩點。其一，直流電壓迭加法因散雜電流的變化或端部表面泄露電阻變低而產(chǎn)生較大的測量誤差。

19、其二，直流電壓是經(jīng)中性點接地的電壓互感器疊加于電纜的，若互感器中長期流過直流電源會發(fā)生磁飽和現(xiàn)象而產(chǎn)生零序電壓，可能使變電所內(nèi)繼電器誤動作，因此在有些變電站是不允許應(yīng)用的。此外，直流疊加法只適用于中性點不接地的電網(wǎng)形式，不適用于中性點直接接地的電網(wǎng)。2.4.2 低頻疊加法低頻疊加法是在電纜導體上施加一個低頻電壓（7.5Hz，20V），從接地端檢出的低頻電流中分離出與電壓同相位的有功電流分量，從而求得絕緣電阻。試驗證明這種方法對未貫穿的水樹枝造成的絕緣性能下降也是可以檢測到的。該方法之所以要采用7.5Hz的低頻交流電，其原因和測量tan時降低測試電壓頻率一樣，即電源頻率減小，電容性電流分量也隨之

20、減小，而電阻性電流大小沒有變化，從而使得從總電流中分離有功電流分量更加容易，測量結(jié)果的相對誤差也會較小。同時，采用20V的電壓幅值也是在保證有足夠的電流響應(yīng)值的基礎(chǔ)上盡量不對電網(wǎng)和負載造成太大影響。低頻疊加法原理如圖2.6所示：圖2.6低頻疊加法原理圖(1：基準信號；2：檢測信號)低頻交流迭加法對于檢測因水樹枝引起的絕緣老化是一種較好的方法，所檢測到的交流損失電流在原理上隨著劣化的發(fā)展而變大的。但在使用中應(yīng)認真確認電纜端部的工作狀態(tài)，例如為調(diào)整端部電場分布而裝有應(yīng)力環(huán)時，即使電纜絕緣良好，交流損失電流也較大，那么僅根據(jù)在線監(jiān)測的信號，就可能做出“絕緣不良”的誤判斷。2.4.3 交流疊加法該方法

21、是將頻率為工頻的2倍+1Hz的50V交流電壓疊加到電纜的屏蔽層，以得到1Hz的劣化特征電流信息，從而判斷電纜絕緣老化狀況。測量原理如圖2.7所示，檢測時先斷開K。圖2.7交流疊加法原理圖試驗表明，在給老化電纜屏蔽層上疊加不同頻率的交流電壓時，當電壓頻率為100Hz時，會產(chǎn)生一個比較大的特征電流。進一步的研究表明，該特征電流只在有水樹枝老化的電纜上產(chǎn)生，對于新電纜并不產(chǎn)生特征電流，并且當疊加電壓的頻率為101.4Hz時，特征電流達到最大值。除上述提及的方法以外，電纜絕緣在線檢測方法還有很多，如針對水樹枝老化的接地電流法，從交流疊加法發(fā)展而來的脈動檢測法，針對高頻老化電流成分的損耗電流法等等，此外

22、，還有多種針對局部放電的在線檢測技術(shù)，同時，新的檢測方法還在不斷研究當中?？傊?，在線絕緣檢測以其不可取代的優(yōu)越性能將越來越受到人們的重視，應(yīng)用也將越來越普及。3 測量數(shù)據(jù)分析與判斷3.1 低壓電纜絕緣電阻實驗結(jié)果的分析與判斷試驗結(jié)果的分析與判斷電纜主絕緣層的絕緣電阻較低時，一般應(yīng)根據(jù)以往的測試記錄來綜合判斷，如果絕緣電阻降低的速度突然加快，應(yīng)查明原因并加以消除，必要時可通過直流耐壓來確定是否可以投入運行。如果兩次測得的絕緣電阻值相差較大時，表明已形成原電池，從而可判斷外護套和內(nèi)襯層是否已破損進水。外護套破損不一定要立即修理，但內(nèi)襯層破損進水后，水分直接與電纜芯接觸并可能會腐蝕銅屏蔽層，一般應(yīng)盡

23、快檢修。3.2 低壓電纜絕緣泄露電流實驗結(jié)果的分析與判斷試驗結(jié)果的分析與判斷電纜通過直流耐壓試驗而未擊穿者，一般可認為該電纜的絕緣性能是合格的，可以投入系統(tǒng)運行。但并不是說，通過直流耐壓試驗的電纜質(zhì)量就是好的。具有優(yōu)良質(zhì)量的電纜線路應(yīng)在合理運用及無外力損傷的情況下安全運行數(shù)十年無事故。試驗被測舊電纜為0.6/IkV低壓電纜，并且其歷史工作電壓小于400V，雖然該電纜存在一定的老化現(xiàn)象，但其工作電壓小于400V，按照國家標準規(guī)定試驗電壓250OV條件下，電纜絕緣未擊穿。說明舊電纜絕緣性能仍符合國家標準規(guī)定。50時，在25O0V試驗電壓條件下，泄漏電流最大值符合電線電纜手冊規(guī)定，綜合以上，可以判定

24、該電纜絕緣性能可用。3.3 低壓電纜絕緣介質(zhì)損耗實驗結(jié)果的分析與判斷實驗室內(nèi)新、舊電纜介質(zhì)損耗角正切的測試數(shù)據(jù)如表3.1所示。測試條件：測試電壓140V，頻率：0.011000Hz，環(huán)境溫度20，濕度45%。表3.1 介質(zhì)損耗實驗數(shù)據(jù)新電纜舊電纜頻頻率/Hztan頻頻率/Hztan100000304810000066668470590024424705900580242222200198222220047990395001799903950042031601500180260150041171500018185000411114000183440004104220001928200041826

25、100020771000436964641700236846417004728621546002918215460054194100383910067340046417005177046417008986202154400702902154401383601009614010177480026420139500464160262880021540215090021544040707001035614001066342介質(zhì)損耗增大直接反映為電纜絕緣能力的下降。分析實驗室測量結(jié)果，導致電纜介質(zhì)損耗增大的主要原因是電纜絕緣老化。其結(jié)果分析主要根據(jù)是上表中舊電纜數(shù)據(jù)的變化趨勢與新電纜的趨勢基本一致。這說明了由于電纜絕緣老化，電纜的絕緣性能整體下降。測試電壓頻率為50Hz時，舊電纜的介質(zhì)損耗為0.041，小于極限介質(zhì)損耗參考值。這說明了舊電纜絕緣狀態(tài)良好。此結(jié)果與絕緣電阻和泄漏電流的測試結(jié)論是相符合的。進一步就可以分析介質(zhì)損耗增大的原因，如:絕緣受潮、絕緣中含氣或微粒雜質(zhì)存在、絕緣老化變質(zhì)等等。導致電纜介質(zhì)損耗增大的主