基于HDS的交聯(lián)聚乙烯電纜健康診斷研究

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(1. 安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中礦龍科能源科技股份有限公司，北京 101300)

0 引 言

自從20世紀(jì)80年代以來，3層共擠生產(chǎn)工藝制造的交聯(lián)聚乙烯電纜(XLPE)由于其無需供油、可以防火、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單以及機(jī)械和電氣性能良好的特性逐漸取代了傳統(tǒng)的充油電纜。通常XLPE是由幾根或幾組導(dǎo)線絞合而成，由導(dǎo)體、絕緣層、密封護(hù)套、銅帶保層組成，如圖1所示：

圖1 XLPE組成示意圖

考慮諧波條件下的集膚效應(yīng)，存在諧波電流時(shí)的電纜損耗為:

(1)

其中THDI為電流諧波總畸變率[2]。

通常集膚效應(yīng)在50HZ時(shí)影響很小，可以被忽略。然而到了300HZ及以上(大約7次諧波及以上)，集膚效應(yīng)就會(huì)變得特別顯著，會(huì)導(dǎo)致電纜的損耗變大從而發(fā)熱；而過強(qiáng)的零序諧波(即3N次諧波)會(huì)導(dǎo)致中性線導(dǎo)體的過熱，從而發(fā)生火災(zāi)或者中性線熔斷的線路故障，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全和生產(chǎn)質(zhì)量。當(dāng)高次諧波的電壓加至電纜兩端時(shí), 由于電纜絕緣電容承受能力有限，電纜很容易發(fā)生過負(fù)荷導(dǎo)致絕緣層損壞;高次諧波引起電纜內(nèi)耗加大,電纜發(fā)熱，會(huì)降低電纜的使用壽命[3]。

基于諧波診斷系統(tǒng)(HDS)對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜劣化程度進(jìn)行診斷，對(duì)電纜的剩余壽命進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確評(píng)估。

1 電纜高次諧波的產(chǎn)生機(jī)理

1.1 諧波產(chǎn)生的原因

應(yīng)力老化是產(chǎn)生諧波的主要原因。應(yīng)力老化主要分為：熱老化、電壓應(yīng)力老化、機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力老化?，F(xiàn)著重分析熱老化使電纜產(chǎn)生諧波的機(jī)理。

熱老化是導(dǎo)致電纜壽命縮短的最普通和最重要的原因。這種熱老化的原因如下：形成物體的結(jié)晶和分子各自具有其固有的振動(dòng)頻率，在高熱的情況下能級(jí)增加，原子間結(jié)合的全部或者一部分以平衡位置為中心的微小范圍就會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。并且，如果把幾乎所有物體的固有振動(dòng)頻率都換算成電磁波的波長(zhǎng)，則將進(jìn)入3-30μm的遠(yuǎn)紅外區(qū)域。如果物體受到遠(yuǎn)紅外線波長(zhǎng)范圍電磁波的照射，則物體所具有的固有振動(dòng)模式就會(huì)同時(shí)活躍起來，這樣就會(huì)發(fā)生熱物理學(xué)上所說的熱共振現(xiàn)象，而使物體的溫度上升。由于溫度上升也會(huì)導(dǎo)致物體的材質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可使溫度達(dá)到100-200℃(平均160℃)。如果熱共振持續(xù)，熱振動(dòng)就會(huì)進(jìn)一步加劇，從而導(dǎo)致物體產(chǎn)生熱應(yīng)變，這種熱應(yīng)變會(huì)誘發(fā)物體的機(jī)械性振動(dòng)。這種熱老化的過程如圖2所示。

