XLPE电力电缆

XLPE电力电缆（共7篇）

XLPE电力电缆 篇1

随着我国经济的迅猛发展, 城市化进程的日益推进, 城市电网建设力度正在不断加大。近些年来, XLPE (交联聚乙烯绝缘) 电力电缆被广泛应用于城市电网铺设中。由于电力电缆局部放电量与其绝缘状况有着紧密关联, 局部放电量的变化情况能够对危及电缆安全运行寿命的缺陷起到一定程度的预示作用, 故对绝缘电力电缆的局部放电量进行准确测量, 能够有效判断该电缆绝缘品质的优劣。为了及时发现故障隐患、准确预测XLPE电力电缆, 确保电力电缆运行的安全性与可靠性, 必须努力提升电力电缆局部放电在线检测水平。因此, 展开对于XLPE电力电缆局部放电的研究具有重要的意义。

1 XPLE电力电缆局部放电成因

基于XPLE电力电缆的局部放电在线检测是确保产品质量的关键环节, 同时又是确保电缆能够安全、可靠和长久运行的重要因素, 电力工作者们必须认真分析电力电缆局部放电成因, 在实际检测过程中排除相关因素的影响, 确保XLPE电力电缆局部放电在线检测结果的准确性。实验证实, XLPE电力电缆之所以会产生局部放电的原因主要有以下几点:

1) 当绝缘体中局部区域的场强达到击穿场强的时候, 该局部区域就能够产生放电;

2) 导体尖端、导体直径或导体表面的毛刺过小的时候, 使得临近导体的电场过于集中, 从而该区域产生放电;

3) 浮动电位的金属体出现感应放电现象, 或者因连接点接触不良而产生放电。

在了解XPLE电力电缆的局部放电成因后, XPLE电力电缆生产厂商应严把生产质量关, 注重每一道生产工序的质量控制, 严格按照相关标准来进行生产。同时采购方与施工方也要严格审查, 确保产品质量过关, 从源头上给予保证。

2 XPLE电力电缆局部放电在线检测中常见问题分析

在实际检测局部放电的过程中, 电力检测人员常常会遇到各种各样的问题。这就要求检测人员应在检测之前, 对电缆进行严格检查, 排除外界因素的干扰, 顺利完成检测任务。同时, 对于一些常见问题, 应及时记录下来, 认真分析问题, 并积极寻求有效的解决措施。 (见表1)

这些都是XPLE电力电缆的局部放电在线检测中一些常见外部放电问题, 只要检测人员再细心、认真一些, 就能有效解决这些问题, 提高在线检测结果的精确度。而对于内部放电问题, 检测人员应根据所得出的放电图形加以区分, 并运用示波器找到准确的故障点, 剖析原因并采取有效措施来解决。结合自身实践经验, 笔者发现, 电缆内部放电多数是因为绝缘中存在气泡或者杂质、生产过程中存有外伤、导体单线焊接头崩开等原因, 这些都是要在电缆生产阶段必须克服的问题, 同时也要求采购方与施工方严把产品质量关。

此外, 在检测过程中还会遇到一些特殊情况, 必须引起我们的充分重视。

特殊问题1:局放量随线芯弯曲方向的不同而发生变化

在检测电缆时, 第一次试验局放量较大, 借助示波器定位能够快速确定故障点位置;而在倒轴分段复绕之后, 在重新检测, 却发现两段电缆局放量均消失不见。

原因分析:这类缺陷多数是因为绝缘中存在气孔, 气孔的形状随电缆弯曲方向的不同而发生改变, 使得局放量不同。

检测结果:此根电缆为不合格产品。

特殊问题2:电缆的长度对局放值造成影响

原因分析:电缆的长度过长, 一些缺陷不够明显, 增大定位找故障点的难度。

检测结果:将电缆分成两段后缺陷表现的比较明显, 定位较为容易。

3 结语

总而言之, 为了及时发现故障隐患、准确预测XLPE电力电缆, 相关检测人员应充分了解电力电缆局部放电成因, 并能解决在线检测中存在的一些常见问题, 不断提升自身的专业素质, 确保电力电缆运行的安全性与可靠性。

摘要：近些年来, XLPE (交联聚乙烯绝缘) 电力电缆被广泛应用于城市电网铺设中。为了及时发现故障隐患、准确预测XLPE电力电缆, 确保电力电缆运行的安全性与可靠性, 必须努力提升电力电缆局部放电在线检测水平。在简单介绍XPLE电力电缆的局部放电成因后, 简要分析其在线检测中的一些常见问题, 以供同仁参考。

关键词：XLPE,电力电缆,局部放电,常见问题

参考文献

[1]蒋佩南.XLPE国产交联聚乙烯电力电缆击穿故障的评定和分析[J], 电线电缆, 2007 (2) .

[2]孙波, 黄成军.电力电缆局部放电检测技术的探讨[J], 电线电缆, 2009 (13) .

XLPE电力电缆 篇2

1 局部放电产生的原因

(1) 绝缘体中局部区域的电场强度达到击穿场强时, 该区域就发生放电。

(2) 导体表面的毛刺、导体尖端或导体直径太小, 在导体附近的电场集中也会造成放电。

(3) 浮动电位的金属体而出现感应放电, 或有连接点接触不好而发生放电。

明白了局部放电产生的原因, 那么在生产过程中就要注意各道工序的质量控制, 严格按照工艺要求来保证产品质量。在局放试验过程中, 由以上三方面的原因导致局放值超标我都经历过。

2 局部放电试验过程中常遇到的问题及解决办法

电缆的局部放电值超标, 首先要区分试验所得的局部放电是来自外界干扰还是来自电缆本身, 要根据放电波形来判断。一般情况下, 电缆放电的波形是对称的, 并且在第一、三象限, 如果不是电缆放电就要按照正确的方法查找, 排除干扰, 得到正确的检测数据。

在局放试验过程中, 大部分的放电是因为电缆端头没有处理好而产生的, 下面我把亲身经历的经常发生的问题列出来, 试验人员在试验前, 严格仔细检查就能排除外界的干扰, 顺利完成试验。

(1) 电缆两端的外屏蔽层剥去的长度过短, 或刀印过深伤到绝缘层引起放电, 一般10k V电缆外屏蔽层剥切长度为8cm~10cm, 35k V电缆外屏蔽层剥切长度为40cm左右。

