CN107843817B - 一种基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法，涉及电缆绝缘老化检测技术领域。包括利用极化去极化电流法检测1kV测试电压下0.1Hz处极化电流介质损耗因数tanδ(polarization,1kV,0.1Hz)与1kV测试电压下0.1Hz处去极化电流介质损耗因数tanδ(depolarization,1kV,0.1Hz)的比值。若Kas大于1，则表明电缆存在集中性缺陷。若Kas小于1，则表明电缆整体绝缘劣化。其简单快捷，方便实施，检测灵敏度高，能够更加准确地反映电缆的绝缘老化情况，从而为电缆线路的检修和更换提供参考，减少非计划停电事故。

Description

一种基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法
技术领域
本发明涉及电缆绝缘老化检测技术领域，具体而言，涉及一种基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法。
背景技术
随着我国城市化的进程，地下电缆在电力传输线路中所占的比重日益增加，已成为电力系统中用于传输和分配大功率电能的主要产品。由于电缆在生产和制造过程中不可避免地会产生很多质量缺陷，如微孔、杂质等，且运输、敷设时也会受到一些机械损伤，如裂缝、外护层破损等，敷设在地下的电缆长期在交流正弦电压、冲击电压、潮气及温度等多物理场协同作用下，导致电缆系统逐步老化，最终引发电力事故。
预计电缆在运行10年左右其绝缘性能将会严重下降，而根据国家电网公司的统计数据显示，在运行的6-500kV电缆设备共计257978回，总长度约为202094km，其中服务运行年限超过10年的XLPE绝缘电缆占总敷设电缆的比例接近达到40％，而运行年限超过20年的电缆约有3585km，约占总长度的1.8％。现今我国铺设的XLPE绝缘电力电缆已经逐步进入电缆预期寿命的“中年期”甚至是“老年期”。因此，研究适合电缆绝缘老化快速诊断的方法是减少非计划停电事故的有效手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法，其简单快捷，方便实施，检测灵敏度高，能够更加准确地反映电缆的绝缘老化情况，从而为电缆线路的检修和更换提供参考，减少非计划停电事故。
本发明的实施例是这样实现的：
一种基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法，其包括：利用极化去极化电流法检测1kV测试电压下0.1Hz处极化电流介质损耗因数tanδ(polarization,1kV,0.1Hz)与1kV测试电压下0.1Hz处去极化电流介质损耗因数tanδ(depolarization,1kV,0.1Hz)的比值。
比值为低频损耗不对称系数Kas；电缆绝缘介质的总损耗因数与频率的关系为：
其中，为电导损耗，为极化损耗，σ0为直流电导率，χ′(ω)为极化率χ(ω)的实部，χ″(ω)为极化率χ(ω)的虚部。
若Kas大于1，则表明电缆存在集中性缺陷。若Kas小于1，则表明电缆整体绝缘劣化。
进一步地，若Kas小于1，且总损耗因数大于1.2×10-3，则表明电缆存在表面受潮、微孔或微小水树。
进一步地，若Kas大于1，且总损耗因数大于1.2×10-3，则表明电缆存在水树老化桥接绝缘。
进一步地，极化电压小于或等于电缆相额定电压的40％。
进一步地，极化电压大于或等于电缆相额定电压的10％。
进一步地，极化电压为1kV～2kV，极化时间为90s。
进一步地，极化电压为1kV或2kV。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供的基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法通过检测电缆的低频损耗不对称系数Kas，再以低频损耗不对称系数Kas来判断电缆的绝缘老化情况。其简单快捷，方便实施，检测灵敏度高，能够更加准确地反映电缆的绝缘老化情况，从而为电缆线路的检修和更换提供参考，减少非计划停电事故。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将作进一步详细介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中的电缆加速水树老化的示意图；
图2为本发明实施例中的长电缆A相与短电缆试样老化前后串联的的总低频介质损耗随频率的关系变化；
图3为本发明实施例中的各电缆试样0.1Hz的极化-去极化介质损耗因数谱；
图4为本发明实施例中的95m电缆B相老化前极化电压对电缆低频介质损耗谱的影响；
图5为本发明实施例中的95m电缆B相老化后极化电压对电缆低频介质损耗谱的影响；
图6为本发明实施例中的95m电缆B相老化前极化时间对去极化电流低频介质损耗谱的影响；
