【正文】 研制一個有利于研究并且能工作在現(xiàn)場的頻段可調(diào)的變頻電源和尋找有效的變 頻 信號疊加位置以及大小。研究表明，諧波分量能很好地表征電纜的老化程度。 直流高壓發(fā)生器的設(shè)計 直流高壓發(fā)生器的幾種產(chǎn)生方式 半波整流 半波整流是獲得直流高電壓最方便、使用最早的一種方式。電壓降 ΔU 正比于倍壓級數(shù) n 的 3次方，脈動電壓 δU正比于倍壓級系數(shù) n的平方。但是工頻倍壓整流方式與半波整流方式一樣受電網(wǎng)電壓波動的影響較大，輸出直流高壓難以穩(wěn)定，較難滿足《 ZBF2400390》 的規(guī)定輸出直流高壓的穩(wěn)定性要達(dá)到 1%的要求，尤其是在做高壓電纜的泄漏電流測量及氧化鋅避雷器 lmA 直流參考電壓時，泄漏電流值擺動很大，難以正確讀數(shù)。根據(jù)理論公式 : () 式中 :u0 為輸出電壓 ； n為倍壓的級數(shù) ； K 為變壓器的變比 ； uin為輸人的正弦電壓。在實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)考慮最佳工作頻段。倍壓整流電路可以等效為如圖 44(b)所示電路，其充電電路由支路并聯(lián)組成，假設(shè)所有電容值為 C，其總的等效電容值 C=C1//C3//C5//C7 同理，輸人正半周分析方法與負(fù)半周一樣 。產(chǎn)生附加電壓的原因是由于變壓器的非線性工作的一些參數(shù)。電路 4 電壓跌落 ；輸出電壓 U=理論值 ΔU，輸出電壓紋波 較小，但是電路復(fù)雜。且高階倍壓整流電路帶載能力很差，輸出很小功率就會導(dǎo)致大的電壓跌落，其跌落幅度為 : （ ） 式中， 為倍壓的階數(shù) ； f為輸人電壓頻率 ； C 為倍加電容容量。因此增加倍壓回路的工作頻率就有很大的吸引力，如將倍壓整流回路供電的頻率由 50Hz提高到 5000Hz，則在相同電壓降 ΔU的條件下，倍壓電容 C 的電容量就可減小 100 倍，可使倍壓整流回路的重量與體積大為減小。 當(dāng)在高壓試驗(yàn)室中需要固定式直流高壓發(fā)生器時，選用工頻 倍壓整流設(shè)備的較多。因此在進(jìn)行小電容 值 試品的泄漏試驗(yàn)時， 30 一般都規(guī)定要在直流高壓側(cè)并聯(lián)大電容，以減小直流高壓的脈動分量。隨著電纜老化程度的增加，損耗電流波形畸變越 大，即含有的諧波分量越來越大。 28 圖 35 基于差頻法 的測量原理圖 交流疊加法 該方法是在電纜屏蔽層上疊加一個交流電壓 (頻率 =工頻頻率 2+1)測檢出 1Hz 的特征電流信號，從而判斷電纜的老化程度，交流疊加法檢測原理見圖 36所示。 差頻法 差頻在線監(jiān)測法的檢測方式與直流法相似，在工頻交流電下疊加低頻電壓，觀察其對老化電纜的響應(yīng)程度。前者以在線檢測水樹枝在工頻交流電場下因“整流效應(yīng)”所產(chǎn)生的微弱直流電流作為絕緣老化的判據(jù)；后者是采用對運(yùn)行中的電纜絕緣疊加一個小直流電勢，然后在電纜屏蔽層接地回路中測出所產(chǎn)生的直流電流的方法來獲知電纜的直流絕緣電阻。水樹枝多、貫穿程度大的電纜樣品電位衰減快，反之， 則電位衰減較緩慢。逆吸收電流的衰減情況和吸收電流一樣，也反映了絕緣介質(zhì)局部缺陷、發(fā)生水樹 枝等老化現(xiàn)象的程度。I10 為加電壓 10min 后的電流； ID10 為開始放電 10min后的電流。但當(dāng)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(diǎn)。應(yīng)該使用專用的測量導(dǎo)線或者絕緣強(qiáng)度高的多芯軟導(dǎo)線，將搖表端鈕“ L”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。 （ 2） .測量前檢查搖表是否完好。 兆歐表的接線柱有三個 (見圖 31):“線路” (L)、“接地” (E)、“保護(hù)環(huán)” (G)。 ② 電纜附件。需要指出的是，耐壓試驗(yàn)可能會對試品產(chǎn)生某些損壞，從而影響絕緣壽命。 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。當(dāng)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，而試品的絕緣電阻與電流成反比。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。 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。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， ζ 下降。 任何不同的絕緣材料，都可以認(rèn)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。 [9] 固體絕緣材料的絕緣擊穿機(jī) 理主要有以下兩種理論 : (1).達(dá)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”。它對絕緣老化的速度有很大的影響。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。 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(jī)械老化、電壓老化等。④閃絡(luò)性故障：試驗(yàn)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。 Rf 代表故障點(diǎn)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。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(diǎn)一般是由于存在材料缺陷。必須及時分清故障原因，準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)，從而消除 故障。 （ 3）介質(zhì)損失大，且溫度升高時其電氣性能和機(jī)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(yùn)行溫度不得超過 65KV。橡皮電纜也可以采用聚氯乙烯或氯丁橡皮作為密封層。當(dāng)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(hù)套。 分相鉛包電纜 分相鉛包電纜又稱為單芯電纜。統(tǒng)包紙不但滿足了線芯與外防護(hù)層的絕緣要求，而且還起到纏緊各個線芯的作用。這是本課題的關(guān)鍵所在； （ 3）根據(jù)所選參數(shù)，制作實(shí)物，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。電纜在運(yùn)行過程中，因機(jī)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。雖然耐壓試驗(yàn)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(yùn)行，電力電纜絕緣在線監(jiān)測技術(shù)得到了長足的發(fā)展。