煤礦6kv電纜對地絕緣參數(shù)檢測技術(shù)的研究含示意圖

1、西安科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 煤礦6kv電纜對地絕緣參數(shù)檢測技術(shù)的研究函 授 站 專業(yè)及班級 電氣工程及自動化 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 日 期 繼續(xù)教育學(xué)院 論文題目：煤礦6kv電纜對地絕緣參數(shù)檢測技術(shù)的研究專 業(yè)：電氣工程及其自動化本 科 生： （簽名）： 指導(dǎo)教師： （簽名）： 摘 要隨著電力事業(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)備和檢測技術(shù)在不斷的推出。電線電纜是最常用的電力設(shè)備，同時也是出現(xiàn)絕緣故障的概率最高的設(shè)備。由于煤層大多身處地下幾百米，陰冷潮濕的環(huán)境對電纜的考驗更加嚴峻，因此為防止發(fā)生事故，對電

2、纜的絕緣檢測更加重要。 論文首先簡要介紹了電線電纜絕緣材料的特性，闡述了絕緣材料老化的機理、絕緣漏電流的成因和相關(guān)電路模型，并在此基礎(chǔ)上分析了針對電線電纜的各種絕緣檢測技術(shù)的原理以及各自的優(yōu)缺點。其次,針對設(shè)計，重點研究了倍壓整流電路的特性。使用仿真軟件ewb進行線路仿真，選擇電路參數(shù)，最后制作實物并進行驗證實驗。關(guān)鍵字：絕緣參數(shù), 仿真, 附加直流電源, 倍壓整流電路subject : the coal mine 6 kv electric cable to ground the researches which insulate a parameter examination a tech

3、niquespecialty : electrical engineering and automationname : (signature): instructor : (signature): abstractwith the development of electrical engineering and the further demand on the service reliability and safety of power systems, the insulation monitoring technique has been paid much attention,

4、at the same time，advanced methods and devices has been in constantly emerge. the electric wire electric cable is the most in common use electric power equipments, also is to appear to insulate to break down all a rate the tallest equipments in the meantime. because coal bed mostly the places undergr

5、ound be several 100 meters, cold and humid environment on the cable even more severe test, so as to prevent the incident, the cable insulation testing even more important.the first part of the thesis has a review-like character. it makes a brief introduction of the characteristic of dielectric, and

6、than the mechanisms of insulation ageing and the circuit model are introduced. some methods for insulation monitoring are also analyzed based on the circuit model. second, focus on the design for the times the pressure of the circuit. the use of simulation software ewb for line simulation, select ci

7、rcuit parameters, the final production of physical and verification experiment.key words: insulation parameters, simulation, additional dc power supply, voltage-doubling circuit 目錄摘 要iabstractiii目錄iv第1章 緒論11.1 電力電纜絕緣診斷意義11.2 課題研究背景及意義11.3 論文主要工作及研究內(nèi)容21.3.1 論文的主要內(nèi)容2第2章 電力電纜的特性32.1 電力電纜的使用概述及分類32.1.1

8、電力電纜的使用概述32.1.2 電力電纜的分類32.1.2.1 油浸紙絕緣統(tǒng)包電纜632.1.2.2 分相鉛包電纜42.1.2.3 自容式充油電纜42.1.2.4 橡皮電纜52.1.2.5 聚氯乙烯電纜52.1.2.6 交聯(lián)聚乙烯電纜52.2電力電纜故障分類52.2.1電力電纜故障產(chǎn)生的原因及分類52.2.2電力電纜故障原因62.2.3故障的性質(zhì)與分類62.3 絕緣老化的原因及類型72.3.1 熱老化82.3.2 機械老化92.3.3 電老化92.3.4 其它類型102.4 絕緣介質(zhì)在電場作用下的特性102.4.1極化102.4.2 電導(dǎo)102.4.3 損耗102.5 絕緣介質(zhì)的吸收現(xiàn)象12第

9、3章 電纜絕緣診斷技術(shù)163.1 概況163.2 電纜絕緣停止運行診斷法173.2.1 絕緣電阻的測量173.2.2 泄露電流的測量183.2.3 介質(zhì)損耗角正切值的測量193.2.4 逆吸收電流法203.2.5殘余電荷法203.2.6 電位衰減法203.3 電纜絕緣在線診斷法213.3.1 直流分量法213.3.2 局部放電法223.3.3 差頻法223.3.4 交流疊加法233.3.5 諧波分量法24第4章 附加直流電源絕緣檢測法254.1 直流高壓發(fā)生器概述254.2 直流高壓發(fā)生器的設(shè)計254.2.1 直流高壓發(fā)生器的幾種產(chǎn)生方式254.2.1.1 半波整流254.2.1.2 工頻倍壓

10、整流254.2.1.3 中頻倍壓整流264.2.2 倍壓電路的工作特性264.2.2.1 倍壓整流電路基本原理264.2.2.2 其他形式的倍加電路結(jié)構(gòu)的工作特性274.3 倍壓電路參數(shù)選擇324.3.1 電纜的實驗特性324.3.2 參數(shù)選擇354.3.2.1 電容值選擇354.3.2.2二極管選擇404.4 實驗404.5 小結(jié)42第5章 論文總結(jié)435.1 論文工作總結(jié)435.2 后續(xù)工作43致謝44參考文獻45第1章 緒論1.1 電力電纜絕緣診斷意義隨著工業(yè)的發(fā)展、城市的擴大，輸電、配電系統(tǒng)中電力電纜的比重在不斷提高。目前所用的電力電纜大多采用有機絕緣材料，如油紙、橡膠、交聯(lián)聚乙烯等。