(2) 铜带离油杯太近造成放电, 一般要大于10cm。

(3) 切割绝缘线芯时造成端头导体变形, 影响绝缘的圆整度引起放电, 线芯分段时要切割整齐, 并且导体和油杯底部的铜针能接触牢固。

(4) 接错线芯, 两端不是接同一颜色的线芯, 应仔细检查。

(5) 线芯端头有固定分相线用的胶带或分相线离油杯很近引起放电, 应扒掉胶带、切断分相线。

(6) 交联线芯放置时间短, 试验时绝缘中有气泡冒出产生放电, 线芯应放置一段时间再生产。

(7) 高压引线或油杯离地面很近造成放电, 一般要大于30cm。

(8) 高压引线接头处或中间有破损, 造成放电, 应及时更换好的引线。

(9) 高压引线或地线使用时间久了, 连接处接触不良有松动引起放电, 应经常检查、检修。

(1 0) 生产过程中牵线时把交联线芯绑变形, 形成印痕损伤绝缘引起放电, 牵线时应垫上保护层。

(1 1) 导体的毛刺调入油杯中或油受潮引起放电, 应经常换油, 除潮用铁桶装油, 在60°C下烘30min~60min, 在油未完全冷却前使用。

(12) 在绝缘地坪上乱堆杂物引起放电, 应把试验场清理干净。

另外, 局放试验设备系统的高压滤波器, 电感、电容、瓷瓶以及均压罩, 要经常用干净的抹布擦拭, 防止灰尘在高压下放电, 影响试验的正常进行。

试验人员只要在试验前, 认真仔细的检查, 并采取相应措施, 就能顺利和正确地完成试验。

如果是电缆内部放电, 可以根据放电图形加以区别, 通过示波器确定故障点。找到故障点后进行解剖, 发现大多数的放电是绝缘中有气泡或杂质, 有的是生产过程中造成的外伤, 有的是导体单线焊接头崩开引起的放电, 这就要求操作工在生产过程中严格按照工艺进行生产, 保证工作环境干净整洁, 加强检查力度, 保证生产出合格的产品。

3 试验中遇到的特殊问题

3.1 局放量随线芯的弯曲方向不同发生变化

电缆在进行局放试验过程中, 第一次试验局放量很大, 用示波器定位能确定故障点的位置, 但是在倒轴分段复绕后, 重新进行试验, 两段电缆局放量均消失, 这时千万不能认为这根电缆是合格的产品, 经过解剖发现这类缺陷大部分是绝缘中有气孔, 气孔的形状随着电缆的弯曲方向不同而改变, 造成局放量不同。

3.2 电缆的长度影响局放值

在用户同意的情况下, 电缆的长度最好不要超过500m, 因为在试验中发现电缆的长度越长, 一些缺陷反映的不明显, 不好定位找故障点, 把电缆分成两段后缺陷表现的比较明显, 容易定位。

4 结语

(1) 影响局部放电试验的因素虽然很多, 但对于放电量超标的电缆, 可以根据放电波形, 分析是来自外界的干扰还是电缆本身的放电, 在试验中不断的积累经验, 保证试验的顺利、正确的进行。

(2) 对局放值超标的电缆, 一定要定位找到故障点, 局部放电的数值虽然不大, 但是这些缺陷会加剧绝缘的老化最终导致绝缘击穿 (没有达到电缆的正常使用寿命) , 这对企业对国家造成的损失是巨大的。

参考文献

[1]蒋佩南.XLPE国产交联聚乙烯电力电缆击穿故障的评定和分析[J].电线电缆, 2007 (2) :1～5.

[2]孙波, 黄成军.电力电缆局部放电检测技术的探讨[J].电线电缆, 2009.

XLPE电力电缆 篇3

关键词：XLPE电缆,在线监测,非线性最小二乘拟合,Levenberg-Marquardt算法

0 引言

交联聚乙烯(XLPE)电缆由于绝缘电阻高,耐压、耐热性能好,介电常数和介质损耗小[1],工艺简单,安装方便等优点而被广泛应用。XLPE电缆在线监测的对象主要包括电缆的绝缘电阻、介质损耗、局部放电、直流成分、接地电流等[2]。监测装置的稳定性和精度是制约其在电力系统中实用化的主要因素之一。对于高电压等级的电缆,在较恶劣的电磁环境中,有些监测方法对微小参量的测量就变得更加困难[3]。此外,在周期信号的交流采样中,同步技术也是影响采样质量的主要因素。许多算法都是建立在同步采样的基础上。但在实际工程中,由于电网谐波及频率波动等干扰因素的影响,难以实现同步采样。例如,用离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)计算各次谐波含量时,同步误差会产生截断效应,造成频谱泄漏,使数据分析的准确性和监测的精确度受到影响。为了减小非同步采样所带来的误差,国内外对这方面的研究较多,提出了准同步算法[4]、补偿算法和特殊窗法等[5,6]。

现对XLPE电缆绝缘在交流电压作用下的参数模型进行分析,提出根据XLPE电缆交流绝缘参数[7]及其变化趋势来判断绝缘的劣化程度。并设计了电缆绝缘在线监测装置。在数据处理方面,为提高被监测参数的精度及系统的抗干扰性,采用基于LM(Levenberg-Marquardt)算法的非线性最小二乘拟合法,从电压、电流采样信号中提取基波分量的参数,计算出电缆的绝缘工作电阻、等值电容及介质损耗因数tanδ。通过监测这3个参数及其变化量,从多参数角度考核电缆的绝缘状况,达到提高电缆运行可靠性的目的。另外,还对影响测量精度的相关因素进行了分析。

1 XLPE电缆的绝缘参数

电压等级超过35 k V的XLPE电缆一般为单芯电缆,其结构如图1所示。

单芯电缆可以看作是一个圆柱形电容器。导电线芯和接地的金属屏蔽层(或金属护套)构成了电容器的2个电极,内外屏蔽层及电缆的主绝缘构成了等效电容器的绝缘介质[8]。

在交流电压的作用下,电介质会发生极化现象。图2为电缆绝缘在交流电压作用下的等效电路及相量图。其中,总电流I!主要包括瞬时位移极化所引起的电流I∞、松弛极化电流I′及漏导电流IR。I′的分量Irr与I∞构成了总电流I!的无功分量Ir,I′的分量Ira与IR构成了总电流I!的有功分量Ia。当电缆绝缘中发生局部放电时,有功分量中还应包含这部分游离放电所产生的损耗。因此,可用一个电容与电阻的并联形式表示电缆在交流电压作用下的等效电路。如图3所示,R为电缆的工作绝缘电阻,C为电缆的等值电容,δ为介质损耗角。

XLPE绝缘电缆因其材料非极性的特点,在绝缘未出现老化的情况下,松弛极化电流非常小,此时绝缘层与屏蔽层之间的夹层极化占优,I′主要是由分界面上的吸收电荷所造成。当电缆发生老化、受潮或在绝缘中存在水树等情况时,会使绝缘内部的极性基团及空间电荷的数量增多[9,10],松弛极化增强,绝缘的相对介电常数(极化率)增大,表现为电缆的等值电容增大;同时,松弛极化的增强,也会导致有功电流增大,表现为电缆的工作绝缘电阻降低。因此,电缆的工作绝缘电阻、等值电容蕴含着电缆绝缘劣化的信息。而介质损耗因数tanδ是反映电缆绝缘内功率损耗大小的参数,它表征了电缆绝缘单位体积的介质损耗,而与绝缘的体积无关。当绝缘发生老化时,tanδ也会相应增大。因此,可用上述3个参数及其变化趋势作为电缆绝缘状况的监测指标。