國內(nèi)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn) ：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。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(yàn)更加嚴(yán)峻，因此為防止發(fā)生事故，對電纜的絕緣檢測更加重要。使用仿真軟件 EWB 進(jìn)行線路仿真，選擇電路參數(shù)，最后制作實(shí)物并進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。 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(yàn)方法，即定期停電對設(shè)備進(jìn)行絕緣特性試驗(yàn)。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)。據(jù)統(tǒng)計，在供電事故中，電纜事故占 2 /3 左右，故預(yù)防及減少電纜事故至關(guān)重要。 在我國，隨著經(jīng)濟(jì)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)絕緣狀況的監(jiān)測卻還沒得到足夠的重視，并因此造成了相當(dāng)?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(fù)面影響。 統(tǒng)包電纜具有如下缺點(diǎn)： （ 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(dāng)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。 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。 （ 2）運(yùn)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(hù)套層損傷故障。 （ 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 。 交聯(lián)聚乙烯電纜具有如下特點(diǎn)： （ 1）耐熱性能和絕緣性能好，載流量大。機(jī)械損傷引起的電纜故障占電纜故障事故的比例較大。 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。①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。 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”。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。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。一般可以用絕緣( ) e x p ( )Ac Ef T f kT?? 15 材料的本征擊穿場強(qiáng)表示絕緣材料耐強(qiáng)電場的性能。固體介質(zhì)耐受局部放電的性能是有差別的，例如有機(jī)高分子聚合材料的短時擊穿場強(qiáng)很高，但因耐受局部放電的性能差，因此長時間擊穿場強(qiáng)并不高。 * nt k E?? 16 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 ζ 等于 0，介質(zhì)是不導(dǎo)電的。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。 18 圖 24（ a） 雙層介質(zhì)的等效電路 圖 24(b) 吸收曲線 C C2介質(zhì) 2 的等效電容 R R2介質(zhì) 2 的絕緣 電阻 當(dāng)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 24(b)中曲線所示。這個過渡過程的快慢取決于時間常數(shù) η 2112CUUCC? ?1212CUUCC? ?12gUII RR?? ?1112RUURR? ?2212RUURR? ? 19 （ ） 由以上分析可見，加上試驗(yàn)電壓后，流過試品的電流由兩部分組成。 極化指數(shù)用 PI來表示 （ ） 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。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(jìn)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。 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。 22 （ 2） 荷蘭 ： 荷蘭在 150kV XLPE 電纜線路運(yùn)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。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。若開路指“ ∞ ”，短路指“ 0”說明搖表處在完好狀態(tài)。 （ 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(xiàng)之一。 在進(jìn)行泄露電流試驗(yàn)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 24 變化。 在一定的電壓和頻率下，介質(zhì)損失角正切值（ tgδ）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)。絕緣判定的依據(jù)為試驗(yàn)和實(shí)踐總結(jié)出來的交流擊穿電壓和殘余電荷的關(guān)系。 水樹 枝 相當(dāng)于針形電極，電纜導(dǎo)線或者銅屏蔽層相當(dāng)于板形電極 (如圖 34 所示 )。水樹枝引發(fā)的初期，局部放電量大約為 。如果施加 50Hz工頻電壓疊加上去， 形成的信號會淹沒在工頻供電的系統(tǒng)中，所以采用 100Hz 左右的低頻低壓電源供電。這樣所得出的關(guān)系式為： 檢測電流頻率 =疊加電壓頻率 工頻頻率 2。 第 4 章 附加直流電源絕緣檢測法 直流高壓發(fā)生器概述 由于采用了 附加直流電源絕緣檢測法 ，所以對于電源的研究很重要。 50 年代此方式曾在國內(nèi)大量采用，為直流高壓試驗(yàn)電源的初級階段。為減輕工頻倍壓整流式直流高壓試驗(yàn)電源的體積與重量，一些制造廠采用了提高倍壓電容工作場強(qiáng)和高磁密工頻高壓變壓器的措施，這些都將影響設(shè)備的可靠性，尤其是對 200kV 及以上的便攜式直流高壓試驗(yàn)電源，工頻倍壓整流方式將難于滿足《 ZBF2400390》標(biāo)準(zhǔn)的要求。 倍壓電路的工作特性 倍壓整流電路基本原理 當(dāng)變壓器副邊電壓為正半周 (即 U2 極性上正下負(fù) )時，二極管 D1 導(dǎo)通， C1 充電至2 U2，極性如圖 41 所示；同理，負(fù)半周時 D2 導(dǎo)通，將 C2 充電至 2 U2。輸出電壓 U=理論值 ΔU，輸出電壓紋波為 。二極管最好選擇 2CLG100/60 型硅堆，耐壓 60kV，最大電流 100mA。 圖 45(a) 高頻變壓器等效電路圖