11、如果電纜的制作質(zhì)量好、運行條件合適，而且不受外力等破壞，則電纜絕緣的壽命相當長。國內(nèi)外的運行經(jīng)驗也證明了這一點：制造敷設(shè)良好的電纜，如有事故則大多是由于外力破壞或地下污水的腐蝕等所引起的。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)也要求電力電纜的運行是長期、連續(xù)和安全穩(wěn)定的。然而由于電力負荷的不斷增加，電力電纜由絕緣缺陷所導(dǎo)致的事故隱患也在不斷增加，因此如何保證電力電纜安全穩(wěn)定的運行已成為了電力系統(tǒng)中一個多因素、非常復(fù)雜的課題。1.2 課題研究背景及意義目前煤礦電氣設(shè)備檢修，大多采用常規(guī)性的試驗方法，即定期停電對設(shè)備進行絕緣特性試驗。這種測試方法不足之處：其一，需要設(shè)備退出運行，進行試驗時還必須設(shè)

12、置臨時試驗線路，費工費時，受人為因素影響，甚至使測量發(fā)生錯誤，且試驗電壓不是實際運行電壓，所測結(jié)果也不是系統(tǒng)正常運行情況下的絕緣情況;其二，每次試驗時間間隔過長，難以及時掌握電器設(shè)備絕緣特性的發(fā)展情況。這就使得絕緣事故常有發(fā)生，而事故之前的停電試驗結(jié)果往往又是正常的。而電氣設(shè)備的可靠運行，在很大程度上取決于長期工作電壓下設(shè)備絕緣的可靠性。雖然耐壓試驗仍然是一種有效的發(fā)現(xiàn)故障的方法，但為了保障電力電纜的安全運行，電力電纜絕緣在線監(jiān)測技術(shù)得到了長足的發(fā)展。目前，xlpe電力電纜的在線監(jiān)測技術(shù)主要有直流分量法、直流疊加法、tg法、局部放電法及低頻疊加法等。國外，特別是歐美和日本等發(fā)達國家，這些方法己

13、經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用，積累了豐富的經(jīng)驗，在監(jiān)測方法和技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，其研究開發(fā)的絕緣監(jiān)測及檢測裝置已有較好的應(yīng)用效果；更重要的是，長期的在線運行提供了大量的監(jiān)測結(jié)果，豐富了對電纜缺陷和老化的判據(jù)。值得一提的是，日本在交聯(lián)電纜的在線監(jiān)測技術(shù)和方法上投入了大量人力和物力，開發(fā)了一些診斷設(shè)備，并提出了電纜老化程度的判據(jù)。而我國在線監(jiān)測技術(shù)目前尚處于起步階段，不少學(xué)者和研究單位對國外的監(jiān)測技術(shù)和方法進行跟蹤研究。12在電力電纜在線監(jiān)測領(lǐng)域，國內(nèi)也有大量相關(guān)論文和研究成果，但是目前投入實際運行的在線監(jiān)測產(chǎn)品并不多見。煤礦生產(chǎn)以井下巷道作業(yè)為主，隨著煤礦井下用電設(shè)備的日益增多和電壓等級的升高，用電安全問

14、題亦日益突出，其中漏電事故占有很大比重，成為礦井安全的一大隱患.由于漏電的廣布性、隱密性、連續(xù)性、多發(fā)性和突發(fā)性，因此，危害性也就很大。3我國煤礦井下多采用變壓器中性點不接地系統(tǒng)供電，電力的傳輸主要靠電纜。電纜在運行過程中，因機械損傷、操作過電壓和水分的逐漸滲入，在電場長期作用下內(nèi)部會出現(xiàn)局部放電，引起老化和絕緣電阻下降。電纜絕緣電阻的下降會導(dǎo)致漏電流，不但可能導(dǎo)致人身觸電事故，還會形成單相接地，進而發(fā)展成為相間短路。對于絕緣水平比較薄弱的煤礦井下電網(wǎng)，如不及時斷開故障饋線，會引起系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)，嚴重時會引發(fā)電弧造成瓦斯和煤塵爆炸。據(jù)統(tǒng)計，在供電事故中，電纜事故占2 /3左右，故預(yù)防及減少電纜

15、事故至關(guān)重要。根據(jù)我國煤礦6kv電網(wǎng)對地絕緣電阻的測量現(xiàn)狀，對對地絕緣參數(shù)檢測技術(shù)進行研究。對電纜絕緣參數(shù)檢測的研究，不僅可以有效的減少井下供電故障，更可以保障煤礦的安全運行。1.3 論文主要工作及研究內(nèi)容本論文主要是針對煤礦電力電纜絕緣檢測技術(shù)的研究，首先統(tǒng)計電力電纜絕緣故障的類型及原因，明確故障發(fā)生發(fā)展的機理，并進一步了解電力電纜絕緣檢測技術(shù)的各種方法，選擇一種方法對其進行深入研究。1.3.1 論文的主要內(nèi)容（1）電力電纜的分類，電纜絕緣故障的原因及特性分析，絕緣診斷技術(shù)的研究通過查閱大量文獻，總結(jié)找出電纜發(fā)生故障的原因及故障類型，工作量大，并對上述進行研究；（2）對采用附加直流電源絕緣檢

16、測法的直流電源進行細致研究通過采用ewb仿真軟件，對直流高壓發(fā)生器的參數(shù)選擇進行仿真，選出參數(shù)。這是本課題的關(guān)鍵所在；（3）根據(jù)所選參數(shù)，制作實物，進行實驗驗證。 第2章 電力電纜的特性2.1 電力電纜的使用概述及分類2.1.1 電力電纜的使用概述電線和電纜是電力系統(tǒng)中使用最為廣泛的設(shè)備，在各類電氣事故波及的設(shè)備中，與電線電纜有關(guān)的占了幾乎50%，其中大部分又是因為絕緣損壞所致。高壓電力電纜在區(qū)域間傳輸大量電能的重要作用，是國民經(jīng)濟的動脈，人們對的它的絕緣檢測非常重視，已經(jīng)做了很多研究。在我國，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，居民、廠礦用電量近幾年在飛速的增加，但是對人們對低壓配電網(wǎng)絕緣狀