图7为本发明实施例中的95m电缆B相老化后极化时间对去极化电流低频介质损耗谱的影响。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面对本发明实施例提供的基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法做具体介绍。
本发明实施例提供的一种基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法包括：利用极化去极化电流法检测1kV测试电压下0.1Hz处极化电流介质损耗因数tanδ(polarization,1kV,0.1Hz)与1kV测试电压下0.1Hz处去极化电流介质损耗因数tanδ(depolarization,1kV,0.1Hz)的比值。
比值为低频损耗不对称系数Kas；电缆绝缘介质的总损耗因数与频率的关系为：
其中，为电导损耗，为极化损耗，σ0为直流电导率，χ′(ω)为极化率χ(ω)的实部，χ″(ω)为极化率χ(ω)的虚部。
若Kas大于1，则表明电缆存在集中性缺陷。若Kas小于1，则表明电缆整体绝缘劣化。
本发明实施例提供的基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法通过检测电缆的低频损耗不对称系数Kas，再以低频损耗不对称系数Kas来判断电缆的绝缘老化情况。其简单快捷，方便实施，检测灵敏度高，能够更加准确地反映电缆的绝缘老化情况，从而为电缆线路的检修和更换提供参考，减少非计划停电事故。
进一步地，若Kas小于1，且总损耗因数大于1.2×10-3，则表明电缆存在表面受潮、微孔或微小水树。
进一步地，若Kas大于1，且总损耗因数大于1.2×10-3，则表明电缆存在水树老化桥接绝缘。
进一步地，极化电压小于或等于电缆相额定电压的40％。在该电压范围内进行检测，能够有效避免对老化电缆的绝缘造成二次损伤。
进一步地，极化电压大于或等于电缆相额定电压的10％。在该电压范围内进行检测，同样具有较准确的检测结果，同时对电缆本身的绝缘的影响更小。
进一步地，极化电压为1kV～2kV，极化时间为90s。在该条件下进行检测，不仅具有较高的准确度，而且电缆每相一次的测试时间只需5min，可快速实现现场大量电力电缆绝缘的老化评估，减少电缆停电检修时间并改善电缆设备的可靠运行。可选地，极化电压为1kV或2kV。
下面将结合具体实施例对上述的基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法进行说明。
实施例
本实施例提供一种基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法，并结合相关实例对该方法进行具体分析。
基于水树的生长机理和水针电极老化方法，设计了电缆加速水树老化试样，如图1所示。
将30根100m的YJV22-3×95型8.7/10kV XLPE电缆均截成95m和5m。对95m的电缆制作终端头并作为水树老化的长电缆试样。其中5m的电缆制作成单芯每根50cm长的短电缆试样，用于作为长电缆试样的参考短电缆试样。
在制作好终端头的95m长电缆试样中部25cm范围内的三相电缆剥出，将A相做好相应防水密封措施且不作任何其他处理及老化，并以此作为长电缆的新电缆试样。将B相不扎针孔并浸入到浓度为20％的NaCl溶液中并施加高频高压，以模拟电缆运行时局部受潮情况。C相电缆中部用细针扎多个细孔，孔深为3mm，孔间距为5mm，针尖到内半导电层的距离为1.8mm，浸入到浓度为20％的NaCl溶液并施加高频高压，以模拟电缆集中性水树老化而桥接绝缘层的情况。
在室温条件下利用函数信号发生器、功率放大器和变压器产生高频高压对和短电缆参考样品和95m长电缆的B、C两相进行加速水树老化，其中，试样所加电压为7.5kV，频率为400Hz。由于电缆电容大，通过并联电感形成并联谐振电路，补偿过大的容性电流，老化示意图如图2所示。
为了方便进行电缆绝缘电气性能测试以及与极化去极化测试结果对比，在短电缆扎针前后及老化后的过程中定期对电缆进行一次数据的测量。具体包括50Hz介质损耗测量、泄漏电流测试和极化去极化电流测量。测完数据后重新放在老化平台上继续加压老化，同时，在长电缆B、C两相加电压老化前和老化36天后，分别进行极化去极化电流测试实验，以对长电缆老化前后的极化去极化电流进行提取电缆绝缘老化评估特征参量。对A、B、C三相各自测得的数据分别取平均值。
长电缆A相与短电缆参考试样老化前后串联的低频总介质损耗随频率的变化关系，如图2所示。据图可知，由于短电缆参考试样沿面泄露电流较大，与长电缆A相串联后的介质损耗因数增大。随着短电缆试样制作人工针孔缺陷及老化后，其与长电缆A相串联后的介质损耗因数呈现明显的增大趋势。由此说明，电缆的低频介质损耗因数对电缆绝缘受潮及水树老化的表征极具灵敏性。
