110kV220kV交联电缆阻尼振荡波检测技术应用 甄选.docx
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110kV220kV交联电缆阻尼振荡波检测技术应用甄选
110kV、220kV交联电缆阻尼振荡波检测技术应用(优选.)
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硕士学位论文
110kV、220kV交联电缆阻尼振荡波检测
技术应用
技术应用
作者姓名
罗智奕
学科专业
高压直流输电
指导教师
刘刚副教授
邬韬高级工程师
所在学院
电力学院
论文提交日期
2011年10月
Applicationof110kVand220kVXLPEPowerCablesDampedOscillatingWaveTest
ADissertationSubmittedfortheDegreeofMaster
Candidate:
LuoZhiyi
Supervisor:
AssociateProf.LiuGang
SeniorEngineer.WuTao
SouthChinaUniversityofTechnology
Guangzhou,China
分类号:
TM403学校代号:
10561
学号:
200920204728
华南理工大学硕士学位论文
110kV、220kV交联电缆阻尼振荡波检测
技术应用
作者姓名:
罗智奕指导教师姓名、职称:
刘刚副教授,邬韬高级工程师
申请学位级别:
工程硕士学科专业名称:
高压直流输电
研究方向:
输电电缆线路状态检修及故障诊断
论文提交日期:
2011年10月10日论文答辩日期:
年月日
学位授予单位:
华南理工大学学位授予日期:
年月日
答辩委员会成员:
主席:
委员:
华南理工大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:
研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。
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本学位论文属于:
□保密,在年解密后适用本授权书。
□不保密。
学位论文全文电子版提交后:
□同意在校园网上发布,供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。
(请在以上相应方框内打“√”)
作者签名:
日期:
指导教师签名:
日期:
Ⅳ-2答辩委员会对论文的评定意见
论文答辩日期:
年月日
答辩委员会委员共_______人,到会委员_______人
表决票数:
优秀()票;良好()票;及格()票;不及格()票
表决结果(打“√”):
优秀();良好();及格();不及格()
决议:
同意授予硕士学位()不同意授予硕士学位()
答辩委员会成员签名
(主席)
摘 要
2011年3月21日,深圳供电局采用OWTS(HV250)阻尼振荡波(一种缓慢衰减的正弦交变波形)测试技术对220kV电力电缆线路进行现场局放和耐压检测试验,这是国内首次开展的220kV电压等级阻尼振荡波状态检测。
该检测项目是世界上第一次大规模投入电网110kV及以上高压电缆的专业技术服务检测,由阻尼振荡波国际权威技术专家EdwardGulski亲自检测指导,共对深圳供电局3回220kV及14回110kV交联聚乙烯电力电缆线路进行高压振荡波检测试验,主要试验内容包括:
振荡波现场局放、耐压检测、局放源定位、介质损耗测量与绝缘健康诊断、评估,积累了大量阻尼振荡波技术的现场检测数据和经验,在保障电网安全可靠运行的同时,又为国内电力行业进一步了解和研究阻尼振荡波检测技术打下了良好的基础。
本文基于上述检测项目,研究学习阻尼振荡波的基本技术原理,探讨该原理实现现场检测的关键要素,包括国际检测标准、阻尼振荡电压的产生等,详细介绍110kV、220kV交联电缆阻尼振荡波检测技术现场检测方法和检测流程。
最后,通过部分电缆线路的高压振荡波技术检测的典型案例进行细致分析研究和讨论,研究验证在110kV、220kV电力电缆上采用阻尼振荡波技术进行绝缘性能状态检测的适用性和有效性,对比该技术与传统试验技术的优劣性,从而为电网运行部门及时开展主网高压电缆线路状态检修和消缺处理提供另一种技术参考。
关键词:
220kV;交联电缆;阻尼振荡波;局部放电;耐压;检测
ABSTRACT
March21,2011,ShenzhenPowerSupplyBureauusingOWTS(HV250)dampedoscillation(aslowlydecayingalternatingsinewave)testtechnologyfor220kVpowercablelineforon-sitePDdetectionandpressuretesting,whichisthe220kVvoltagelevelforthefirsttimetocarryoutthedampingoscillatorystatedetection.Thetestprojectistheworld'sfirstlarge-scaleinvestmentinpowergrids110kVandhigherprofessionalandtechnicalservices,highvoltagecabletesting,internationalauthoritybythedampedoscillatorytechnicalexpertsEdwardGulskipersonallytestingguidance,atotalof3PowerSupplyBureau,Shenzhen,and14backtobackto220kVand110kVXLPEcablelinesforhigh-pressureoscillationdetectiontest,themaintestsinclude:
Sasser-sitepartialdischarge,pressuretesting,partialdischargesourcelocation,measurementandinsulationdielectriclosshealthdiagnosis,evaluation,andaccumulatedalargenumberofdampedoscillatorytechnologyfieldtestdataandexperience,safeandreliableoperationintheprotectiongridatthesametime,thedomesticpowerindustrybutalsoforfurtherunderstandingandstudyofdampingoscillationdetectiontechnologytolayagoodfoundation.