17、況的監(jiān)測卻還沒得到足夠的重視，并因此造成了相當?shù)娜藛T傷亡和財產(chǎn)損失，給人民群眾的生產(chǎn)、生活帶來了很大的負面影響。因此，為了更加準確、可靠、方便的測量到反映電纜絕緣系統(tǒng)劣化程度的特征量，及早發(fā)現(xiàn)絕緣隱患，避免事故的發(fā)生，不斷研究先進的絕緣檢測技術(shù)和開發(fā)出合適的絕緣檢測裝置是十分必要和迫切的。2.1.2 電力電纜的分類現(xiàn)在使用的35 kv以下的電力電纜主要有橡皮絕緣電纜、聚氯乙烯絕緣電力電纜、油浸紙絕緣電力電纜、交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜:35kv以上電力電纜主要有高壓充油電力電纜、交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜、sf6氣體絕緣電力電纜等。電力電纜按其絕緣層的結(jié)構(gòu)不同又可以分為油浸絕緣統(tǒng)包電纜、鉛包電纜、自容

18、式充油電纜、橡皮絕緣電纜、聚氯乙烯絕緣電纜和交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜等幾種類型。452.1.2.1 油浸紙絕緣統(tǒng)包電纜6油浸紙絕緣電纜是將電纜線芯先分相包纏上油浸絕緣紙，在線芯之間的空隙內(nèi)填充油浸麻繩或紙帶，然后再用油浸絕緣紙將幾個線芯統(tǒng)包起來。統(tǒng)包紙不但滿足了線芯與外防護層的絕緣要求，而且還起到纏緊各個線芯的作用。電纜線芯統(tǒng)包后，外部再包上防腐蝕和防外力損傷的護套層。統(tǒng)包型電纜結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省材料，價格也比較便宜，因此得到廣泛使用。統(tǒng)包電纜具有如下缺點：（1）統(tǒng)包電纜線芯之間的空隙內(nèi)有大量的電纜油存在，當使用溫度發(fā)生變化時，電纜油和其他填充物就會出現(xiàn)一定的空間。在強電場的作用下，電纜芯空間的氣體就要

19、發(fā)生游離現(xiàn)象，使電纜絕緣遭到破壞（2）散熱能力差，絕緣容易老化，因此載流量受到一定的限制。（3）由于電纜內(nèi)部有大量的電纜油存在，當電纜垂直安裝或安裝地帶兩端有地面高差時，電纜油就很容易流向低洼的部位，使該部位護套內(nèi)部壓力增大，導(dǎo)致低端電纜漏油或外護套脹裂，使電纜受到損壞。（4）由于電纜芯都統(tǒng)包在一起，線芯無分相接地屏蔽，而是共用一個外護套接地，所以易引起短路故障。為避免電纜油流動引起損傷，電纜浸漬劑應(yīng)選用電纜工作的正常溫度下不會發(fā)生流動的浸漬劑，我們稱此種類型的電纜為不滴流統(tǒng)包電纜。2.1.2.2 分相鉛包電纜分相鉛包電纜又稱為單芯電纜。在線芯的外部包纏有兩層半導(dǎo)體紙，用以消除線芯表面平整而引

20、起的電場畸變。半導(dǎo)體層外部包纏絕緣紙，絕緣紙外部纏一層半導(dǎo)體紙，然后包上鉛包護套和防腐層。分相式單芯電纜采用圓形線芯，分相屏蔽絕緣性能好，內(nèi)部無油浸漬填充料存在，不會發(fā)生電纜油外漏現(xiàn)象。分相式電纜散熱性能好，可以增加線芯的載流量。在安裝修理時易于操作，彎曲時變形較小，因此它不但適應(yīng)于10kv及以下的電纜制作，同時也適應(yīng)于35kv電壓等級的電纜制作。2.1.2.3 自容式充油電纜自容式充油電纜在導(dǎo)線芯的中心留有一個油道，油道與外部的供油箱相連接。當電纜溫度升高時，內(nèi)部的浸漬劑受熱脹，多余的浸漬劑通過油道流到供油箱內(nèi)。當電纜溫度下降時，浸漬劑收縮，供油箱內(nèi)的油回流到電纜芯油道，保持電纜線芯內(nèi)部始終

21、無間隙，不會發(fā)生游離現(xiàn)象使絕緣層遭到破壞，同時也避免了電纜溫度上升發(fā)生熱膨脹時使內(nèi)部壓力增大，損傷絕緣層和外護套。自容式充油電纜制造工藝復(fù)雜，一般在高電壓電纜制造時才采用。自容式充油電纜具有以下特點：（1）電場分布與單相電纜相同，使絕緣層在最佳狀態(tài)下工作。（2）運行時不受溫度變化影響，保持內(nèi)壓在穩(wěn)定狀態(tài)，不會造成護套層損傷故障。（3）電纜內(nèi)部無間隙存在，使絕緣強度大為增強。（4）散熱條件好，允許工作溫度高，載流量大。2.1.2.4 橡皮電纜橡皮電纜是在導(dǎo)線線芯外擠壓一層橡皮作為絕緣層，用麻作填料，在線芯外部包纏橡膠布帶或玻璃纖維帶以防止線芯松散。再擠壓一層鉛包層，最外層包上防腐用的鋼帶作為外護

22、套。橡皮電纜也可以采用聚氯乙烯或氯丁橡皮作為密封層。橡皮電纜的特點：（1）橡皮電纜耐電暈，耐腐蝕性能較差，不能制成高電壓電纜。（2）橡皮電纜柔軟易彎曲且耐低溫性能好，適用于較低溫度下和變動頻繁的場合。（3）橡皮電纜電氣性能和化學(xué)性能穩(wěn)定，防水、防腐性能好。2.1.2.5 聚氯乙烯電纜聚氯乙烯電纜構(gòu)造與油浸絕緣紙電纜基本相同，它的絕緣層是采用聚氯乙烯材料，內(nèi)填充也是采用不吸潮的麻繩等材料，外面再包纏內(nèi)襯層將線芯固定，最后再擠壓上外護套層。此種電纜的外護套有三種形式：無鎧裝、內(nèi)鋼帶或內(nèi)鋼絲鎧裝、裸鋼絲鎧裝。聚氯乙烯電纜有如下特點：（1）具有良好的電氣性能，耐油、耐燃，價格便宜。（2）化學(xué)性能穩(wěn)定，

