CN110954471B - 高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法 - Google Patents

高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法，其主要技术特点为，包括建立绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻分布参数模型；测量绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻；根据绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻评价电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀情况。本发明设计合理，实现了对高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀情况进行有效的离线检测评价功能，能够为高压电力电缆运维检修提供重要参考，能够给出电力电缆技术改造意见，保障电网安全可靠运行的同时提升腐蚀程度较轻的老旧电力电缆的利用效率。

Description

高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法
技术领域
本发明属于高电压与绝缘技术领域，尤其是高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法。
背景技术
目前，广泛应用的交联聚乙烯塑料高压电力电缆的主要结构为包覆在导体线芯外的同心圆结构。交联聚乙烯塑料高压电力电缆自内向外分别为：导体线芯、导体屏蔽层、绝缘介质、绝缘屏蔽层、缓冲层、金属护套、橡塑护层。其中，导体屏蔽层与绝缘屏蔽层能够均化电场分布，防止局部电场强度过高而导致绝缘介质击穿；金属护套能够实现径向阻水，并加强电缆的机械强度；橡塑护层主要起到外层防水以及抗腐蚀作用。在生产过程中，为防止金属护套损伤绝缘屏蔽层以及绝缘介质，会在绝缘屏蔽层外绕包一定厚度的非金属带材作为缓冲层。另外，缓冲层也经常需要兼顾轴向阻水性能。目前国内广泛使用的高压交联聚乙烯电力电缆中普遍为阻水缓冲层与皱纹铝护套相配合的护层结构。近年来，具有该结构的高压电力电缆故障数目逐渐增多，通过解体分析可以推断得出此类故障的产生原因：运行高压电力电缆在受潮条件下，阻水缓冲层与皱纹铝护套发生电化学腐蚀，在绝缘屏蔽-阻水缓冲层-皱纹铝护套之间产生大量绝缘白色粉末，白色粉末妨碍绝缘屏蔽有效接地产生了安全隐患，并且积聚的白色粉末发热或放电可造成绝缘屏蔽损伤甚至绝缘介质损伤，直接引发电缆击穿事故，威胁电网安全运行。故有必要开发针对阻水缓冲层发生电化学腐蚀的检测评价方法。
目前已有的在线高压电力电缆检测技术大多针对电缆缺陷在外施电压下产生的局部放电信号进行缺陷判别。此类方法在检测阻水缓冲层电化学腐蚀时存在一定的局限性：(1)局部放电信号具有间歇性，在有限的检测时间内不能保证局部放电信号出现；(2)电力电缆阻水缓冲层的电化学腐蚀造成的缺陷引起的局部放电现象距离检测设备具有一定距离，局部放电信号衰减较快时可能无法被检测到；(3)电力电缆阻水缓冲层的电化学腐蚀过程中虽然绝缘白色粉末现象明显，但腐蚀过程对绝缘屏蔽层的损伤过程较慢，缺陷中前期在外施电场下局部放电信号较少，不易被带电检测技术手段发现。
此外，由于高压电力电缆采用皱纹铝护套和阻水缓冲层配合的护层方式，这种结构特点也为缺陷的检测带来了新的挑战：(1)皱纹铝护套与阻水缓冲层不一定保证能够实现良好的接触，由于缺乏相应的技术标准，高压电力电缆供应商在皱纹铝护套与阻水缓冲层的尺寸配合问题上采取不同的技术准则，无法保证皱纹铝护套与阻水缓冲层实现完全紧密接触。两者接触面积足够大才能够保证绝缘屏蔽实现良好接地，保障电缆安全运行。不同供应商的高压电力电缆的阻水缓冲层发生电化学腐蚀的位置及特征会存在差别；(2)阻水缓冲层在受潮之后，内含的阻水粉会吸收空气中的水分防止潮气扩散，吸水后的缓冲层位置的体积电阻率会显著增大，不利于绝缘屏蔽的有效接地，为电缆带来安全隐患；(3)电化学腐蚀发生后，绝缘白色粉末一般形成在皱纹铝护套与阻水缓冲层接触紧密处，会阻碍绝缘屏蔽有效接地。注意到白色粉末分布的松散性，一旦对电缆进行牵引运输脱离原工况，则白色粉末的分布位置极易在该过程中发生变化。故牵引以及运输后的电缆进行相应的检测，将无法复现工况下的电缆内部状态，因此很多实验室试验得到的检测结果，与实际工况并不匹配。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法,解决对高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀情况进行真实有效的离线检测评价问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法，包括以下步骤：
步骤1、建立绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻分布参数模型；
步骤2、测量绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻；
