电缆绝缘状态及寿命评估

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  摘要
  隨着城市的发展需求,电缆因其美观安全,受外界气候干扰小,隐蔽,维护工作量少,可在各种场合下敷设等优点,逐渐取代架空裸线,被广泛应用于线路施工中。伴随着城网外扩和农网改造的实施,电力电缆的利用比重也会越来越高,如何维护好已有的和即将投入运行的电缆设备,对电缆的状态监视和寿命评估就显得十分必要。电缆的运行状况直接关系到电力系统的安全运行及供电的可靠性。本文对电缆故障的类型,及绝缘老化的原因做了系统的论述和分析,对电缆绝缘状态检测方法全方位,多角度的进行研究,从而为提高电缆的使用寿命非常具有必要性和实际意义。
  关键词:电力电缆;绝缘状态监测;使用寿命
  中图分类号: TM934.3 文献标识码:A
  1.1 背景及意义
  进入二十一世纪以来,我国经济发展突飞猛进,电力行业作为经济发展的重要支柱之一,随着国民经济快速发展,人们生活水平大有改善,但与此同时,对电力市场的需求也日益增加,突现出电力短缺的供需矛盾。在城市文明化的建设过程中,人们希望营造优雅的生存环境和宽松的生活空间。于是,地下电力电缆逐渐取代架空线路,同时随着电缆数量的增多及运行时间的延长,电缆的故障也越来越频繁。因此,研究电力电缆在线监测技术,可及时对电缆进行合理的维护、检修及更换,对保证电缆可靠运行具有重要意义。
  對电缆进行状态诊断及评估,是合理安排电缆更换,保证电力供应安全可靠的一个重要技术手段,也是在智能电网中实现对电缆有效管理的极其重要的部分。对电缆进行状态诊断及评估,为及时的找出原因进行更换和处理,从而为减少电力事故保驾护航。
  1.2 国内外发展现状
  1.2.1 国外电缆绝缘检测和老化检测发展现状
  20世纪60年代起,国外就开始了关于XLPE (交联聚乙烯)电缆绝缘弱点检测和老化检测技术的研究,时至今日,该项研究仍在不断发展。日本是较早开展XLPE电缆绝缘老化检测技术研究的国家之一,但是研发的电缆绝缘检测仪只能发现已经发生绝缘老化的电缆,无法描述被检测电缆的绝缘老化程度,而且该检测仪主要针对的是陆地所使用电缆。
  美国电子电气工程师协会(IEEE)绝缘导体委员会推荐的《运行老化的69KV和115KV XLEP电缆》一文,对运行了6-23年的6回被撤换下的电缆(均无金属套,且敷设于阴湿环境排管中,其中有2回是运行20年后出现故障)的测试结果进行了评述,对电缆绝缘状态及老化原因进行了细致的分析。
  1.2.2 我国电缆绝缘检测和老化检测发展现状
  国内天津大学杜伯学采用温差法对XLPE电缆老化进行评估,其研究对象为10KV的陆用电缆;上海交通大学王雅群采用等温松驰电流对XLPE电缆寿命评估,但是受到国内外电缆制造工艺差异的影响,计算所得老化因子与国外学者报道的结果相差普遍较大。
  在我国电力电缆试验技术严重滞后于电力电缆制造和应用技术。国家关于绝缘电力电缆XLPE投运后的试验方法、标准和运行规程大多在 20 世纪70年代颁布,比较陈旧落后,有的甚至是沿用油纸绝缘电力电缆的试验方法。1996 年修编的《电力设备预防性试验规程》中,仅用很少的篇幅提及绝缘电力电缆投运后的预试方法,不具可操作性。
  2.1 电缆故障的类型
  电缆故障有许多种,大致分为:
  2.1.1 接地故障
  电缆一芯或多芯对地故障。其中又可分为低阻接地或高阻接地。一般接地电阻在20欧一100OO欧。以下为低阻故障,以上为高阻故障。因使用的电桥和检流计灵敏度不同,对低阻与高阻的划分也往往不一致。原则上接地电阻较低,能直接用低压电桥进行测量的故障,称为低阻故障。须要进行烧穿或用高压电桥进行的故障,称为高阻接地。
  2.1.2 短路故障
  电缆两芯或三芯短路,或两芯、三芯短路接地。其中也可分为低阻短路或高阻短路故障,其划分原则与接地故障相同。
  2.1.3断线故障