1.1 工作绝缘电阻的计算

电缆绝缘在交流电压下的电阻为电缆的工作绝缘电阻[11],其大小反映了电缆绝缘有功损耗的状态。

设电缆上所加的电压为

流过电缆绝缘的泄漏电流为

则电缆的工作绝缘电阻为

式中U、φu分别为施加电压的有效值和初相角;I、φi分别为泄漏电流的有效值和初相角;ω为系统的角频率。

由上述分析可知,在工作电压作用下,介质损耗是各种形式损耗的综合,包括电导损耗、游离损耗以及极化损耗。介质损耗特别是介质损耗的变化表征了介质的状态。相比较而言,若在直流下测量电缆的绝缘电阻,则不存在极化损耗,所测得的绝缘电阻值也要高于电缆的工作绝缘电阻。所以在运行电压下,监测电缆的交流电阻及其变化量更能有效地发现电缆绝缘的劣化信息。

1.2 等值电容的计算

等值电容是电缆绝缘的另外一个重要参数,也可用来检查绝缘质量的变化。

由此可得电缆的等值电容:

由式(3)和式(5)可知,电缆的工作电阻以及等值电容取决于电压和电流有效值的比值,所以在电缆绝缘未发生变化的条件下,它可以消除由于电网电压幅值波动而带来的影响。

1.3 tanδ的计算

在并联等效电路中,介质损耗因数可表示为

通过对它的测量,能够反映电缆绝缘的整体缺陷。如果绝缘内的缺陷是集中性的,tanδ有时反映就不够灵敏。另外,当电缆整体老化或受潮时,表现为电缆的C增大,R减小[12,13],由式(6)可知,监测tanδ也并不能灵敏反映电缆绝缘状态的变化。所以除了监测tanδ这项参数外,分别监测电缆的工作绝缘电阻R及等值电容C,更能有效地发现电缆绝缘的变化趋势。通过对这3项参数的监测,以增强电缆绝缘状态评定的准确性和电缆运行的可靠性。

2 测量装置的基本原理

以被监测电缆的一相为例,测量原理图如图4所示。电压传感器P从变电站中的电压互感器TV获得电缆的运行电压信号。穿心式电流互感器TA从电缆屏蔽的接地线上获取泄漏电流信号,无需改变系统的接线。信号经过滤波放大后,采集卡对这2路信号进行同步采样。

由于系统电压谐波分量的存在,根据泰勒展开将采样得到的2路信号表示为

从采样信号中提取出电压、电流信号的基波参数,按式(3)(5)(6)即可求得电缆的各被监测量。

3 采样信号处理

为提取信号中的老化信息,消除微弱分量的干扰,把采样信号中的基波分量作为分析的主体。采用基于LM算法的非线性最小二乘拟合算法提取采样信号中的基波参数,并计算出电缆绝缘的被监测量。

3.1 非线性最小二乘拟合

根据采样信号的特点,建立拟合函数如式(9)所示:

式中a0为直流分量;An、φn分别为n次谐波分量的

幅值和初相角;f0为信号的基波频率。

由此构成了待求向量x:

对采样后得到N个数据对(tm,ym)进行最小二乘的拟合,即令采样信号与拟合函数残差的平方和最小。

令

则式(11)可表示为

由于将系统的基波频率f0作为变量,所以ri(x)是关于x的非线性方程,即转化为非线性最小二乘的最优化问题。本文采用LM算法对此进行求解,通过优化拟合函数的参量x,使S(x)达到最小。

对采样信号进行最小二乘拟合,并将电网频率作为未知量[14],其优点是可以利用拟合得到的基波分量的幅值、初相角以及采样时的电网频率来计算电缆的绝缘参数。从原理上减小频率波动、直流分量以及谐波含量对测量的影响。

3.2 LM算法

LM算法是一种求解非线性实数多元函数局部最小值的迭代算法,可以看作为是最速下降法和GN(Gauss-Newton)法的结合[15]。通过引入一个有效的阻尼因数,使其能够在较大的初值范围内收敛。其迭代格式为

dk为搜索方向:

式中J(xk)为r(xk)在xk处的Jacobi矩阵;I是单位

矩阵;μk(μk>0)为阻尼系数。

μk在每次迭代过程中会根据S(x)的变化情况自动调整。若S(x)的值减小不大,则增大μk,使其向最速下降方向移动。若通过迭代使S(x)接近局部最小值时,则减小μk,使算法接近于GN法,表现为快速收敛的特性。当迭代次数或目标函数的精度达到预设值时,迭代结束。最新的向量参数x则作为最优化的结果。

选取较好的迭代初值,会确保LM算法具有快速的收敛速度和全局收敛性。文献[16]也有一些关于其迭代初值选取方法的讨论。本文根据采样信号的特点,将FFT得到的谐波分析结果作为LM算法的迭代初值,该初值与x的真实值较为接近,将其作为迭代初值可以进一步提高LM算法的收敛速度。

3.3 仿真计算

在仿真中,以110 k V XLPE电缆为例,将电缆的集中参数电路等效为一个电阻和一个电容并联,如图3所示。令R=15 MΩ,C=0.2μF,电缆上施加的基波电压幅值为89.815 k V。若频率为49.7 Hz时,由式(6)可得,tanδ的理论计算值为0.0010674。

根据高压电网各次谐波的含有率,建立被拟合数据的原始模型如式(16)所示。由于信号在拟合之前要经过低通滤波及带通滤波的信号处理,所以在模型中,只考虑最高含有3次谐波的情况。

由式(17)可求得泄漏电流的仿真信号:

由于数据采集卡的输入范围为±5 V,所以需要把u、i信号调整到±5 V范围之内,然后再进行采样、量化、拟合等步骤,最终求出电缆的被监测参数。

当基波频率为49.7 Hz,采样频率为12.8 k Hz,采样位数为14位,采样点为1024个点时,拟合的仿真结果如表1所示(表中数据仅保留到小数点后6位)。电压、电流迭代次数分别为2和3。

根据拟合结果,得到的电缆的工作绝缘电阻R、等值电容C及tanδ分别为

从计算结果可知,该算法收敛速度快,且具有较高的精度,可以满足在线监测实时性的要求。

4 相关影响因素的分析

为检验使用该算法时各影响因素对被监测参数的影响,进行了3种仿真分析。

4.1 频率波动对测量精度的影响

将式(16)所示的电压作为电缆的工作电压,当电压的频率在49.5~50.5 Hz范围变化时,对被监测参数影响的仿真结果如图5所示。记R、C及tanδ的相对误差分别为eR、eC、etan,其范围分别在±0.1%、±(6×10)-5%、±0.1%之内。

4.2 直流成分含量对测量精度的影响

由于测量系统中的硬件部分会存在一定的零点漂移,所以在采样信号中可能含有直流分量。图6显示了直流含量λDC的大小与被监测参数误差的关系。R、C及tanδ的相对误差eR、eC、etan分别在±0.3%、±(3×10-4)%、±0.3%之内。

