【導(dǎo)讀】統(tǒng)計電力電纜絕緣故障的類型及原因；法，選擇一種方法對其進行深入研究。根據(jù)所選參數(shù)，制作實物，進行實驗驗證。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。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，對電纜的絕緣檢測更加重要。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。

　　

【正文】 式中， C 為絕緣介質(zhì)的電容； ω 為交流電壓的角頻率； tgδ 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（ tgδ）與絕緣介質(zhì)的形狀、大小無關(guān)，110II1010DII 27 只與介質(zhì)的固有特性有關(guān)。 tgδ 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 tgδ 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理想交流電源，測量電壓電流相位差來推算 tgδ，或者采用西林電橋進行測量 。 逆吸收電流法 該方法為在對電纜施加直流電壓后，檢測導(dǎo)體對屏蔽層短路時的電流。 由于也是吸收現(xiàn)象影響了電流的衰減，所以被稱為逆吸 收電流。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。因為是短路放電電流，所以和充電電流方向相反。 殘余電荷法是先對電纜施加直流電壓一段時間 (一般為 10 分鐘 )，接著線芯接地 (5分鐘 )后再在線芯和屏蔽層之間施加交流電壓，這時測量流過的過渡直流電流 Id(t)對時間 t 在 1分鐘內(nèi)的積分值 Q， Q 即為殘留電荷。絕緣判定的依據(jù)為試驗和實踐總結(jié)出來的交流擊穿電壓和殘余電荷的關(guān)系。一般殘余電荷越少表示絕緣性能越優(yōu)良。 殘余電荷法對于局部老化的檢測精度較高，且不 受串聯(lián)阻抗的影響。 電位衰減法 給電纜施加電壓后，斷開電源，由于電纜絕緣體的絕緣電阻作用，導(dǎo)體與屏蔽層之間的電位差將衰減。和電纜加電壓時的電流響應(yīng)一樣，電位衰減的快慢和絕緣老化狀況有關(guān)，其中，和水樹枝的狀況關(guān)系尤為密切。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。 如圖 33 28 圖 電纜絕緣在線診斷法 直流分量法 直流成分法的原理：交聯(lián)電纜老化的過程中產(chǎn)生的水樹 枝 通常都是從絕緣層和其他介質(zhì)交界處開始生長。當交聯(lián)電纜絕緣層含有水 樹 枝 的時候，水樹 枝 和電纜導(dǎo)電線芯 (導(dǎo)線 )或者銅屏蔽層就構(gòu)成了針和板 ，兩個放電電極。 水樹 枝 相當于針形電極，電纜導(dǎo)線或者銅屏蔽層相當于板形電極 (如圖 34 所示 )。由于棒板放電的過程中，棒極為正極性和負極性時的放電情況是不對稱的，加上交流電壓時會產(chǎn)生整流效應(yīng)，這就是含有水樹枝 的電纜在運行中產(chǎn)生直流分量的原因。 直流分量是水樹導(dǎo)致絕緣能力降低的一個標志，通過測量直流分量能夠診斷正在運行中的交聯(lián)電纜絕緣老化的情況。 直流法包括直流成分法和直流疊加法兩種具體方法。直流成分法測量運行中 XLPE電力電纜絕緣中的“水樹狀”劣 化狀態(tài)，直流疊加法測量運行中 XLPE 電力電纜直流絕緣電阻。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。 29 圖 34 電纜水樹枝原理圖 局部放電法 對于局部放電法來說，監(jiān)測主要是在終端頭和附件等處采集局部放電量。經(jīng)過小波理論和信號處理從干擾信號中來辨識 XLPE 電纜的局部放電量。水樹枝引發(fā)的初期，局部放電量大約為 。電力電纜局部放電量與電力電纜絕緣狀況密切相關(guān)，局部放電量的變化預(yù)示著電纜絕緣一定存在著可能危及電纜安全運行壽命的缺陷。