23、安裝維護方便。（3）介質(zhì)損失大，且溫度升高時其電氣性能和機械性能明顯下降，因此限制其使用電壓在6kv及以下電壓等級，且運行溫度不得超過65kv。2.1.2.6 交聯(lián)聚乙烯電纜交聯(lián)聚乙烯電纜的結(jié)構(gòu)與聚乙烯電纜基本相同，它是在電纜線芯上先擠包一層1mm厚的半導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯，在絕緣層外面也要包一層半導(dǎo)體丁基橡膠或擠包一層半導(dǎo)體層，半導(dǎo)體層外再包一層0.11mm厚的鋼帶。成纜時線間的空隙也用填料填充使其成圓形，再纏內(nèi)襯層將三芯固定，最后再擠壓外護套進行鎧裝。交聯(lián)聚乙烯電纜具有如下特點：（1）耐熱性能和絕緣性能好，載流量大。（2）重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。（3）線芯分相屏蔽，不容易發(fā)生相間短路事故。但

24、其價格較貴，成本較高。4572.2電力電纜故障分類2.2.1電力電纜故障產(chǎn)生的原因及分類電力電纜經(jīng)過敷設(shè)和長時間的運行使用，可能會發(fā)生故障，影響電力網(wǎng)的安全運行。必須及時分清故障原因，準確判斷故障點，從而消除故障。了解電纜的故障原因及故障類型，對于快速的定出故障點十分重要。2.2.2電力電纜故障原因電力電纜故障的原因是多方面的，大致可分為以下幾種：8(1)機械損傷。機械損傷引起的電纜故障占電纜故障事故的比例較大。例如在安裝過程中，不小心碰傷電纜；機械牽引力過大而拉傷電纜；或電纜過度彎曲而損傷電纜，經(jīng)過長時間運行后就有可能發(fā)展成故障。(2)電纜絕緣的破壞。電纜絕緣的破壞是故障產(chǎn)生的主要原因，特別

25、是塑料絕緣的電力電纜，絕緣在長期電場的作用下，就會發(fā)生樹枝化放電，使絕緣降解破壞，造成貫穿擊穿。電纜密封不嚴，絕緣層進入水分而受潮，使電纜絕緣性能下降，甚至造成樹枝狀放電或直接貫穿性擊穿，導(dǎo)致電纜出現(xiàn)故障。另外，在大氣過電壓和電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的作用下，使電纜絕緣層擊穿，形成故障，這種情形下?lián)舸c一般是由于存在材料缺陷。(3)護層的腐蝕。由于地下酸堿腐蝕、雜散電流的影響，使電纜鉛包外皮受到腐蝕出現(xiàn)麻點、開裂或穿孔，致使水分進入電纜也可以造成故障。2.2.3故障的性質(zhì)與分類電力電纜故障的分類方法比較多，通常有以下幾種方法：(1)從故障形式上可分為串聯(lián)與并聯(lián)故障。串聯(lián)故障是指電纜一個或多個導(dǎo)體(包

26、括鉛、鋁外皮)斷開；并聯(lián)故障是指導(dǎo)體對外皮或?qū)w之間的絕緣下降，而不能承受正常運行電壓。導(dǎo)體斷路往往是電纜故障電流過大而燒斷的，這種故障一般伴有并聯(lián)接地或相間絕緣下降的情況。實際發(fā)生的故障絕大部分是單相對地絕緣下降故障。電纜故障點可用圖2-1所示的電路來等效。rf代表故障點處絕緣電阻，g是擊穿電壓為ug的擊穿間隙，cf代表局部分布電容，上述3個數(shù)值隨不同的故障情況變化很大，并且相互之問并沒有必然的聯(lián)系。間隙擊穿電壓ug的大小取決于放電通道的距離，電阻r的大小取決于電纜介質(zhì)的碳化程度，電容c的大小取決于電纜絕緣材料的性質(zhì)和故障點受潮的程度，數(shù)值很小，一般可忽略。圖2-1 電纜故障等效電路圖8(2

27、)根據(jù)故障電阻與擊穿間隙情況，電纜故障可分為開路、低阻、高阻與閃絡(luò)性故障。開路(斷路)故障：電纜的各線芯絕緣良好，但有一芯或數(shù)芯導(dǎo)體斷開。具體表現(xiàn)為電纜相間或相對地絕緣電阻達到所要求的范圍值，但工作電壓不能傳送到終端，或終端有電壓，但負載能力很差(低壓脈沖測試時，故障有反射且反射波與發(fā)射波同相)。低阻絕緣故障：按照過去工程慣例，凡是電纜故障點的殘余絕緣電阻小于10倍電纜特性阻抗的電纜絕緣故障稱為低阻絕緣故障。有時把故障點殘余絕緣電阻接近零的故障稱為短路故障(低壓脈沖測試時，故障有反射且反射波與發(fā)射波反相)。高阻故障：按照過去工程慣例，把電纜故障點的殘余絕緣電阻大于10倍電纜特性阻抗的故障均稱為

28、高阻故障(低壓脈沖測試時反射不明顯)。閃絡(luò)性故障：試驗電壓升至某值時，泄漏電流突然升高，監(jiān)視泄漏電流的表針間歇性擺動。電壓稍下降時，此現(xiàn)象消失，但電纜絕緣仍有極高的阻值。閃絡(luò)性故障多是在進行預(yù)防性試驗時發(fā)生，并多出現(xiàn)于電纜中間接頭或終端頭內(nèi)。2.3 絕緣老化的原因及類型對于固體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”。這些損壞和劣化主要是由于機械力的作用、熱的作用、電場的 作用、化學(xué)腐蝕等因素綜合作用產(chǎn)生的。由于絕緣層的介質(zhì)損耗，可能造成電纜過熱，進而加速了絕緣層老化。電纜過負荷或散熱不良，安裝于電纜密集區(qū)、電纜溝及電纜隧道等通風不良處的電纜，穿在干燥