4.3 3次谐波含量对测量精度的影响

采样信号虽然经过信号调理电路中的低通滤波以及数字带通滤波处理,谐波仍不能完全消除,信号中还会有谐波分量的存在。以3次谐波为例,其含量与被监测参数测量误差的关系如图7所示。当谐波含量在20%以内时,R、C及tanδ的相对误差eR、eC、etan分别在±0.5%、±(5×10-4)%、±0.5%之内。

从以上3种仿真结果可以看出,使用该算法能够很好地抑制频率波动、直流成分以及谐波含量变化时所带来的影响,电缆绝缘的被监测参数具有较高的精度。

5 结语

XLPE电缆的工作绝缘电阻、等值电容以及介质损耗因数是评定电缆绝缘状况的重要参数,它们从不同的层面反映了电缆绝缘劣化的信息。

当电缆绝缘发生劣化时,电缆的工作绝缘电阻降低,等值电容及介质损耗因数增大。通过监测这3个参数及其变化趋势,从多参数角度评定电缆绝缘的状态,从而提高监测结果的可靠性。

XLPE电力电缆 篇4

交联聚乙烯 (XLPE) 电缆运行超过一定年限后因自身绝缘老化和外界因素影响造成的绝缘故障率会明显上升, 极可能导致绝缘破坏从而造成事故。相关学者在高压电力电缆的绝缘状态在线监测技术方面进行了大量研究, 提出了介质损耗因数法、直流叠加法、局部放电法等在线监测方法, 研发的在线监测系统也具有较好的应用效果[1]。35 k V电压等级以下XLPE电力电缆多为三相配电电缆, 国内仍较常采用停电加直流高压预防性试验的方法对其进行绝缘故障诊断, 这种常规检测方法存在诸如耗时耗力、不同程度损害电缆等弊端, 已难以满足社会对电网安全、可靠、优质的要求。因此研究35 k V电压等级以下的电力电缆绝缘状态在线监测方法对确保电缆的安全可靠运行和提高电力系统稳定性同样具有重要意义。

1 监测方法研究

根据电力安全相关规定, 35 k V电压等级以下三相电缆常采用两端接地方式, 其特点在于电缆运行时的三相电流矢量和为零, 在金属护套上基本上没有磁链, 故产生的感应电动势几乎为零, 磁感应电流十分微小, 电缆接地线电流 (通常包括电容电流和磁感应电流) 近似为电容电流。XLPE电力电缆在水树老化过程中会伴随着绝缘层电容量增加的趋势, 从而导致接地电容电流增大[2], 加速老化试验证明这种变化非常明显, 所以接地电容电流的微弱变化就能够反映出电缆是否存在绝缘故障, 因此, 通过监测电缆接地电容电流的变化可以很容易得到电缆的绝缘老化状况。

对于某些绝缘监测要求较高的场合, 如敷设距离较长的三相电缆, 不仅需要掌握整条电缆的绝缘老化情况, 若发生局部故障, 则需要查找出电缆的局部绝缘故障及故障点位置, 这就对绝缘监测提出了更高的要求。针对三相XLPE电力电缆磁感应电流极小的特点, 可以通过增加监测点, 以多监测点多传感器联合监测的方式对电缆进行绝缘监测, 以达到逐步缩小监测范围, 提高监测精度的目标。提出的三相XLPE电力电缆多传感器联合监测示意图如图1所示。

在图1 a) 中, 每个电流传感器用以采集该监测点接地电容电流, 各监测点采集到的数据通过监测装置进行分析处理, 即监测装置联合多点接地电容电流综合确定电缆绝缘状况或者故障点位置。电缆多点监测实质上是由多段电缆两点监测模型组成, 可以看作是多个电缆的组合, 因此在进行绝缘故障判断时可以根据各段电缆分别进行判定, 从而缩小了检测范围, 提高了监测精确度。图1 b) 为三相电缆多传感器联合监测的等值模型[3,4]。

三相XLPE电力电缆增加监测点后可能导致微弱磁感应环流的出现, 为避免此种情况的发生, 每个新增电流传感器通过开关进行开通与关断, 只在需要时接通新增监测点, 其余时段只对两端接地电容电流进行监测, 不改变电缆的运行环境与运行性能。

2 仿真与分析

为验证该方法的有效性, 建立了10 k V三相XLPE电力电缆仿真模型进行仿真计算, 如图2所示。基本参数设置:运行电压为, 工频为50 Hz, 分布绝缘电阻为每米0.95×1012Ω, 绝缘电容约为每米2.32×10-10F, 正常情况下电缆本体tanδ=1.45×10-5。在绝缘老化时, C逐渐增大, R逐渐减少, 损耗因数tanδ逐渐增大, 因此在故障处有:

在公式 (1) 中, tanδ为正常时介质损耗角正切, tanδ0为发生绝缘故障后的介质损耗角正切。

为仿真方便起见, 只增加a与b两个监测点均匀布置在电缆当中, 模拟电缆长度300 m, 则有Lpa=Lab=Lbq=100 m, 设f为单相局部绝缘故障点, Lm和Ln分别为故障点离电缆首末点距离, R0为故障点绝缘电阻, C0为故障绝缘电容, i1、ig1、ig2、i2分别为各监测点三相接地电容电流, 三相接地不平衡电流i0=i1+ig1+ig2+i2。模拟电缆空载运行以剔除磁感应环流的影响。

运行经验表明三相电力电缆发生单相故障的几率远远大于两相、三相故障[5], 故只对单相局部故障进行仿真。以A相 (其余两相同类型故障及同一位置故障仿真与A相类型) 发生局部绝缘故障及故障位置的变化分别进行仿真。

进行局部故障仿真时, 模拟A相f处 (Ln/Lm=2/3) 出现故障后各点电容电流i1、ig1、ig2、i2、i0与R、C、Δtanδ的关系如图3所示。从图3中可以看出, 发生局部故障时, 随着故障点等效电容的增大以及等效电阻的减小, 各监测点电容电流逐渐增大, 其中合成三相不平衡电流i0对局部缺陷反映最为灵敏, 但各接地点电容电流i1、ig1、ig2、i2均能够反映电缆的局部缺陷, 其中离故障位置最近的接地电容电流ig2反映缺陷的灵敏度最高。

进行故障位置仿真时, 因为故障可能处于任意位置, 模拟局部故障 (C0/C=1.5, R0/R=0.01) 分别处于Lpa (0 m

通过分析数据还可发现, 故障位置相邻两监测点接地电容电流之比与该故障点到两监测点距离之比有很高的正相关性, 其关系如公式 (2) 所示:

从公式 (2) 可知, 确定故障所处段后, 只需得到相邻两监测点电容电流之比就可进行故障点的定位。对于不同长度、不同分布参数的三相XLPE电力电缆, 可灵活布置监测点, 细分电缆分布回路, 并通过上述方法来确定故障点位置。