步骤3、根据测量绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻，评价电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀情况；
所述步骤1建立的绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻分布参数模型为：
Figure GDA0003409668720000021
其中，ρH为阻水缓冲层的体积电阻率；ρP为绝缘屏蔽的体积电阻率；d3为包含皱纹铝护套的电缆外径；d2为包含阻水缓冲层的电缆外径；d1为包含绝缘屏蔽的电缆外径；
所述步骤3评价电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀情况的方法为：
⑴、若步骤2测量得到的
Figure GDA0003409668720000022
则当前电缆绝缘屏蔽接地情况良好，阻水缓冲层电化学腐蚀程度良好；
⑵、若
Figure GDA0003409668720000023
则当前电缆绝缘屏蔽接地情况存在问题，阻水缓冲层在局部电化学腐蚀严重，部分绝缘屏蔽损伤；
⑶、若Rdmax≤Rd，则当前电缆绝缘屏蔽接地情况极差，阻水缓冲层电化学腐蚀情况严重；
上式中，ρHfac为出厂试验报告给出的阻水缓冲层的体积电阻率，ρPfac为出厂试验报告给出的绝缘屏蔽层的体积电阻率；
ρHmax为相应标准或协议确定的阻水缓冲层的体积电阻率上限，ρPmax为相应标准或协议确定的绝缘屏蔽层的体积电阻率上限，Rdmax为通过ρHmax和ρPmax并依据电阻分布参数模型计算得到的电阻；
d3为包含皱纹铝护套的电缆外径；d2为包含阻水缓冲层的电缆外径；d1为包含绝缘屏蔽的电缆外径。
进一步，所述步骤2测量绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻方法为：将电缆两端从附件中取出，断开电缆两端交叉互联或接地装置，保证两端皱纹铝护套未接地；在测量端皱纹铝护套与绝缘屏蔽处分别缠绕金属网带后，将两处金属网带作为待测电阻的两极，应用高精度低功率直流电阻测量方法进行测量；得到绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻。
进一步，所述步骤3还包括计算高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀程度的方法，其计算方法为：
(Rd-Rdfac)/(Rdmax-Rdfac)×100％
式中Rdfac为通过ρHfac和ρPfac并依据电阻分布参数模型计算得到的电阻。
进一步，如果实际测量电阻值出现Rd≤Rdfac的情况，则当前电缆绝缘屏蔽接地情况良好，阻水缓冲层电化学腐蚀程度良好，电化学腐蚀程度为0％。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明通过构建绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻分布参数模型、测量绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻，并根据电缆出厂试验报告以及相应标准或协议要求提供的阻水缓冲层和绝缘屏蔽层的体积电阻率，对高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀情况实现有效的离线检测评价。
2、本发明通过对电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀评价，能够为高压电力电缆运维检修提供重要参考。
3、本发明通过对电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀评价，能够给出电力电缆技术改造意见，保障电网安全可靠运行的同时提升腐蚀程度较轻的老旧电力电缆的利用效率。
附图说明
图1是高压电力电缆结构及电阻测量接线图；
图2是绝缘屏蔽至皱纹铝护套电阻的二端口网络图；
图3是绝缘屏蔽至皱纹铝护套电阻的二端口网络简化图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法，包括以下步骤：
步骤1、建立绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻分布参数模型。
在本步骤中，首先需要对电缆绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻分布参数建立模型。如图1所示，对于新生产的高压电力电缆，可认为皱纹铝护套、阻水缓冲层以及绝缘屏蔽沿轴向电阻分布均匀，从而得到图2所示的二端口网络电路图。图中，n为考虑电缆沿线分布参数时的分隔段数；Rd(n)为对应二端口总电阻；RAlx为皱纹铝护套沿轴向总电阻；RAly为皱纹铝护套沿径向总电阻；RHx为阻水缓冲层沿轴向总电阻；RHy为阻水缓冲层沿径向总电阻；RPx为绝缘屏蔽沿轴向总电阻；RPy为绝缘屏蔽沿径向总电阻。上述电路模型综合考虑了皱纹铝护套、阻水缓冲层、绝缘屏蔽的电阻分布情况。