29、管中的電纜以及與熱力管道接近的電纜，都會因過熱而使絕緣加速老化。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。絕緣材料的老化原因是多樣的、復(fù)雜的，最具代表性的主要有:熱老化、機械老化、電壓老化等。92.3.1 熱老化熱老化指的是絕緣介質(zhì)的化學(xué)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(xué)變化，所以熱老化也被稱為化學(xué)老化。一般情況下，化學(xué)反應(yīng)的速度隨著環(huán)境溫度的升高而加快。用于絕緣的高分子有機材料會在熱的長期作用下發(fā)生熱降解，主要是氧化反應(yīng)，這種反應(yīng)也被稱為自氧化游離基連鎖反應(yīng)，如

30、聚乙烯的氧化反應(yīng)就是從c-h鍵中h的脫離開始的。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。9一般地區(qū)，大氣的溫度對熱老化的作用不明顯，炎熱高溫的地區(qū)作用相對大些，但不是主要因素，熱老化主要是電力設(shè)備自身產(chǎn)生的比較大的熱量所致，如電能損耗、局部放電等引起的較大的溫升。為了防止絕緣材料被氧化，減緩連鎖反應(yīng)的速度，一般都是采用添加抗氧化劑的方法。聚乙烯的抗氧化劑常使用苯酚系化合物，其主要作用是提供h，與氧化老化連鎖反應(yīng)中產(chǎn)生的roo結(jié)合，以

31、阻止連鎖反應(yīng)繼續(xù)進行。大量實踐經(jīng)驗的積累表明絕緣材料的熱老化壽命與溫度的關(guān)系服從arrhenius定律，即式2.1: （2.1）f(t):表示老化狀態(tài)的物理量；ea:引起老化所必須的能量；t:熱力學(xué)溫度；fc, k:常數(shù)，式中,fc, k和k由材料的特性決定。由上式可以看出t越高，對材料的絕緣要求也越高，相同絕緣材料的使用壽命成指數(shù)下降。熱氧化老化是熱和空氣中氧長期聯(lián)合作用所引起的一種老化形式。由于應(yīng)用中的絕緣材料大部分都是要和空氣接觸(空氣中氧對氧化機理有很大影響)，熱氧化老化是有機絕緣材料老化的一種主要形式，習慣上又稱為熱老化。2.3.2 機械老化機械老化是固體絕緣系統(tǒng)在生產(chǎn)、安裝、運行過

32、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” 。它對絕緣老化的速度有很大的影響。2.3.3 電老化電老化指的是在電場長期作用下，電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)中發(fā)生的老化。電老化機理很復(fù)雜，它包含因為絕緣擊穿產(chǎn)生的放電引起的一系列物理和化學(xué)效應(yīng)。一般可以用絕緣材料的本征擊穿場強表示絕緣材料耐強電場的性能。各種高分子材料的本征擊穿場強都在mv/cm的數(shù)量級。但是，實際中絕緣材料的絕緣擊穿強度比本征擊穿強度要小很多。這

33、其中的原因是多種的，比如厚度效應(yīng)、雜質(zhì)的混入、制造時產(chǎn)生的氣孔、材料的不均勻形成的凸起產(chǎn)生的電極效應(yīng)等等?？傊?，本征擊穿強度表征的是理想情況下材料的擊穿場強。9固體絕緣材料的絕緣擊穿機理主要有以下兩種理論:(1).達到一定電場時，電子數(shù)量急劇增加，使得絕緣材料遭到擊穿破壞，由于擊穿破壞的主要原因是電子，因而稱為“電擊穿” ；(2).在絕緣體上加上電壓后，有微電流通過，由這一電流產(chǎn)生的焦耳熱導(dǎo)致材料擊穿破壞， 這被稱為“熱擊穿”。此外，還有上文提到的“電機械擊穿”，也是原因之一。和熱老化壽命類似，絕緣材料的電老化壽命t與電場強度e的關(guān)系滿足“n次方法則”，如式2. 2所示： （2.2）前已提及，

34、介質(zhì)電老化的主要原因是介質(zhì)中的局部放電。固體介質(zhì)耐受局部放電的性能是有差別的，例如有機高分子聚合材料的短時擊穿場強很高，但因耐受局部放電的性能差，因此長時間擊穿場強并不高。在絕緣設(shè)計時必須將工作場強選得比局部放電起始場強低，以保證電氣設(shè)備有足夠長的壽命。2.3.4 其它類型其它類型還包括光氧化，臭氧氧化，生物氧化，高能輻射氧化等。當然絕緣老化是電場、熱、機械力、環(huán)境(水分、陽光等)等眾多因素綜合作用的結(jié)果，是一個非常復(fù)雜的過程，在推算絕緣材料使用壽命時應(yīng)該盡量綜合以上因素考慮。2.4 絕緣介質(zhì)在電場作用下的特性絕緣介質(zhì)在電場作用下，會呈現(xiàn)出極化、電導(dǎo)、損耗等其它重要特性。2.4.1極化任何不同

35、的絕緣材料，都可以認為是置于電極之間的電介質(zhì)，并呈現(xiàn)電介質(zhì)的特性，極化現(xiàn)象就是其一。極化是指置于電場中的電介質(zhì)，沿著電場方向產(chǎn)生偶極矩、在電介質(zhì)表面產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。根據(jù)形成極化機理的不同，介質(zhì)極化可以分為以下四種: （1）電子和離子的位移極化；（2）熱離子位移極化；（3）偶極子極化；（4）夾層極化。2.4.2 電導(dǎo)對于理想絕緣介質(zhì)而言，不含任何自由的帶電粒子，電導(dǎo)率等于0，介質(zhì)是不導(dǎo)電的。但是實際上，總會呈現(xiàn)一個很小的值，就是說，介質(zhì)中有少量自由的帶電粒子存在。帶電粒子在電場的作用下會定向運動，形成微弱的電流，這就是平時所說的絕緣漏電流。介質(zhì)中的載流子一般是自由離子，它們來源于介質(zhì)本身，也