3 监测装置的实现

多个电流传感器采集到监测点接地电容电流经测量装置处理后送入电缆监控中心。如图4所示出了测量装置的实现原理图, 其主要包括模拟开关、原始信号处理电路、A/D转换电路和DSP数据处理单元。

多传感器采用穿心式电流传感器, 既可达到系统准确度要求, 又可避免与接地线有直接的电气连接, 从而保证测试装置的电气安全性。进行电流传感器的选型时, 可根据现场检测到的三相电缆接地电容电流大小来选择不同量程的电流传感器, 各传感器通过模拟开关来实现开通与关断。原始信号处理电路对从传感器二次侧得到的跟踪信号输出电流进行滤波和放大以消除高频噪声干扰, 并通过限幅处理使取样信号的幅值符合A/D转换电路的量程, 该原始信号处理电路具有线性转换和限幅保护功能强的特点。A/D (模数) 转换电路用以将模拟信号转换成数字信号, 具有高速及高精度的A/D转换功能, 其核心部件采用8位半闪速结构模数转换器TLC5510, 它采用CMOS工艺制造, 可提供最小20 Msps的采样率, 在推荐工作条件下功耗仅为130 m W, 不仅具有高速的A/D转换功能, 而且还带有内部采样保持电路, 大大简化了外围电路的设计。数据处理单元用以对取样信号进行分析计算, 从中提取出蕴含电缆绝缘老化信息的电流基波分量, 通过总线传输给电缆监控中心。出于对实时性和高精度的要求, 数据处理单元选用相比单片机具有更高集成度以及更快运算速度的DSP芯片TMS320F2812[7,8]。

4 结语

提出了多传感器联合监测方法来进行电缆的绝缘故障检测, 通过仿真验证了离故障位置越近的监测点电容电流越大, 从而可有效对电缆的局部故障进行监测, 同时通过分析各个监测点三相电容电流还可确定局部故障所处具体位置, 达到了缩小检测范围, 提高检测精度的目的。设计了相应的绝缘在线监测装置, 主要包括模拟开关、原始信号处理电路、A/D转换电路和DSP数据处理单元, 其中DSP采用TMS320F2812芯片, 可达到高精度的绝缘监测要求。近年来, 随着长距离XLPE电力电缆敷设量的增加, 电缆运行部门越来越多的采用电缆首端或末段接地, 多点加装电缆保护器的分段保护接地方式以避免磁感应环流的影响, 电缆的这种接地方式更有利于采用多传感器接地电容电流测量方法。在无磁感应环流或环流微弱的情况下, 该方法同样适用单相XLPE电力电缆的绝缘故障监测。

摘要：针对三相XLPE电缆接地磁感应电流极小的特点, 提出了一种基于接地线电流法的多传感器联合监测方法, 阐述了该方法的实现原理, 给出了电缆在线监测装置的具体实现途径。仿真结果表明该方法可有效反映电缆的局部绝缘故障, 且通过分析各监测点接地电容电流还可确定局部故障所处位置, 对于三相XLPE电力电缆的绝缘监测具有一定的参考价值。

关键词：三相XLPE电力电缆,多传感器联合监测,接地电容电流,在线监测装置

参考文献

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XLPE电力电缆 篇5

目前,电力电缆绝缘在线监测的主要方法有直流分量法、直流叠加法、低频重叠法、介质损耗角正切值(tanδ)测量法、局部放电法、接地线电流法。由于现代交联技术的进步,湿交联工艺已基本被淘汰,因此,在高电压等级的电缆线路上,由水树枝的生成而导致的电缆绝缘故障已不多见;另外,由于研究对象的绝缘电阻远大于1 000 MΩ,直流分量信号微弱,一般在纳安级,测试极不方便,同时也很容易被其他信号所淹没,这样,基于水树枝的整流效应而产生的直流分量的在线监测方法就不再适用。直流叠加法和低频重叠法也不适宜,这是由于在高压线路中,三相中性点一般采用直接接地的方式,无法在电缆的芯线上叠加上直流电压。对于tanδ测量法,由于交联聚乙烯XLPE(Cross Linked Polyethylene)电缆绝缘的tanδ值一般都很小,特别对于高电压等级的XLPE电缆,绝缘电阻与等值电容都相当大,tanδ的值会更小,要测量精确并以其作为判断根据往往是不可靠的。在线监测电缆的局部放电,背景干扰相当大,监测也十分困难。接地线电流法是通过监测流过电缆主绝缘的电流,电缆主绝缘的状态将直接决定该电流的大小,因此监测通过主绝缘的电流大小便可反映出电缆的绝缘状况。

1 XLPE电力电缆运行简介

对于110 k V及以上电压等级的单芯XLPE电缆,如果电缆长度较短,无需采用交叉互联方式,则监测电缆主绝缘的电流既容易实现,也非常直观。然而,当电缆的长度较长,如超过500 m时,电缆屏蔽通常要采用交叉互联的方式接地,其中的一个标准单元如图1所示。

图1中,A、B、C为系统相序,a1、a2、a3,b1、b2、b3,c1、c2、c3分别为各相电缆所对应的交叉互联段,1~12为交叉互联的金属屏蔽层连接线之间以及接地线上装设的电流传感器。这种接线方式具有屏蔽层接地回路环流小的特点,既经济又安全,但却给绝缘在线监测带来了困难,因为无法测得各段泄漏电流的大小。

通常使用的测单相泄漏电流有效值的方法已无法判断交叉互联中的哪一段出现了绝缘损坏。因此研究电力电缆在交叉互联时的在线监测技术对保证电缆可靠运行具有重要的意义。

2 XLPE电力电缆接地线电流的模型与分析

在正常系统电压的作用下,图1中的三段交叉互联电缆可以分别看作3条独立泄漏线路a1-b2-c3,b1-c2-a3,c1-a2-b3。图2为其中的一路a1-b2-c3在三相对称电源电压UA、UB和UC作用下等值电路。图2中Za1=UA/Ia1、Zb2=UB/Ib2、Zc3=UC/Ic3分别为三段电缆相对应的绝缘阻抗;R为电缆屏蔽层的电阻值,为简化计算,设定泄漏电流是从每段屏蔽层的中点流出;R1、R2分别为电缆两端的接地电阻;I1、I2、I3、I4分别为图1中传感器1、4、8、12所检测的电流。

Za1=UA/Ia1、Zb2=UB/Ib2、Zc3=UC/Ic3对相量、有效值,三式均成立,它们的大小反映的正是绝缘状况。在系统电压稳定状态下,可将通过绝缘的三相电流看成是电流源,用相量形式分析该电路,设泄漏电流分别为Ia1、Ib2、Ic3。由于此模型中电流频率为工频,所以各支路相量可以在一个相量图上表示,即相量之间可进行加减运算。