为了能有效而准确地分析电缆在低频下极化与去极化介质损耗的不对称情况及找出其在电缆不同类型老化问题下的变化趋势，以低频损耗不对称系数Kas作为评价标准。低频损耗不对称系数Kas为极化去极化电流法检测1kV测试电压下0.1Hz处极化电流介质损耗因数tanδ(polarization,1kV,0.1Hz)与1kV测试电压下0.1Hz处去极化电流介质损耗因数tanδ(depolarization,1kV,0.1Hz)的比值，即：
不对称系数Kas的数值偏离1越远，说明极化电流介质损耗因数与去极化电流介质损耗因数的差异越大。
选取测试电压为1kV时实验室各长、短电缆试样在0.1Hz下的极化、去极化的介质损耗因数值，用于电缆水树老化前后其极化-去极化介质损耗因数的对称性分析。由图3可知：
(1)新长电缆及其与新短电缆试样串接时，由于电缆绝缘相对良好，其极化与去极化电流的介质损耗因数具有较好的一致性(Kas的值在1附近)，且总介质损耗因数通常小于1×10-3数量级。
(2)对于未扎针进行加速老化的电缆试样(模拟电缆运行过程中表面受潮情况)，其去极化电流介质损耗因数大于极化电流的介质损耗因数(Kas<1)，且其总介质损耗因数将会大于1.2×10-3。
(3)对于扎针后进行加速水树老化的电缆试样(模拟电缆运行过程中水树老化桥接绝缘的情况)，其极化电流介质损耗因数往往大于去极化电流的介质损耗因数(Kas>1)，且其总介质损耗因数将会大于1.2×10-3。
需要说明的是，随着串接良好绝缘电缆后整体电缆长度的增加，极化-去极化损耗不对称性对电缆老化问题的反应灵敏度是有所下降的。
不难发现，对于电缆的集中性缺陷(如桥接绝缘层较长的水树、接头问题)，其极化电流介质损耗因数通常大于去极化电流介质损耗因数(Kas>1)。对于电缆的整体性的绝缘劣化(如受潮、微孔、微小水树等)，其极化电流介质损耗因数却不大于去极化电流介质损耗因数(Kas<1)。因此，可利用极化-去极化电流介质损耗因数在低频下的不对称性诊断电缆不同类型的绝缘老化问题。
如图4和图5所示，随着极化电压由0.5kV升高至2.5kV，电缆老化前在0.1Hz的去极化电流介质损耗因数在2×10-4S/m数量级且没有呈现较大变化。当电缆老化后，其0.1Hz的去极化电流介质损耗因数虽然显著增大(大于1.2×10-3)，但随着施加电压的增大却呈现变小的趋势。为使该测试方法不对老化电缆的绝缘造成二次损伤，因此其所施加的极化电压往往不超过电缆相额定电压的40％。极化电压为相额定电压10％也可检测出电缆内部绝缘的老化问题，因此，综合考虑，本实施例采用1kV和2kV对电缆进行极化去极化电流检测。
在1kV的极化电压下极化时间达半分钟时，电缆即可被充分被极化，将不再不影响电缆绝缘直流电导率的计算结果。由图6和图7表明，不同极化时间对去极化电流介质损耗因数频率谱在低频下的影响也不大。通过测试结果可以看出，为了通过比较直流电导率和超低频介质损耗图谱来分析电缆的绝缘老化的程度，控制极化电压和极化时间是有必要的。因此，在保证电缆绝缘诊断的可靠性、有效性且同时提高电缆的测试效率，将极化时间设置为90s。如此，电缆每相一次的测试时间只需5分钟，可快速实现现场大量电力电缆绝缘的老化评估，减少电缆停电检修时间并改善电缆设备的可靠运行。
综上所述，本发明实施例提供的基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法通过检测电缆的低频损耗不对称系数Kas，再以低频损耗不对称系数Kas来判断电缆的绝缘老化情况。其简单快捷，方便实施，检测灵敏度高，能够更加准确地反映电缆的绝缘老化情况，从而为电缆线路的检修和更换提供参考，减少非计划停电事故。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法，其特征在于，包括：利用极化去极化电流法检测1kV测试电压下0.1Hz处极化电流介质损耗因数tanδ(polarization,1kV,0.1Hz)与1kV测试电压下0.1Hz处去极化电流介质损耗因数tanδ(depolarization,1kV,0.1Hz)的比值；
所述比值为低频损耗不对称系数Kas；电缆绝缘介质的总损耗因数与频率的关系为：
其中，为电导损耗，为极化损耗，σ0为直流电导率，χ′(ω)为极化率χ(ω)的实部，χ″(ω)为极化率χ(ω)的虚部；
若Kas大于1，则表明电缆存在集中性缺陷；
若Kas小于1，则表明电缆整体绝缘劣化。
2.根据权利要求1所述的基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法，其特征在于，测试电压小于或等于电缆相额定电压的40％。
3.根据权利要求2所述的基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法，其特征在于，所述测试电压大于或等于电缆相额定电压的10％。
4.根据权利要求1所述的基于极化去极化电流法的电缆绝缘老化检测方法，其特征在于，测试电压为1kV，极化时间为90s。
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