國內(nèi)外專家學者、 IEC、 IEEE 以及 CIGRE 等國際電力權(quán)威機構(gòu)一致推薦局部放電試驗是作為 XLPE絕緣電力電纜絕緣狀況評價的最佳方法。 XLPE 電力電纜的在線監(jiān)測場所是一個包含許多變壓器、發(fā)電機、電容器等電氣設(shè)備的龐大的電力系統(tǒng)，其中，包含許多信號較大、波形較復(fù)雜的背景噪音和外界電磁干擾噪聲，例如，其周圍的電氣設(shè)備 —— 發(fā)電機的局部放電量就高達幾千個 PC，并且波形復(fù)雜，頻域較寬。提取的 電纜絕緣裂化信號極易淹沒在周圍的干擾信號之中。 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。針對目前國內(nèi)外研究的低頻疊加采用不同頻段和波形試探的現(xiàn)狀下，尋求出真正能體現(xiàn)電 纜老化程度的低頻加載信號。近來，有研究發(fā)現(xiàn)在同時對含水樹枝 XLPE 電纜施加兩個頻率相近或相似呈倍數(shù)關(guān)系的正弦電壓時，檢測回路中會有超低頻水樹劣化特征電流信號產(chǎn)生，據(jù)此可對電纜絕緣的水樹枝老化狀態(tài)進行在線診斷，這就是差頻監(jiān)測技術(shù)的理論基礎(chǔ)。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。該方法可以用在不同電壓等級的電纜線上，根據(jù)電力電網(wǎng)的實際接線方式，不同的電壓等級需要在不同的部位疊加低頻信號。 l0kV 電纜可以采用類似于直流疊加法，即通過消弧線圈的零序 PT 疊加； 110kV/220kV電纜可以在電網(wǎng) PT 二次測開口三角端注入變頻恒流信號。差頻技術(shù)的主要難點在于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。該方法的測量方式如 圖 35 所示。 30 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。 圖 36 交流疊加法檢測原理圖 試驗表明，在給老化電纜屏蔽層上疊加不同頻率的交流電壓時，當電壓頻率為100Hz時，會產(chǎn)生一個比較大的特征電流。進一步的研究表明，該特征電流只在老化的電纜上產(chǎn)生，對于新電纜并不產(chǎn)生特征電流，并且當疊加電壓的頻率為 時，特征電流達到最大值。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。與直流疊加法相比，交流疊加法所需電源的幅值較小，通常疊加 5V 的交流電壓就可得到明顯的特征電流，這使得交流疊加法能更容易地檢測出電纜老化信號；另外，交流疊加法所測得的特征電流的線性化程度要比直流疊加法好得多，因而，交流疊加法不失為在線檢測電纜的一個新方法。 諧波分量法 由水樹枝引起老化的 XLPE 電纜會在損耗電流中產(chǎn)生諧波分量。研究表明，諧波分量能很好地表征電纜的老化程度。諧波分量是由于水樹枝的非線性伏安特性而產(chǎn)生。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。這樣， 31 諧波分量本身包含了更多的水樹枝老化信息。由于奇次諧波通常會給損耗電流測量帶來誤差，該方法通過對調(diào)制而產(chǎn)生的偶次諧波的測量，可避免這一問題，并且在很大程度上不受雜散電流的影響，很值得借鑒。 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。由于直流高壓發(fā)生器 是高壓試驗儀器中主要測試設(shè)備之一，在高壓試驗中應(yīng)用廣泛，如避雷器、電力電纜、電力電容器、電動機定子繞組的直流耐壓試驗等。 所以根據(jù) 實際情況要求，考慮到便攜易用性，直流高壓發(fā)生器要方便易攜，小巧靈活才能適用于煤礦井下電纜的檢測。 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。當直流高壓側(cè)為純電阻負載時，輸出直流高壓的脈動因數(shù)為 157%。因此在進行小電容 值 試品的泄漏試驗時，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。這種整流方式由于電網(wǎng)電壓的波動，輸出直流高壓也隨之波動。