根据叠加定理,得到各监测点电流相量值的表达形式,如式(1)~(4)所示。

绝缘正常时,Ia1、Ib 2、Ic 3之间在经过一个对称阻抗后仍然对称,故

在满足式(5)条件下,式(1)可表示为

同理:

在式(6)(7)中,R1和R2取值一般为几欧,R取值一般为千分之几欧,故2 R/(R1+R2+3 R)的值在0.000 1~0.005之间,且Ia1、Ib2相角相差120°,设U=220 k V/!3,所以I1值的模为0.000 018~0.000 9 A。同理,可求得I4。结果表明入地电流很小。图3和图4分别为I1和I2的相量合成图。图中:

根据式(2)得:

同理:

比较图3和图4可以看出I2的幅值较I1大。

根据表达式(2)~(5)可以写出:

依据式(10),即可求出各段线路泄漏电流的相量表达形式,并得到各段线路泄漏电流的模值和相位角,此时的模值即反映所对应的线路的绝缘状况。

由上述分析可见,通过相量运算可将复杂连线的交叉互联电缆转化成为单独回路求解各路各段电缆的绝缘阻抗值,从而得到绝缘泄漏电流值。

3 仿真实验

根据实际情况设置各元件数值。接地电阻R1和R2的数值为2~5Ω,而屏蔽层电阻值R为0.001Ω,XPLE的介质损耗值为0.000 2~0.000 5。绝缘模型为阻容并联,电抗主要表现为容性阻抗。通过计算,Ra1为4 000 MΩ,其电容为1.99×10-9~3.98×10-9F,假设C=2.653 9×10-9F,则Za1=Zb2=Zc3=j 4 800/(4 000-j1.2)MΩ≈1.199 999 46 MΩ。系统电压值为220 k V,则对地电压为220/!3 k V,单相电流模值:

其中,R1、R2为2Ω;R值定为0.005Ω,电抗Za1、Zb2、Zc3为1.199 994 6 MΩ。

利用Matlab进行仿真,仿真电路如图5所示。

下面是仿真实验结果。

3.1 设a1、b2、c3三段电缆各相绝缘状况完好

仿真条件如上,绝缘阻抗为1.199 994 6 MΩ,仿真结果为

根据式(10)得到:

由此计算得到:

3.2 设三段绝缘中a1段出现绝缘故障

此时a1中电容增大100倍即为2.653 9×10-7F,绝缘电阻不变,Za1=1.199 994 6 MΩ,其他绝缘电抗不变,仿真结果为

根据式(10)得到:

3.3 设三段绝缘中a1出现受潮故障

此时a1中电容增大10倍为2.653 9×10-8F,绝缘电阻不变,Za1≈1.199 999 MΩ,其他绝缘电抗不变,仿真结果为

根据式(10)得到:

3.4 设三段绝缘中a1、b2均出现受潮故障

此时a1、b2中电容均增大10倍为2.653 9×10-8F,绝缘电阻不变,为Za1=Zb2≈1.199 999 MΩ,其他绝缘电抗不变,仿真结果为

根据式(10)得到:

3.5 设三段绝缘中a1相出现绝缘故障

此时a1中电容增大100倍即为2.653 9×10-7F,绝缘电阻减小到原来的1/100,a1段绝缘阻抗为40 MΩ,得到的结果为

根据式(10)得到:

3.6 设电缆两端的接地电阻不相等

R1=1Ω,R2=6Ω,各段绝缘正常时,得到的结果如下:

根据式(10)得到:

此时,假设b2段出现故障,电容增大了100倍,为2.653 9×10-7F,仿真结果为

根据式(10)得到:

以上仿真实验结果表明,利用相量运算的方法判定各段电缆的绝缘状况是可行的,并且接地电阻的不同对用相量运算方法判断绝缘状况没有影响。

4 结论

a.利用相量运算的方法可以计算出交叉互联电缆各段绝缘的泄漏电流的幅值,根据此值可以判定各段电缆的绝缘状况。

b.接地电阻的不同对用相量运算的方法判断绝缘状况没有影响。这样对监测设备的现场安装条件没有特别的附加要求。

c.运用相量运算的接地线电流法可以独立地计算出各段电缆绝缘的等值泄漏电流。

XLPE电力电缆 篇6

关键词：在线监测,直流分量法,水树枝,交叉互联

近年来,交联聚乙烯(XLPE)电力电缆凭借其受自然环境影响小、安全可靠、耐热好、寿命长、不易损坏和供电能力强等优点在电力系统得到了广泛应用[1]。电缆绝缘老化有诸多形式,其中水树枝老化是导致XLPE电力电缆绝缘击穿停电的主要原因,带来了巨大的经济损失[2]。关于水树枝形成机理,业界一般认为,XLPE电力电缆运行时,水存在于绝缘层中,当此处场强超过一定值时,导电物质就会沿着电场慢慢进入电缆绝缘层的深处形成类似树枝或树叶的泄痕,即水树枝[3,4]。但关于水树枝的具体形成原因仍未产生定论。针对XLPE电力电缆运行中水树枝问题,需要进行监测,以尽早发现问题,减少事故的发生。我国对电力系统中运行设备一直坚持定期进行绝缘预防性试验的制度,这对保证设备安全可靠运行、防止事故的发生起到了很好的作用[5,6]。但是,传统的常规试验间隔时间长,不易及时发现设备绝缘缺陷。试验时必需设置临时试验线路,费工费时,且停电试验还要造成一定的经济损失。因此,对电力电缆绝缘进行在线监测势在必行。在线监测可以有效掌握电力设备的绝缘变化情况,主动改善电力设备绝缘水平,对电力系统安全、经济、高效运行非常重要。

针对电力电缆水树枝的在线监测,直流分量法是一种应用较为广泛的方法[7]。该方法根据水树枝在交流正、负半周会表现出不同的电荷注入和中和特性,导致长时间交流工作电压下,水树枝的前端积聚了大量的负电荷,并逐渐向对方漂移,这种现象称为“整流效应”。相应的,电缆接地电流便含有微弱的直流成分,检测出这种直流成分即可进行劣化诊断[8]。

随着我国电力电缆进程的不断推进,越来越多长度超过1 km的电缆线路得到了投运。为了解决屏蔽层中感应电压过高的问题,需要对中间接头采用交叉互联的方式接地。但因其各段流经主绝缘的电流值的特征量难以测量,给绝缘在线监测增大了难度[9,10]。以中间接头为代表的电缆附件往往是电缆运行时的薄弱环节,产生水树枝的可能性更大[11]。文中通过对交叉互联箱进行等值电路分析,根据基尔霍夫定律进行电压方程推导,得出在两端对应接地线路中采样电阻阻值相同时,直流分量大小相同的结论。并通过选择合适的滤波及采样装置,设计出针对交叉互联装置接地电路中微弱直流电流的在线监测系统。