  电缆一芯或多芯被故障电流烧断或受机械外力拉断,形成完全断线或不完全断线,其故障点对地的电阻也可分为高阻或低阻故障,一般以IMQ为分界限,小于1M。为低阻。能较准确地测出电缆的电容,用电容量的大小来判断故障点可称为高阻断线故障。
  2.1.4闪络性故障
  这类故障绝大多数在预防性试验中发生,并多出现在电缆中间接头和终端头。试验时绝缘被击穿,形成间隙性放电,当所加电压达到某一定值时,发生击穿,当电压降至某一值时,绝缘恢复而不发生击穿。在特殊条件下,绝缘击穿后又恢复正常,即使提高试验电压,也不再击穿,这种故障称为封闭性故障。以上两种现象均属于闪络性故障
  综上所述,电力低压电缆故障的最直接原因是绝缘降低而被击穿。导致绝缘降低的因素很多,根据实际运行经验,归纳起来不外乎以下几种情况:
  1、外力损伤。现在高速发展中的城市,建设不分白天黑夜,相当多的电缆故障都是由于机械损伤引起的。比如:电缆敷设安装时不规范施工,容易造成机械损伤;在直埋电缆上搞土建施工也极易将运行中的电缆损伤等。有时损伤不严重,要几个月甚至几年才会导致损伤部位彻底击穿形成故障,有时破坏严重的可能发生短路故障,直接影响用电的安全生产。
  2、绝缘受潮。一般发生在直埋或排管里的电缆接头处。比如:电缆接头制作不合格和在潮湿的气候条件下做接头,会使接头进水或混入水蒸气,时间久在电场作用下形成水树枝,逐渐损害电缆的绝缘强度而造成故障。
  3、化学腐蚀。电缆直接埋在有酸碱作用的地区,往往会造成电缆的铠装、铅皮或外护层被腐蚀,保护层因长期遭受化学腐蚀或电解腐蚀,致使保护层失效,绝缘降低,也会导致电缆故障。
  4、长期过负荷运行。超负荷运行,由于电流的热效应,负载电流通过电缆时必然导致导体发热,同时电荷的集肤效应以及钢铠的涡流损耗、绝缘介质损耗也会产乍附加热量,从而使电缆温度升高。长期超负荷运行时,过高的温度会加速绝缘的老化,以至绝缘被击穿。电缆的温升常常导致电缆绝缘薄弱处首先被击穿,因此在夏季,电缆的故障也就特别多。   5、电缆接头故障。电缆接头是电缆线路中最薄弱的环节,由人员直接过失(施工不良)引发的电缆接头故障时常发生。在制作电缆接头过程中,如果有接头压接不紧、加热不充分等原网,都会导致电缆头绝缘降低,从而引发事故。
  6、环境和温度。电缆所处的外界环境和热源也会造成电缆温度过高、绝缘击穿,甚至爆炸起火。
  7、電缆本体的正常老化或不可预测的自然灾害等其他原因。
  2.2 电缆老化原因
  电缆老化原因可分为:
  2.2.1 电气老化
  电气老化指的是在电场长期作用下,由于电缆制造中的质量缺陷,施工中机械与外力作用伤害,绝缘物中的空隙、裂纹等,造成局部电场不均匀,诱发局部放电,以导体的变异部、空隙、杂质为起点,局部破坏,发展成树枝化,渐渐地导致绝缘破坏。
  固体绝缘材料的绝缘击穿机理主要有以下两种理论:
  1.达到一定电场时,电子数量急剧增加,使得绝缘材料遭到击穿破坏,由于击穿破坏的主要原因是电子,因而称为“电击穿”。
  2.在绝缘体上加上电压后,有微电流通过,由这一电流产生的焦耳热导致材料击穿破坏,这被称为“热击穿”。
  2.2.2 热老化
  热老化指的是绝缘介质负荷电流变化及短路电流引起的热伸缩、材料氧化、热分解等化学变化以及硬度变化、龟裂等物理变化引起的老化和绝缘材料性能降低。其化学结构在热量的作用下发生变化,使得绝缘性能下降的现象。热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化,所以热老化也被称为化学老化。热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化,绝缘寿命减少,但是最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。例如,XLPE材料被认为当拉伸率从初始的400%一600%降低到1O0%时寿命终止。
  2.2.3 机械老化