36、有的來自外部雜質(zhì)。外部溫度越高，分子熱運動就越劇烈，對自由離子的約束也越小，形成的電導(dǎo)電流越大，這一點和金屬的導(dǎo)電特性是完全相反的。此外，介質(zhì)在外加高壓電場的作用下，會形成一定程度的電離，使得載流子數(shù)目增多，下降。當然，介質(zhì)受潮后也會下降。表征電導(dǎo)的參數(shù)是電導(dǎo)率，在高電壓工程中一般常用電阻率（=1/）來表征介質(zhì)的絕緣電阻。電介質(zhì)電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)，其電導(dǎo)隨溫度的變化規(guī)律與屬于電子電導(dǎo)的金屬材料是相反的。2.4.3 損耗絕緣介質(zhì)在電場的作用下會產(chǎn)生電能的損耗，這些損耗主要來自以下三個方面：（1）電導(dǎo)損耗；（2）極化損耗；（3）游離損耗。9如圖2-2所示，介質(zhì)兩端施加交流電壓u時，由于介質(zhì)中有損耗

37、，所以電流i不是電容電流，而是包含有有功和無功兩個分量ir和ic。 圖2-2 介質(zhì)在交流電壓作用下的電流相量圖由圖2-3所示，介質(zhì)在交流電壓作用下的功率三角形可見，介質(zhì)損耗p=qtan=u2ctan （2.3）圖2-3 介質(zhì)在交流電壓作用下的功率三角形用介質(zhì)損耗p表示介質(zhì)品質(zhì)好壞是不便的，因此p值和試驗電壓、試品電容量等因素有關(guān)，不同試品間難以相互比較，所以改用介質(zhì)損失角的正切tan（介質(zhì)損失角是功率因數(shù)角的余角）來判斷介質(zhì)的品質(zhì)。tan同r一樣，是僅取決于材料的特性而與材料的尺寸無關(guān)的物理量。有損介質(zhì)可用電阻、電容的串聯(lián)或并聯(lián)等效電路來表示。如果損耗主要是電導(dǎo)引起的，則常用并聯(lián)等效電路；如果

38、損耗主要由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線的電阻等引起，則常用串聯(lián)等效電路。2.5 絕緣介質(zhì)的吸收現(xiàn)象許多電氣設(shè)備的絕緣都是多層的，多層介質(zhì)的特性可以粗略地用雙層介質(zhì)來分析，如下圖2-4所示。圖2-4（a） 雙層介質(zhì)的等效電路 圖2-4(b) 吸收曲線 c1、c2-介質(zhì)1、2的等效電容r1、r2-介質(zhì)1、2的絕緣電阻當開關(guān)q合上，直流電壓加到絕緣介質(zhì)上后，電流表a的讀數(shù)變化如圖2-4(b)中曲線所示。直流電壓加上瞬間，電流很大，回路電流主要由電容電流分量組成。而加壓時間很久之后，電容c1和c2相當于開路，回路電流為泄露電流ig，此時ig取決于絕緣電阻r1與r2之和，這就出現(xiàn)了由最初的電容電流到最終的泄露電流

39、之間的過渡過程。當試品電容量較大時，這一過渡過程進行得很慢，甚至達數(shù)分鐘或更長。圖2-4(b)中陰影部分的面積為絕緣在充電過程中逐漸“吸收”的電荷qa。這種逐漸“吸收”電荷的現(xiàn)象叫作“吸收現(xiàn)象”，對應(yīng)的電流ia稱為吸收電流。它是由于介質(zhì)中偶極子逐漸轉(zhuǎn)向，并沿電場方向排列而產(chǎn)生的。9當開關(guān)合上時，絕緣兩端突然有一個很大的電壓變化，在極短的時間內(nèi)（t=0+）介質(zhì)上的電壓按電容分壓，此時 （2.4） （2.5）當達到穩(wěn)態(tài)后，介質(zhì)上的電壓將按電阻分壓，此時回路電流 （2.6）而 （2.7） （2.8）由t=0+至電壓達到穩(wěn)態(tài)一般有一個過渡過程，例如，當式（2.7）中u1比式（2.4）中的u1小時，在過

40、渡過程中c1要放電，同時c2要進一步充電。這個過渡過程的快慢取決于時間常數(shù) （2.9）由以上分析可見，加上試驗電壓后，流過試品的電流由兩部分組成。第一部分為傳導(dǎo)電流ig，其大小與試品總的絕緣電阻（r1+r2）成反比；第二部分為吸收電流ia，其大小與試品絕緣的均勻程度密切相關(guān)，如試品為均勻介質(zhì)，或r1c1r2c2,則吸收電流很小，吸收現(xiàn)象便不明顯。如果試品很不均勻，或者r1c1與r2c2相差很大，則吸收現(xiàn)象十分明顯。在相同的電壓下，不同設(shè)備的絕緣其總電流隨時間下降的曲線不同。即使同一設(shè)備，絕緣受潮或有缺陷時，其總電流也要發(fā)生變化。當絕緣受潮或有缺陷時，電流的吸收現(xiàn)象不明顯，總電流隨時間下降較緩慢

41、，而試品的絕緣電阻與電流成反比。因此，根據(jù)i15/i60的變化，就可以初步判斷絕緣的狀況。通常用吸收比ka來表示 （2.10）式中，i15,r15為加壓15s時的電流和對應(yīng)的絕緣電阻；i60,r60為加壓60s時的電流和對應(yīng)的絕緣電阻。極化指數(shù)用pi來表示 （2.11）即試品在加壓后10分鐘時的視在電阻值和1分鐘時的視在電阻值之比。顯然，對于不均勻試品的絕緣，如果絕緣狀況良好，則吸收現(xiàn)象明顯，ka值遠大于1，pi值也較大。如果絕緣嚴重受潮，松弛極化變得不明顯，由于ig大增，ia迅速衰減，ka值接近于1，pi也較小。推薦的k,pi與絕緣狀況的關(guān)系見下表所示：表2-1 k,pi與絕緣狀況的關(guān)系狀態(tài)