1 交叉互联XLPE电力电缆接地电流直流分量的模型与分析

图1为交叉互联的接地方式的一个标准单元。图中A、B、C为系统相序,a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分别为各相电缆所对应的中间接头交叉互联段,1-12为交叉互联的金属屏蔽层连接线之间以及接地线上装设的电流传感器编号。其中,将采样装置接于接地线中,并用阻容并联装置等效。

对该电路a1,b2,c3段进行戴维宁等效,得出等效电路如图2所示。

根据图2所示等值电路,分析I1,I2,I3,I4与绝缘阻抗及采样电阻的关系。其中,交叉互联电阻箱与电缆外护套阻值远远小于接地采样电阻及电缆本体绝缘电阻阻值,可忽略。近似处理后得出回路电压方程:

可以看出,若a1与c3两端接地采样电阻阻值R相同时,有:

这样,可以通过在两端同时设置参数相同的接地采样电路,并计算采样电流算数平均值,以减少试验误差。同时,I1及I4同a1、b2、c3的阻抗均存在耦合关系,即a1、b2、c3中任意一处存在水树枝时,均可通过在线监测系统发现。

2 XLPE电缆交叉互联在线监测系统方案设计

文中设计的监测系统包含电流采样、低通滤波以及监测装置3个部分。考虑到水树枝产生的直流电流非常微弱,基本上都是纳安级别,微小的干扰即会引起测量结果较大的误差[12]。首先需要通过电流采样装置采集接地电流信号,并将信号放大。现场发现,对在线监测的主要干扰不仅有高达几十伏的工频电压噪声,还有电缆的屏蔽层和大地之间的杂散电流,此外监测系统本身也可能引入大量的干扰信号。所以将信号采样后需要通过设计合理的低通滤波模块将噪声和干扰信号等滤掉,保留水树枝产生的直流电流分量。最后,通过监测装置模块对滤波后的电流信号进行采集并分析处理。整体流程如图3所示。

2.1 电流采样模块设计

由于水树枝产生的直流分量很小,需要将微弱的小信号通过采样电路放大,文中采用精密电阻采样法。该方法通过在接地回路中串入精密电阻,将直流电流转化为电压信号,再对电压信号滤波后进行采集。该方法采样结果稳定,且不会产生其他干扰源。考虑到电缆和大地之间杂散电流及真实的由水树枝引起的电流混杂在一起,会对检测结果造成很大误差,因此需要与精密电阻并联电容,将高频交流分量通过电容器进行分流,以减少对采样直流电流分量的干扰。

对比常见的阻容并联采样模块后发现,在电阻的选择上,一般采样电阻不能太小,否则不能很好放大微弱的直流电流分量,但同时需小于铠装和地之间的外护层电阻,这样对真实的测量结果影响较小[13]。在现场进行外护层绝缘摇表试验时发现,一般外护层绝缘电阻值在正常运行时均保持在1 GΩ以上,因此文中考虑采用500 kΩ的精密电阻,这样可以实现微弱直流电流的有效放大,同时小于外护套阻值,造成的误差较小。在电容的选择上,目前电容种类众多,如电解电容、云母电容、聚丙烯电容、瓷片电容以及安规电容等。考虑水树枝产生的电流很微弱,应该选取耐压高、漏电流小的电容,而聚丙烯电容和安规电容这方面参数良好。综合考虑后,文中在采样模块中采用500 kΩ精密电阻与一个无极性的安规电容并联,实现对微弱的直流电流采样。

2.2 低通滤波模块设计

经过采样模块后,已经将水树枝引起的直流电流信号转变为毫伏级的直流电压信号,此时仍存在由工频信号和热噪声高斯白噪声等频率为兆赫兹级高频噪声组成的干扰信号。尤其是工频干扰信号,经过采样电阻后电压高达几十伏。因此必须设计低通滤波系统,滤掉直流信号外的交流干扰信号。

常见的低通滤波器为阻容无源滤波器,以及巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器等为代表的有源滤波器。为了简化滤波器模块设计,提高装置可靠性与实用性,文中利用已经成熟的低通开关电容滤波器MAX293电路,该电路是由美国的MAXIM(美信)公司开发生产的8阶低通开关电容滤波器。MAX293滤波器使用方便,同无源滤波器和有源滤波器相比,它具有参数匹配简单、外接元件少以及灵活简便的设计等优点。当现场信号不同时,可以根据实际需要对滤波电路设计和调整。

封装上,MAX293采用了8引脚双列插式的封装形式。内部电路设计上,该芯片属于切比雪夫型滤波器,衰减值所需过渡带小。时钟信号选择上也非常灵活方便,既可以使用片内的振荡器来产生时钟,也可以选接外部的时钟信号。其中通过使用片内的振荡器,只需外接一个漏电小、无极性的高质量电容就可以产生时钟信号。振荡频率由该电容的容值决定,计算公式为:

式中:fosc为振荡频率,k Hz;Cosc为外接电容,p F。转角频率与时钟频率也有一定的关系,两者的比率公式为:

其中,f0为转角频率。设计MAX293滤波器,首先要计算出时钟频率以及外接电容,之后便可以利用时钟频率调节转角频率。具体滤波电路接线如图4所示。

在文中设计的在线监测系统中,需要得到直流电压,所以理论上可以将0 Hz以上的信号都过滤掉。首先选取4 Hz作为MAX293电路的截止频率。经过计算可知时钟频率大约为400 Hz,此时外接电容C约为0.083μF,在实际中相应适当取0.1μF电容。

将电流采样模块、低通滤波模块以及监测装置相组合,形成完整的在线监测系统。原理如图5所示。

3 现场试验分析

试验开始前,将交叉互联箱中保护器拆除,以减小保护器中泄漏电流对试验的干扰。将2个电流采样模块组装好,并分别串接进入交叉互联系统中的a1、c3段两侧接地线。与滤波模块接入后,将滤波模块输出接入监测装置。试验采用的监测装置为北京兴迪仪器有限公司开发的CMDP-200分布式电缆局部放电监测装置。该装置数据采样及分析处理能力强,相应的局放分析软件经过大量试验测试,可靠性高,是目前世界上最强大的局放分析软件之一,完全可满足在线监测需求。对某两处投运时间分别为1 a的电缆线路一与11 a的电缆线路二交叉互联系统使用直流分量法进行3次接地电流在线监测,结果如表1所示。

n A

结果表明,两段线路交叉互联箱两端的接地电流数值相差较大,说明随着电缆投运时间变长,电缆水树枝的发展也越来越严重,需充分重视。同时,每条线路两端的接地电流直流分量数值基本相同,说明了文中推导理论的合理性。

根据日本住友公司等统计数据,直流分量为10n A以下的电缆线路一健康状况良好,可继续使用[14]。而直流分量超过10 n A的电缆线路二需要密切注意监测,并在条件允许情况下应及早更换。