  机械老化是电缆系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发生的老化。这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷,这些微小的缺陷随着时间的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化,形成微小裂缝并逐渐扩大,直至引起局部放电等破坏绝缘的现象,这种现象也被称为“电一机械击穿’。
  2.2.4 水老化
  水浸入电缆后(制造时或施工与运行中接头浸潮等),由于电场的叠效果,在电场不均匀及电场力集中点形成水树枝化。通常有内导水树枝化、蝴蝶水树枝化和外导水树枝化阵。
  由此可以看出,电缆老化主要是由于电气老化,热老化,机械老化,水老化四个方面引起的。
  电缆绝缘状态的检测与寿命分析
  3.1 绝缘电阻的测量意义
  电气设备的绝缘电阻,是反映绝缘体在一定直流电压作用下,通过它的稳定传导电流的大小。在某一电压下,电流越小,绝缘电阻就越大;电流越大,绝缘电阻就越小,表明了绝缘体在直流电压作用下的特性。
  绝缘电阻是反映电缆产品绝缘特性的重要指标,因此平时应用于方方面面的电力电缆,一般都要测定其绝缘电阻,把测定绝缘电阻作为控制和保证其绝缘品质的主要参数。电缆制作中一定要严格遵守规定要求,在工程的各个重要环节对电缆进行绝缘试验,测量绝缘电阻是其中一个非常好的方法,电力电缆在投入使用后,定期利用仪器进行绝缘电阻的测量,进行分析,可以清晰的知道电缆的运行状态,可以及时发现缺陷故障,进行处理隐患,为提高供电的可靠性做出积极的影响。由此可见电缆绝缘电阻的测量为检验优劣,及时发现缺陷和反映电缆的状态提供了可靠的依据,对生产和维护电力电缆有重要的意义。
  3.2 绝缘电阻测量方法与分析
  测量绝缘电阻的方法较多:有通过试验变压器来操作的,这种方法电压较高,设备价格也贵,接线复杂;也有用兆欧表来操作的,这种方法价格便宜,接线简单,使用方便,容易操作。目前现场普遍是用兆欧表来进行测量的。由于把兆欧表的测量作为对设备的一种前期测试,是对设备绝缘情况的一种初步的检查,再结合一些其他的试验,就可以对电气设备进行综合的判断,所以使用兆欧表测量绝缘电阻是非常重要的,缺之不可。
  绝缘电阻的测量方法
  在使用兆欧表时,自身会产生很高的电压,由于测量对象通常為电气设备,所以必须正确使用,否则将造成安全事故或设备事故。下面介绍如何用兆欧表正确测量绝缘电阻,仅供参考。准备工作,在使用前要做好以下准备:
  1.必须切断被测设备电源,并对地短路放电,不允许在设备带电的情况下进行测量。
  2.对那些可能感应出高电压的设备,必须消除这种可能性后,才能进行测量。
  3.注意被测物表面需保持清洁,减小表面电阻,确保测量结果的正确性。
  4.应检查兆欧表是否处于正常状态,主要检查其"0"和"∞"两点。即摇动手柄,使电机达到额定转速,在短路兆欧表时指针应指在"0"位置,而开路时指针应指在"∞"位置。
  5.注意平稳、牢固地放置兆欧表,且远离较大电流导体及强磁场。
  3.3 介质损耗测量的意义
  绝缘介质损耗是作为绝缘材料的电介质在较高电压电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效应,在其内部引起的能量损耗,也叫介质损失。介质损耗角正切(tanδ)值表示。Tanδ值能够较全面的反映在交流电场中绝缘的品质,例如:绝缘材料的分子结构与组成;绝缘中含气、受潮,或微粒杂质存在的程度;工艺处理的完善程度(干燥是否充分,浸渍是否均匀和充分);结构设计是否合理(如外屏蔽层与绝缘接触是否良好,导线表面有否均匀电场的屏蔽层),以及运行中的产品绝缘是否老化等。
  电气设备的绝缘在交流电压作用下大都表现为容性阻抗,但并不是纯容性,其有功功率损失部分统称为绝缘的介质损失。绝缘受潮后有功功率损失明显增大,因此对大部分电气设备通过检测介质损失,可以检查出绝缘是否受潮。
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