圖2 熱老化過程

1.2 電纜高次諧波產(chǎn)生機(jī)理

圖3所示是交聯(lián)聚乙烯電纜中的渦電流。如果交流電流I0流過導(dǎo)體，則產(chǎn)生磁束φa,φb,φc,…,φn，由于這種變化而產(chǎn)生渦電流Ia1,Ib1,Ic1,…In1及Ia2,Ib2,Ic2,…,In2。這里，電流I是用I=I0+I1+I2+…+In表示的合成電流。渦電流Ia1,Ib1,Ic1,…In1及Ia2,Ib2,Ic2…,In2分別由上述的電子群流(與電流呈相反方向)構(gòu)成，靜止?fàn)顟B(tài)的導(dǎo)體中這種電子群通過電場(chǎng)(電位)和外部磁場(chǎng)的影響而進(jìn)行周期性運(yùn)動(dòng)。電場(chǎng)和外部磁場(chǎng)為對(duì)稱波(只包括奇數(shù)次諧波的失真波)。因而，這些電流I也作為對(duì)稱波而成為只包括奇數(shù)次的合成電流波動(dòng)。而且，因?yàn)檫@種導(dǎo)體的組織不一樣，所以，發(fā)生局部的焦耳損耗的渦電流成為對(duì)稱波，通過其增減，圖3中的合成電流I包括奇數(shù)次諧波。就是說，通過電的因素(電的部位異常)而發(fā)生的諧波是奇數(shù)次諧波電流。

圖3 XLPE中的磁通及電流

2 電纜健康分析

2.1 電纜劣化值分析

電纜異常/劣化時(shí)，磁通量波形會(huì)變亂。電纜內(nèi)的導(dǎo)體發(fā)生局部過熱時(shí)，會(huì)在電流的高次諧波成分中體現(xiàn)出來，通過對(duì)各次諧波的含有率計(jì)算分析電纜的運(yùn)行狀態(tài)；根據(jù)電磁感應(yīng)原理，初級(jí)側(cè)是被測(cè)電纜，次級(jí)側(cè)是探頭線圈。磁場(chǎng)通過空氣隙，鐵氧體形成閉合回路。根據(jù)楞次定律，e=-dφ/dt，在二次側(cè)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。通過檢測(cè)流經(jīng)電力電纜的高次電流諧波，對(duì)電纜本體部、連接部的劣化度進(jìn)行評(píng)估診斷，以推算電纜劣化發(fā)展?fàn)顟B(tài)的過程。具體的步驟如圖4所示：

圖4 數(shù)據(jù)分析診斷流程

檢測(cè)結(jié)果均以量化百分比為劣化值分析電纜各部分的老化程度，數(shù)值越高老化程度越嚴(yán)重。劣化值是根據(jù)諧波含有率和主成分分析的貢獻(xiàn)率計(jì)算自動(dòng)生成的，評(píng)價(jià)內(nèi)容是根據(jù)劣化值與數(shù)據(jù)庫對(duì)比得到的。有時(shí)雖然劣化值相同但評(píng)價(jià)不同，是因?yàn)槔匣男再|(zhì)不同，諧波貢獻(xiàn)率的計(jì)算也不同。電纜的劣化值分析有如下規(guī)律：本體部絕緣體劣化值：>75%電纜會(huì)出現(xiàn)電樹枝局部放電的現(xiàn)象；>80%電纜易出現(xiàn)水樹；>90%以上時(shí)，建議應(yīng)停電檢查。本體部屏蔽層劣化值：>70%易出現(xiàn)老化和變形。本體部屏蔽層保護(hù)層：>70%易出現(xiàn)老化和變形。連接部劣化值：>70%易出現(xiàn)變形、放電和浸水等缺陷。負(fù)載狀況：<0.02時(shí)電纜的耐載能力差，建議檢修。

2.2 電纜剩余壽命

剩余壽命只在劣化值大于70%時(shí)開始判斷，剩余年限是根據(jù)輸入的電纜制造年份和劣化值為依據(jù)利用韋伯爾系數(shù)判斷的。韋布爾分布是定量的描述物體體積與強(qiáng)度關(guān)系的概率分布，一般理解為在系統(tǒng)鏈構(gòu)成中因最弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)損壞，造成整個(gè)系統(tǒng)鏈破損的模式(最弱環(huán)節(jié)模式)。韋布爾分布為下式(2)所示概率分布。