特別是在 作 對地電容值很大的高壓電纜及發(fā)電機定子線 圈的泄漏電流測量時，泄漏電流數(shù)值不穩(wěn)定，難以正確讀數(shù)。 50 年代此方式曾在國內(nèi)大量采用，為直流高壓試驗電源的初級階段。 32 工頻倍壓整流 60 年代初，在便攜式直流高壓發(fā)生器中引入工頻倍壓整流電路。當倍壓級數(shù)為 n，高壓變壓器高壓側(cè)電壓峰值為 E 時，空載輸出直流電壓 U=2nE。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。當需要一定的輸出電壓時，就需增加倍壓級數(shù) n，當 n 增加到一定數(shù)值后， ΔU 與 δU均將增大到不可容許的地步。 當在高壓試驗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。為滿足 ΔU與 δU不超過一定的數(shù)值，倍壓電容器的電容量就較大，工頻高壓變壓器的體積也較大。此種設(shè)備在現(xiàn)場使用時很不方便， 60 年代，我國進口英國 BICC 制造的一套 600kV， 5mA 直流高壓發(fā)生器，重量達 1600kg之多。為減輕工頻倍壓整流式直流高壓試驗電源的體積與重量，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電源，工頻倍壓整流方式將難于滿足《 ZBF2400390》標準的要求。 將工頻倍壓整流直流 高壓電源引入便攜式直流高壓試驗器中，是我國直流高壓試驗設(shè)備發(fā)展的第二階段。與初級階段的半波整流方式相比，無疑是一個很大的進步。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)。 中頻倍壓整流 倍壓整流電路的電壓降 ΔU與 f、 C 均成反比例關(guān)系，增加倍壓電容 C 固然可使電壓降 ΔU成比例減小，但必須付出增加設(shè)備重量與體積的代價，這對于便攜式直 流高壓試驗器來講就意味著使用不方便，這是不可 取的。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。由此可見，采用中頻供電的倍壓整流電路是目前便攜式直流高壓試驗器的發(fā)展方向。 70 年代初，中頻倍壓整流的 JGS 型直流高壓試驗器 (60kV、 1mA)投入批量生產(chǎn)，標志著我國便攜式直流高壓試驗電源發(fā)展到第 三階段。 33 倍壓電路的工作特性 倍壓整流電路基本原理 當變壓器副邊電壓為正半周 (即 U2 極性上正下負 )時，二極管 D1 導(dǎo)通， C1 充電至2 U2，極性如圖 41 所示；同理，負半周時 D2 導(dǎo)通，將 C2 充電至 2 U2。則負載上電壓為兩個電容串聯(lián)相加，輸出電壓為 2 2 U2。 圖 41 二倍壓整流電路圖 其他形式的倍 加電路結(jié)構(gòu)的工作特性 圖 42（ a） 中的電路結(jié)構(gòu)是基本的 ， 其他三種都是其變形。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。 圖 42(a) 電路 1 0 2 inu n Ku? 34 圖 42(b) 電路 2 圖 42(c) 電路 3 35 圖 42(d) 電路 4 圖 42 幾種典型高倍壓整流電路 從式 ()可以看出，輸出電壓與頻率無關(guān)，但是實際測得值與頻率有關(guān)。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。 每個電容電壓值不會超過變壓器次級電壓的兩倍，可以選擇耐壓低的電容和二極管就可以。但是輸出電壓的紋波大，其原因是串聯(lián)放電。輸出電壓 U=理論值 ΔU，輸出電壓紋波為 。 倍壓電路的頻率特性與負載特性如圖 43所示，輕載時，不論輸人電壓高低，在低頻段內(nèi)都有兩個諧振峰，且諧振峰尖銳，在整個頻段內(nèi)明顯出現(xiàn)高于理論值的附加電壓 。當重載時則減為一個峰，峰勢趨于平緩，其值隨著 RL 的減少逐步向理論值靠近。在實際應(yīng)用時應(yīng)考慮最佳工作頻段。 圖 43 倍壓整流電路工作曲線 ? ?321 4 3 2U N N Nn fc? ? ? ?2nN?? ?14N N Ifc? 36