该二端口网络模型具体结构为：存在n个n分之一皱纹铝护套沿轴向总电阻RAlx和n个n分之一绝缘屏蔽沿轴向总电阻RPx，其中每个n分之一皱纹铝护套沿轴向总电阻RAlx与n分之一绝缘屏蔽沿轴向总电阻RPx之间都与n倍的皱纹铝护套沿径向总电阻RAly、两个二分之n倍阻水缓冲层沿径向总电阻RHy、n倍的绝缘屏蔽沿径向总电阻RPy串联，其中在每条串联的两个二分之n倍阻水缓冲层沿径向总电阻RHy之间串联n分之一阻水缓冲层沿轴向总电阻RHx。
通过分析可以得知，皱纹铝护套的体积电阻率远小于绝缘屏蔽的体积电阻率，并且阻水缓冲层的体积电阻率一般超出绝缘屏蔽的体积电阻率1000倍以上，因此，可对图2的二端口网络进行简化，得到如图3所示的简化二端口电路。
对图3进行求解，则简化后的二端口网络电阻为：
Figure GDA0003409668720000041
根据介质体积电阻率公式：
Figure GDA0003409668720000042
其中R为介质电阻，ρ为介质体积电阻率，l为介质长度，s为介质通过电流面积，二端口网络电阻为：
Figure GDA0003409668720000043
其中，ρH为阻水缓冲层的体积电阻率；ρP为绝缘屏蔽的体积电阻率；d3为包含皱纹铝护套的电缆外径；d2为包含阻水缓冲层的电缆外径；d1为包含绝缘屏蔽的电缆外径。
由此可见，对于实际工况下足够长度的电缆，由于电缆结构尺寸已经固定，皱纹铝护套与绝缘屏蔽之间的电阻仅与阻水缓冲层以及绝缘屏蔽的体积电阻率有关。由于上式高压电力电缆Rd计算所需所有参数在电缆出厂试验过程中均会测量，因此可得新电缆Rd。
步骤2、测量绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻。
由于电缆两端装有电缆附件，并且皱纹铝护套两端均需要接地或连接交叉互联装置，所以在测量前需要首先将电缆两端从附件中取出，并断开电缆两端交叉互联或接地装置。如图1阴影部分所示，保证两端皱纹铝护套未接地后，在测量端皱纹铝护套与绝缘屏蔽处分别缠绕金属网带以实现良好电气接触。将两处金属网带作为待测电阻的两极，应用高精度低功率直流电阻测量方法进行测量。例如，可将两处金属网带分别连接到含有直流稳压电源的惠斯通电桥两端进行电阻测量，得到绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻。测量方法功率不宜过大，以免烧伤绝缘屏蔽层。测量结束后，应对皱纹铝护套以及绝缘屏蔽进行接地放电，以免受到静电电击。
步骤3、根据电缆出厂试验报告以及相应标准或协议要求提供的阻水缓冲层和绝缘屏蔽层的体积电阻率，评价电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀情况。
由于阻水缓冲层受潮并发生电化学腐蚀后，会出现以下情况：(1)受潮处阻水缓冲层电阻加大；(2)在皱纹铝护套与阻水缓冲层紧密接触位置处产生绝缘白色粉末，加大绝缘屏蔽接地电阻；(3)发生电化学腐蚀，损伤绝缘屏蔽，加大绝缘屏蔽接地电阻。以上三种现象在二端口网络图中对应的变化是：与发生受潮、产生白色粉末、发生电化学腐蚀位置对应处的分布电阻会加大，依据电路原理，二端口网络电阻会加大。因此，测量二端口网络电阻可有效发现阻水缓冲层电化学腐蚀现象，依据测量阻值可以定量得到阻水缓冲层电化学腐蚀程度。
通过查阅出厂实验报告中阻水缓冲层的体积电阻率ρHfac与绝缘屏蔽层的体积电阻率ρPfac，并依据公式(1)计算得到的电阻Rdfac。
根据相应标准或协议分别确定阻水缓冲层的体积电阻率上限ρHmax与绝缘屏蔽层的体积电阻率的上限ρPmax，并依据公式(1)计算得到的电阻Rdmax。
下面根据步骤2测量得到绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻，分情况讨论如下：
①若测量得到的
Figure GDA0003409668720000051
则当前电缆绝缘屏蔽接地情况良好，阻水缓冲层电化学腐蚀程度良好；
②若
Figure GDA0003409668720000052
则当前电缆绝缘屏蔽接地情况存在问题，阻水缓冲层在局部电化学腐蚀严重，损伤部分绝缘屏蔽；
③若Rdmax≤Rd，则当前电缆绝缘屏蔽接地情况极差，阻水缓冲层电化学腐蚀情况严重。以上三种情况均可以计算阻水缓冲层电化学腐蚀程度，如下：
(Rd-Rdfac)/(Rdmax-Rdfac)×100％ (2)
需要注意的是，上述推导部分做了若干简化并要求线路具备一定的长度以应用分布参数模型，实际测量电阻值有可能出现Rd≤Rdfac的情况，若实际测量电阻值出现Rd≤Rdfac的情况，应当按照评价电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀方法的第一类进行判断，此时结论同情况①，电化学腐蚀程度为0％。
根据上述方法，通过对于某一110kV电力电缆进行阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价来说明本发明的效果：
某110kV电力电缆参数有：长度240m；绝缘屏蔽体积电阻率0.049Ω·m，包含绝缘屏蔽的电缆外径d1＝63mm；阻水缓冲层体积电阻率240Ω·m，厚度(d2-d1)/2＝2mm；金属套最小平均厚度(d3-d2)/2＝2.2mm。目前GB/T11017《额定电压110kV(Um＝126kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆及附件》标准中要求老化前和老化后的绝缘屏蔽电阻率不应超过500Ω·m；JB/T10259《电缆和光缆用阻水带》标准中要求阻水缓冲层体积电阻率不应超过1000Ω·m。