(2)

此處，m為韋布爾系數(shù)(形狀參數(shù))，η為尺度系數(shù)。平均值μ如下式(3)所示。

(3)

Γ為伽馬函數(shù)。f(t)隨韋布爾系數(shù)m值的不同分布的性質(zhì)也發(fā)生變化。m=1時(shí)為指數(shù)分布。以下是對(duì)時(shí)間t故障率描述方法的說明。故障率對(duì)時(shí)間的公式(4)表示。

(4)

故障現(xiàn)象根據(jù)韋布爾系數(shù)m分為以下三種。m<1時(shí)，隨時(shí)間變化故障率會(huì)變小，即初期故障。m=1時(shí)，隨時(shí)間變化故障率為定值，即偶發(fā)故障。m>1時(shí)，隨時(shí)間變化故障率會(huì)變大，即磨損性故障。

可靠性(無故障概率)如下式(5)所示。

(5)

由此得到不可靠性(相當(dāng)于累計(jì)故障率)為：

F(t)=1-R(t)

(6)

經(jīng)過變形可以得到式(7)。

(7)

令Y等于上式的左邊,X=lnt。可得到：

Y=mX-mlnY

(8)

即lnt對(duì)Y圖形化為即為直線，從其斜率可以求出韋布爾系數(shù)m值。此手段即被稱為韋布爾·結(jié)構(gòu)。

3 案例分析

3.1 數(shù)據(jù)解析

使用前節(jié)所述解析手段，對(duì)作為對(duì)象設(shè)備的電纜全部數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的結(jié)果如圖5所示：

圖5 高壓電力電纜老化部位與高次諧波關(guān)系

圖6 劣化診斷結(jié)果報(bào)告書

3.2 案例分析

實(shí)驗(yàn)在北京電科院和城區(qū)、朝陽、海淀、懷柔等地區(qū)對(duì)共13條10kV電纜進(jìn)行了檢測(cè)，其中測(cè)試結(jié)果有效9條，提取信號(hào)不足無法輸出報(bào)告的有2條，未提取到信號(hào)的有2條。從有效測(cè)試結(jié)果來看，正常1條，連接部變形1條，絕緣體異常5條，多種缺陷并存2條(1條為絕緣體+連接部異常，1條為絕緣體+護(hù)套+屏蔽層異常)。下面就其中典型線路進(jìn)行分析。如表1所示

表1 諧波法檢測(cè)結(jié)果

解析：[絕緣體]1、存在液體引起沿面擊穿。2、生成水分導(dǎo)致環(huán)境性負(fù)擔(dān)。3、發(fā)生微小裂紋、空氣泡。4、局部放電導(dǎo)致電壓負(fù)擔(dān)。

為了驗(yàn)證諧波法的準(zhǔn)確性，對(duì)同一條線路同時(shí)用超低頻介損試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

諧波法檢測(cè)分析：絕緣體劣化值為82.99%，實(shí)際絕緣有降低的趨勢(shì)，存在水樹枝，微裂紋和氣泡，有老化趨勢(shì)，存在局部放電的現(xiàn)象。超低頻介損試驗(yàn)結(jié)果：有問題，注意狀態(tài)，B相和C相絕緣電阻值降低。兩種方法測(cè)試對(duì)比：都處在有問題的狀態(tài)，絕緣電阻都有降低的現(xiàn)象。定性分析結(jié)果一致。圖6所示是該線路的劣化診斷結(jié)果報(bào)告書。

4 結(jié)束語

利用諧波診斷系統(tǒng)(HDS)對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜的劣化情況以及健康狀況進(jìn)行了有效地評(píng)估。從電纜熱老化導(dǎo)致高次諧波產(chǎn)生的原理和電纜劣化值和使用壽命方面都進(jìn)行了準(zhǔn)確的分析。通過對(duì)實(shí)地電纜檢測(cè)的案例，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠較為準(zhǔn)確判斷電纜老化和缺陷的性質(zhì)以及異常程度。