近年來隨著塑料電力電纜廣泛應用,電力系統中電纜故障次數也增多了,針對塑料電力電纜的絕緣診斷愈來愈引起人們的關注。除了一般的電氣性能試驗之外,提出了用直流分量檢測水樹枝,用極化松弛時間常數來判斷老化等,但定量的數據都還不成熟。本文章主要是介紹有關的方法、原理。
交聯聚乙烯電纜(XLPE)的絕緣層電阻,一般應在2x109/km以上;護套的電阻應不小于1X106Ω/km。由于直流高場強對XLPE是有害的,因此,測量時施加的直流電壓不能太高(見各電壓等級的產品標準)。
根據泄漏電流來診斷電纜的絕緣狀態是最一常用的診斷方法,其判斷標準可參考下表。試驗時施加的直流電壓也不能太高。
對于XLPE電纜,絕緣電阻和泄漏電流與交流擊穿場強有統計規律關系,如下圖所示。雖然數據的分散性比較大,但可以看出隨絕緣電阻下降,交流擊穿電壓也下降。從圖中可以看到泄漏電流增大,交流擊穿電壓就下降。因此,用這兩個參數來診斷絕緣還是很有實用意義的。
(1)絕緣電阻與擊穿電壓的關系(2)泄漏電流和擊穿電壓的關系
損耗因數是XLPE電纜很主要的電性能參數,可用電橋法測量。在施加交流電壓1.0kV、1.9kV、3.3kV下,可參考下表中所示的極限進行推斷。
tanδ的判斷基準
XLPE電纜損耗因數與擊穿電壓之間也存在統計規律,從下圖可以看出:tanδ增大,擊穿電壓趨于下降。這也說明tanδ做為絕緣診斷的參數之一是必要的。
tanδ與擊穿電壓的關系
由于長電纜的電容量很大,用工頻交流做耐壓試驗,需要大容量高壓試驗變壓器,在現場做試驗是不現實的。過去都是用直流高壓來替代交流,近年來發現直流高場強對XLPE絕緣會帶來嚴重損害,現已基本不用。人們正在試用某種超低頻高壓,如0.1Hz來做耐壓試驗,但它與工頻高壓的等效性,還有待進一步研究和積累經驗。
XLPE電纜中的局部放電造成的危害,要比油紙電纜的嚴重得多。XLPE電纜允許的放電量很小(出廠時要求小于10pC),同時長電纜的電容量大,測量局部放電的靈敏度又低,再加上現場干擾大,在現場測量電纜的局部放電是很困難的,目前只能測到比較嚴重的放電。對于允許的放電量尚無標準規定,一般認為放電量為上百pC,或雖只有幾十pC的放電量但還在不斷增長,都應做為異常處理。
塑料電纜常見的故障是由水樹枝發展而造成擊穿。在有電場和水分同時存在時,塑料電纜的絕緣層會產生樹枝狀的放電腐蝕。樹枝發展愈長,擊穿電壓下降得愈多,如圖所示。同時,樹枝增長,絕緣電阻也下降,泄漏電流和損耗因數都增大,但樹枝增長對這些性能的變化只是充分條件,而不是必要條件。近年來研究水樹枝發展的機理,發現它的存在有整流作用,即在交流電場下會有直流電流通過絕緣層。于是可以在電纜的接地線上采集此直流分量。水樹枝發展愈嚴重,I0就愈大。因此,就可根據此直流分量來診斷水樹枝的發展情況。
擊穿電場強度與水樹枝長度的關系
在交流電壓上疊加一直流電壓,可以大大提高測量直流分量的靈敏度,如疊加直流電壓50V,直流分量可增大10倍(一般直流分量為10-9A數量級)。直流分量的測量比較方便,而且便于在線檢測。下圖是現場測量直流分量的線路圖。電纜外屏不接地,電容器C將交流分量旁路。S1閉,S2開,讓直流分量通過R,于是可采集到直流電壓,再經低頻濾波LPF檢測儀器放大、顯示,就可測到直流分量。測量靈敏度要求能測10-10A。DC電源供檢查電纜外層對地電阻,這時,將S1打開,閉合S2、S3,測量聽過R的電流,就可測得此電阻。
若要疊加直流電壓,可在試驗變壓器的中點接入一直流電源,這樣,變壓器高壓端的電壓就成為工頻交流疊加在直流之上。
從物質結構上分析,塑料電纜老化時,高分子材料的聚集態和分子本身的結構會發生變化,分子鍵發生斷裂。這必引起介質極化機理的變化,同時也反映在極化松弛時間的變化。在XLPE電纜上施加直流電壓,可測得吸收電流Ig。和反向吸收電流隨時間的關系曲線,如下圖所示。吸收電流曲線一般都是指數式下降,但時間常數在不同的時間區域中可能是不同的??捎貌煌姆椒ㄈ缒:龜祵W的模糊貼近度方法求取不同的時間常數τ、τ2、τ3。
吸收電流和反吸收電流隨時間的變化曲線
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