根据以上信息可以计算得到
Figure GDA0003409668720000053
Figure GDA0003409668720000054
Figure GDA0003409668720000055
之后，拆除电缆两端接头及终端，保证两端皱纹铝护套未接地，在测量端的皱纹铝护套与绝缘屏蔽处分别缠绕铜网以实现良好电气接触，将两处铜网分别连接到含有直流稳压电源的惠斯通电桥两端进行电阻测量。得到皱纹铝护套与绝缘屏蔽之间电阻，记为R，共有以下三种情况：
⑴、若R≤51.24Ω，则认为则当前电缆绝缘屏蔽接地情况良好，阻水缓冲层电化学腐蚀程度可以接受。
⑵、若51.24Ω≤R≤5176.05Ω，则认为当前电缆绝缘屏蔽接地情况存疑，阻水缓冲层在局部电化学腐蚀严重，可能已经损伤部分绝缘屏蔽，建议跟进关注此电缆的状态。
⑶、若5176.05Ω≤R，则认为当前电缆绝缘屏蔽接地情况极差，阻水缓冲层电化学腐蚀情况严重，建议对电缆进行技术改造或更换。
该电缆的电化学腐蚀程度为
Figure GDA0003409668720000061
若测量R≤25.1Ω，则认为当前电缆绝缘屏蔽接地情况良好，阻水缓冲层电化学腐蚀程度可以接受，电化学腐蚀程度为0％。至此，完成电缆腐蚀程度评价。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、建立绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻分布参数模型；
步骤2、测量绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻；
步骤3、根据测量绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻，评价电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀情况；
所述步骤1建立的绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻分布参数模型为：
Figure FDA0003409668710000011
其中，ρH为阻水缓冲层的体积电阻率；ρP为绝缘屏蔽的体积电阻率；d3为包含皱纹铝护套的电缆外径；d2为包含阻水缓冲层的电缆外径；d1为包含绝缘屏蔽的电缆外径；
所述步骤3评价电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀情况的方法为：
⑴、若步骤2测量得到的
Figure FDA0003409668710000012
则当前电缆绝缘屏蔽接地情况良好，阻水缓冲层电化学腐蚀程度良好；
⑵、若
Figure FDA0003409668710000013
则当前电缆绝缘屏蔽接地情况存在问题，阻水缓冲层在局部电化学腐蚀严重，部分绝缘屏蔽损伤；
⑶、若Rdmax≤Rd，则当前电缆绝缘屏蔽接地情况极差，阻水缓冲层电化学腐蚀情况严重；
上式中，ρHfac为出厂试验报告给出的阻水缓冲层的体积电阻率，ρPfac为出厂试验报告给出的绝缘屏蔽层的体积电阻率；
ρHmax为相应标准或协议确定的阻水缓冲层的体积电阻率上限，ρPmax为相应标准或协议确定的绝缘屏蔽层的体积电阻率上限，Rdmax为通过ρHmax和ρPmax并依据电阻分布参数模型计算得到的电阻；
d3为包含皱纹铝护套的电缆外径；d2为包含阻水缓冲层的电缆外径；d1为包含绝缘屏蔽的电缆外径。
2.根据权利要求1所述的高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法，其特征在于：所述步骤2测量绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻方法为：将电缆两端从附件中取出，断开电缆两端交叉互联或接地装置，保证两端皱纹铝护套未接地；在测量端皱纹铝护套与绝缘屏蔽处分别缠绕金属网带后，将两处金属网带作为待测电阻的两极，应用高精度低功率直流电阻测量方法进行测量；得到绝缘屏蔽至皱纹铝护套处的电阻。
3.根据权利要求1所述的高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法，其特征在于：所述步骤3还包括计算高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀程度的方法，其计算方法为：
(Rd-Rdfac)/(Rdmax-Rdfac)×100％
式中Rdfac为通过ρHfac和ρPfac并依据电阻分布参数模型计算得到的电阻。
4.根据权利要求3所述的高压电力电缆阻水缓冲层电化学腐蚀离线检测评价方法，其特征在于：如果实际测量电阻值出现Rd≤Rdfac的情况，则当前电缆绝缘屏蔽接地情况良好，阻水缓冲层电化学腐蚀程度良好，电化学腐蚀程度为0％。
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