42、kpi危險1.11.42.0吸收比、極化指數(shù)與絕緣吸收系數(shù)g和吸收時間常數(shù)的關(guān)系式如下: (2.12) (2.13)絕緣吸收系數(shù)g主要取決于介質(zhì)的不均勻程度。當絕緣材料絕緣良好或者很差時，g都會表現(xiàn)出較小的值，使得試品吸收比k偏小，這導(dǎo)致用吸收比k來判別絕緣狀況的優(yōu)劣變得不確定。與吸收比k相比,用極化指數(shù)pi來衡量絕緣狀況的優(yōu)劣有其優(yōu)越性。通常,t100200s,于是ge-600/t0，所以，式(2.13)可以簡化為式(2.14): （2.14）因此可以看出，pi與吸收時間常數(shù)t成單調(diào)變化的關(guān)系，而且，因為是在測試電壓施加比較長的時間后測量的，受幾何電容充電電流的影響較小，所以現(xiàn)在有學(xué)者提出用

43、pi代替k作為絕緣性能判別指標要更科學(xué)的觀點。但是，我們應(yīng)該看到受到g值與材料絕緣優(yōu)劣關(guān)系的不確定性的影響，單純靠k或者pi來衡量材料絕緣性能好壞都是片面的，應(yīng)該結(jié)合絕緣電阻rc的值等參數(shù)來綜合判斷。而且，僅依據(jù)一次測量數(shù)據(jù)來判斷絕緣狀況的劣化也是不充分的，重要的是對各參數(shù)進行的長期觀察和對比，分析各參數(shù)的變化趨勢，并以此為依據(jù)，判斷絕緣老化情況和剩余絕緣壽命。第3章 電纜絕緣診斷技術(shù)3.1 概況對運行電纜實施絕緣檢測的目的是了解電纜及其附件的老化情況，以其判斷是否能繼續(xù)可靠工作，進而評估其殘余壽命。檢測方式分為破壞性實驗與非破壞性實驗2種。 破壞性試驗又稱絕緣耐壓試驗，是指在高于設(shè)備工作電壓

44、下進行的試驗，它是在特定波形電壓下使缺陷部位擊穿，以篩選出能繼續(xù)可靠運行的直接方法。它主要有交流耐壓和直流耐壓兩種試驗，旨在揭露危險性大的集中性絕緣缺陷，保證絕緣有一定的裕度。需要指出的是，耐壓試驗可能會對試品產(chǎn)生某些損壞，從而影響絕緣壽命。其波形和電壓值的差別有不同篩選效果，顯然，對運行電纜絕緣老化檢出與竣工交接試驗有不盡相同的考慮。10非破壞性試驗又稱為絕緣特性試驗，是指在較低電壓下用其它不會損傷絕緣的方法來測量絕緣的各種特性，從而判斷絕緣內(nèi)部有無缺陷。目前國外對高壓xlpe電纜絕緣老化檢測技術(shù)的研究近年來才見有少量報導(dǎo)，只查閱到日本、荷蘭2個國家的有關(guān)情況。（1） 日本：日本用基于高壓x

45、lpe電纜線路運行實際性能的評估來考慮實施必要的絕緣檢測，主要有：電纜本體。66kv電纜少數(shù)出現(xiàn)pd老化導(dǎo)致絕緣故障是由evt引起的，故需有能檢出evt的檢測方法。東京電力公司近年來開發(fā)出了損失電流法來用于對長約1000km、無徑向防水層的66kv電纜水樹檢測。由于110kv以上xlpe電纜迄今未發(fā)生過因絕緣老化而導(dǎo)致的故障，又因其具有金屬套防水，絕緣層厚度足以適應(yīng)水樹生長，故對其檢測的必要性目前還不迫切。電纜附件。66kv預(yù)制應(yīng)力錐式終端在長期運行后曾因硅脂脫失導(dǎo)致?lián)舸?75kv擠出模塑式接頭運行后曾發(fā)生絕緣擊穿，原因是有纖維狀雜質(zhì)混入了終端與接頭，通過對擠出安裝工藝進行改進完善后將可避免

46、此類缺陷，但預(yù)制式附件的絕緣界面弱點難以杜絕，故宜實施pd檢出，且需運用適應(yīng)有多種干擾源的現(xiàn)場pd檢測儀。如今，對66500kv xlpe電纜線路主要實施的是pd檢測。（2） 荷蘭：荷蘭在150kv xlpe電纜線路運行多年突然發(fā)生終端擊穿的情況后，針對預(yù)應(yīng)力錐硅脂流失等絕緣界面缺陷的檢出，明確了需采取pd檢測法。為此，他們開發(fā)出了適合現(xiàn)場用的高頻pd（hfpd）或超高頻pd（vhffd）新型檢測儀。英國、澳大利亞、瑞士等歐洲國家也有同類應(yīng)用。3.2 電纜絕緣停止運行診斷法3.2.1 絕緣電阻的測量 絕緣電阻是反應(yīng)絕緣性能的最基本指標之一，通常用兆歐表進行測量。規(guī)定所加電壓60s后測得的數(shù)值為

47、該試品的絕緣電阻。兆歐表的接線柱有三個(見圖3-1):“線路”(l)、“接地”(e)、“保護環(huán)”(g)。電力線路或照明線路測量絕緣電阻時l接電線,e接大地,所測的是電線與大地間的絕緣電阻。對于電纜線路,除了e接纜殼l接纜芯外,還需將電纜殼芯之間的內(nèi)層絕緣接于g端鈕上,以消除因表面漏電而引起的誤差。對于測量不同芯線芯數(shù)的電纜的絕緣電阻時,不需被測試部分也應(yīng)短路接地。圖3-1 兆歐表的使用對于使用兆歐表的注意事項有以下：（1）.測量前須將被測試對象之額定電壓了解清楚，相應(yīng)地選擇搖表之電壓等級，使二者額定電壓相適應(yīng)。一般應(yīng)用的搖表有500v ，1000v ，2500v ，5000v之分，原則上測量低