4 结束语

XLPE电力电缆 篇7

电缆绕组变压器是1种新型干式电力变压器,其主要的结构特点就是把XLPE电力电缆直接绕制成变压器绕组,利用XLPE绝缘代替了传统的油浸式绝缘,从而为解决传统油浸式变压器的油纸绝缘问题提供了新的思路[1,2,3,4]。在其挂网运行时,由于自身结构的特殊性,当有雷电电压侵入这种绕组时,其芯线及外半导电屏蔽层上出现与侵入传统油浸纸绝缘结构绕组时不同的暂态电压,这一电压既有行波的特点,又有耦合和感应的特点[5,6,7,8]。

一方面,它会引起变压器内部不均匀的匝间电压分布;另一方面,暂态电压中含有的振荡谐波的频率与变压器中的若干谐振频率匹配,可能引起谐振过电压,从而破坏绕组与铁心以及匝间的绝缘。为了防止过电压对绕组的绝缘造成损坏,并且为改进此类变压器的绝缘设计提供理论依据,在建立宽频带等效模型的基础上对其进行幅频特性的分析是非常必要的。所以,对电缆绕组变压器的防雷保护问题进行研究也是非常必要的[9]。

1 电缆绕组的试验模型

1.1 绕组模型

电缆绕组线圈的XLPE电缆为同轴圆柱结构,图1为其剖面图,和一般电力电缆不同,它没有外金属屏蔽及护套,只有1层外半导电层。绕组工作时,外半导电层在若干处以一定规律作金属性接地,以保证外半导电层的电位在稳态工作时尽量接近地电位。

由于只有漏磁通才对线圈的冲击电压响应起作用,且空心电感计算简单快捷等原因,有相当的学者认为可以不考虑铁心的影响,用空心线圈电感来分析变压器绕组的波过程,不会引起很大的误差。故本文所研究的XLPE电缆绕组为一筒形空心线圈。绕组全长239 m,径向2层,轴向32匝,高约1.1 m,内半径为0.56 m,2层绕组之间沿轴向方向有8根直径1 cm的绝缘杆支撑。该绕组XLPE电缆剖面外直径33.4 mm,芯线导体直径8.0 mm,内外半导电层厚度分别为0.7 mm、0.8 mm。绕组每匝的外半导电层上有对称2点通过铜线引出相连后接地。试验时绕组立式放置,绕组底部离地1 m,由绝缘支架支撑。

绕组的输入端与末端均在最下部。将外层绕组的最下一匝视为第1匝,对绕组的匝数由下到上再到下进行编号,内层最下面一匝为第64匝。图2为试验所用绕组照片。

该双层绕组的结构尺寸如图3所示。

2 模拟雷电波作用下芯线电位分布

2.1 试验方法

本文采用HAEFELY Type 481冲击电压发生器作激励源,在该绕组的首端施加一标准雷电波,用数字存储示波器Tek TDS3052等进行测量。被试对象为图2所示的试验绕组。

通过调节HAEFELY Type 481发生器的R、C可获得不同波形的冲击电压。它能产生峰值在500 V以下的冲击电压全波和截断波。该发生器具有重复脉冲输出和单次脉冲输出的功能,但使用重复脉冲输出时,其脉冲频率为25 Hz。仪器内部已根据通常的使用要求设置了电容、电感、电阻的选择范围,当所需参数超出其选择范围时还可以利用外接元件的方法解决。其电路构成如图4所示。图4中Cs、Cb、Rs、Rp的值可调。

2.2 绕组末端开路时芯线电位分布

本文详细测取了绕组的芯线电压分布。末端开路时,由图5可以看出,第17匝电压波形除起始的十几个微秒的高频部分外,其电压波形与首端电压加32匝的芯线电压和的平均值是十分吻合的,电缆绕组第17匝波形前部谐振频率以外的高频分量衰减比较快。从图6可以看到第32匝的芯线电压与首端电压加末端电压和的一半以及17匝电压加48匝电压和的平均值基本吻合。

图7为双层绕组芯线电压的输入电压与其他各匝电压减去输入电压之后的比较。即其他各匝芯线电压减去波尾的偏置电压后的振荡电压幅值与首匝电压大小的比较,图中所示振幅比值为1:1.965:3.018:3.947。可以看出绕组振荡的幅值几乎是随匝数增加严格按线性增加的,这说明绕组的初始电压分布值随匝数增加按线性减少。图8为初始电压分布、最终电压分布与最大电位分布的相对值示意图。由图5—图8可以看出与传统变压器绕组类似的是,芯线的电压都可看作雷电波波头引起的振荡叠加波尾的偏置。而不同的是:与首端电压相比振荡的幅值相当高,末端振荡幅值的最大值超过首端电压的最大值,芯线电压出现了负值。此外除波形前部有高频振荡外各处振荡的频率、相位严格相等,振荡的主要频率只有1个。

2.3 绕组末端接地时芯线电位分布

图9可以看出绕组中部的32匝有振荡,较17匝、48匝的频率高但衰减较快。图10是首端输入电压与各匝振荡幅值的比较,其中振荡幅值是各匝电压波形减去输入电压波尾3/4、1/2和1/4电压得到的。

末端接地时,双层绕组的初始电压分布与开路时明显不同。不同层的同一匝绕组振荡电压的相位并不相同,相差接近180°,而电感较大的地方振荡幅值较大,电缆绕组的基频电压按匝数增加呈正弦形分布。

3 模拟雷电波作用下外半导电层上的电位特点

与单层电缆绕组相同:外半导电层上的电压是由芯线电压经电容耦合得到的。由于绕组前部芯线电位较高且陡度大,故绕组前部的外半导电层上感应的电压较高,是匝间绝缘最薄弱的部位。

图11与图12比较了芯线电压值差分后与对应匝的外半导电层电位值。可以看出波形的整体趋势吻合很好,波形后部完全吻合,但波形前部的峰值没有很好地吻合。文献[10]认为原因是:1)高频分量没有被很好地完全测量到;2)实际中高频分量没有完全传递到外半导电层。

由于各种频率的电压耦合系数不一样,而芯线电压含有的除了谐振基频之外的分量衰减很快,作用迅速减小,衰减后单一频率下芯线电压的微分值与外皮电压将呈固定比例。任取第17匝的芯线电压和外皮电压,将其绘制在图13、图14中,可以看出除了波形起始的几个微秒之外,芯线电压的极值与外皮电压的零值完全对应,进一步证明外皮上的电压完全是由芯线电压经电容耦合得到。

4 结论

本文主要介绍了对双层电缆绕组模拟雷电波作用的试验研究。研究发现:1)绕组的初始电压分布和强磁耦合的传统绕组类似,末端开路时初始电压分布呈直线形,末端接地的基频电压分布呈正弦形;2)外半导电层上的电压是由芯线电压经电容耦合得到的。由于绕组前部芯线电位较高且陡度大,故绕组前部的外半导电层上感应的电压较高,是匝间绝缘最薄弱的部位;3)电缆绕组在暂态下表现的强磁耦合特性可由电缆绕组的结构得到解释,因为外半导电层将电场限制在电缆内部,削弱了匝间的电耦合,相应必定加强了绕组磁耦合的联系。

参考文献

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