48、壓電氣設(shè)備的絕緣電阻應(yīng)使用低電壓的搖表，測量高壓電氣設(shè)備的絕緣電阻應(yīng)使用高電壓搖表，否則，搖表電壓大于被測試設(shè)備電壓，其測量值會偏小，反之則偏大，達不到應(yīng)有的要求。與此同時，搖表的選擇還要考慮儀表的測量范圍(儀表的量程)是否合適，即搖表的測量范圍不應(yīng)過多的超過被測試設(shè)備的絕緣電阻值，不然的話讀數(shù)誤差較大。另外，有的搖表儀表盤刻度(標尺)不是從零開始，而是從1兆歐或2兆歐開始，這種表不適宜測潮濕場所低壓電氣設(shè)備或低阻值電氣設(shè)備的絕緣電阻值，因為低于1兆歐儀表不能顯示準確數(shù)值。（2）.測量前檢查搖表是否完好。為此，先將搖表的端鈕“l(fā)”與“e”端開路(不接被測品)搖動手柄達到其額定轉(zhuǎn)速，此時觀察搖表

49、指針是否指“”位置;然后將端鈕“l(fā)”與“e”端短封，再慢速搖動手柄，此時觀察搖表指針是否指“0”位置。若開路指“”，短路指“0”說明搖表處在完好狀態(tài)。反之，則說明搖表有問題。（3）.被測試對象若是運行中的電纜，應(yīng)先停電，實行安全技術(shù)措施，經(jīng)過充分的放電后才可進行測試工作，以保證表和人身安全。測試前應(yīng)將搖表放在干燥、清潔、平穩(wěn)、安全、離被測試設(shè)備距離適當并遠離磁場干擾的位置，這是使用搖表應(yīng)具有的必要條件。測試前應(yīng)記錄周圍環(huán)境的濕度和溫度。應(yīng)該使用專用的測量導(dǎo)線或者絕緣強度高的多芯軟導(dǎo)線，將搖表端鈕“l(fā)”連接至被測試對象的“相線”，端鈕“e”連接至被測試對象的外殼上。（4）.測量開始應(yīng)將搖表搖柄轉(zhuǎn)

50、至額定轉(zhuǎn)速后開始計時。有的人忽視或做不到這一點，這將導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的誤差，應(yīng)引起注意。（5）.正確讀取測量數(shù)據(jù)和對測量結(jié)果妥善地分析、處置以及做好測試記錄是正確使用搖表的注意事項之一。搖表的轉(zhuǎn)動，即便到了規(guī)定的測量時間1分鐘或更長的時間后，除觀看指示數(shù)值外，應(yīng)先斷開“l(fā)”測試導(dǎo)線，再停止搖表轉(zhuǎn)動，切莫反其道而行之。測量工作完畢，對被測試設(shè)備要先行放電，尤其對容性的電力電容器、高壓長距離電力電纜等要長時間的充分放電，確認無電壓后，再作收尾工作。3.2.2 泄露電流的測量在直流電壓作用下測量泄露電流， 實際上也就是測量絕緣電阻。經(jīng)驗表明：當所加的直流電壓不高時，有泄露電流換算得出的絕緣電阻值比兆歐表

51、測絕緣電阻能獲得更多的信息。但當用較高的電壓來測泄露電流時，就有可能發(fā)現(xiàn)兆歐表所不能發(fā)現(xiàn)的絕緣損壞或弱點。一個良好的絕緣，在標準規(guī)定的試驗電壓作用下，其泄露電流不應(yīng)隨加壓時間的延長而增大。讀取泄露電流值的時間，一般規(guī)定為達到試驗電壓后1分鐘。在進行泄露電流試驗時，要求整流回路的高壓直流電源必須穩(wěn)定，主要測量隨時間變化。與吸收電流相比，絕緣材料受潮后泄露電流會增加。當介質(zhì)上所加電壓去掉后，介質(zhì)放電會出現(xiàn)吸收過程類似的過程，但沒有泄露電流現(xiàn)象。可根據(jù)下面的極化指數(shù)和泄露指數(shù)來判斷受潮程度。極化指數(shù)= (3.1)泄露指數(shù)= (3.2)式中，i1為加電壓1min后的電流;i10為加電壓10min后的電

52、流；id10為開始放電10min后的電流。3.2.3 介質(zhì)損耗角正切值的測量圖3-2 有損耗介質(zhì)的電壓電流矢量圖如圖3-2所示，當絕緣介質(zhì)上施加交流電壓時，流過的電流包含比施加電壓超前/2的電容電流ic和與電壓同相位的電流ir，形成全電流i。如果i與ic間的相位角為，則絕緣介質(zhì)的損耗w為 （3.3） 式中，c為絕緣介質(zhì)的電容；為交流電壓的角頻率；tg被稱為介質(zhì)損失角正切，它是交流電壓作用下電介質(zhì)中電流的有功分量和無功分量的比值，是一個無量綱的數(shù)，反映的是電介質(zhì)內(nèi)單位體積中能量損耗的大小。在一定的電壓和頻率下，介質(zhì)損失角正切值（tg）與絕緣介質(zhì)的形狀、大小無關(guān)，只與介質(zhì)的固有特性有關(guān)。tg可以有效地發(fā)現(xiàn)絕緣受潮、穿透性導(dǎo)電通道、絕緣內(nèi)含氣泡的游離、絕緣分層和脫殼以及絕緣有臟污或劣化等缺陷。測量tg值，主要的測量方法是通過在電纜導(dǎo)體和屏蔽層之間施加一個