Basedonthetestprojecttostudythebasicskillsoflearningdampingoscillationprinciple,theprincipleofthekeyelementsforfieldtesting,includinginternationaltestingstandards,theringingvoltagegeneration,etc.,detailsof110kV,220kVXLPEcabledampingoscillationdetectiontechnologysitetestingmethodsandtestingprocedures.Finally,somehigh-voltagecablelinestodetectatypicalcaseofSassercarefulanalysisanddiscussionofvalidationinthe110kV,220kVpowercablesusingdampedoscillationontheinsulationstatedetectiontechnology,theapplicabilityandeffectiveness,comparedtothetechnologyandtraditionaltechniquesoftheprosandconsoftesting,soastorunthedepartmentinatimelymannertocarryoutthemainpowergridnetworkstatemaintenanceandhighvoltagecablelinestoprovideconsumersanalternativedealwithlackoftechnicalreference..
Keywords:
220kV;XLPEpowercables;DampedOscillatingWave;partialdischarge;withstandvoltage;test
随着经济的持续发展,连年来城市电力基础建设持续飞速发展。
高压输电电缆线路以其安全可靠、节省空间和美化城市的特点,符合了城市化、现代化的发展要求,得到越来越多的采用。
但是,高压交联电缆由于是结构紧密层层包裹,准确了解掌握电缆的主绝缘性能难度很大,特别是内部潜在的隐患缺陷很难准确检测和定位,检测方法和手段准确性和有效性稍显不足。
在电力系统中,判断电缆绝缘好坏的惯用测试方法是对被测电缆绝缘施加过电压,通常的方法有直流耐压和串联谐振交流耐压方法,考验电缆绝缘耐压是否通过,直流耐压时还可检测直流泄漏电流的大小。
但是,以上方法仅能对电缆整体绝缘情况做出诊断,无法对局部放电进行测试和缺陷定位。
更重要的是,过电压耐压试验实际上是一种破坏性试验,尤其对交联聚乙烯(XLPE)电缆,直流耐压在去掉直流高压之后的一段时期内绝缘层仍旧维持着极化状态的分子排列,特别是在因老化而生成的各种树枝结构内,其分子排列更不容易恢复到施加直流高压之前的状态;串联谐振交流耐压虽然对交联电缆的损害性稍小,但其一般也只能击穿较严重的缺陷,对于不够严重的缺陷可能激发发展,不一定能够击穿。
因此,经过电压耐压试验测试通过的电缆,在重新投入运行后很快发生绝缘击穿事故的例子屡见不鲜。
于是,产生了电缆局部放电检测各种检测技术,阻尼振荡波局放检测技术就是其中最受关注的一种。
阻尼振荡波局放检测技术之所以成为目前国内外最受关注的热点技术,原因在于这种方法能使我们能及时发现潜伏隐患,掌握设备的运行状态及有效使用寿命,以便采取相应的措施,实现有计划、合理地进行检修,可以减少因突发故障造成的损失,达到提高供电可靠性的目的。
本文通过现场实例试验对阻尼振荡波局部放电检测技术的应用进行研究和实际操作验证,对进一步推广新技术具有非常重要的参考价值。
本次检测应用取得的案例和数据,不仅适用于运行电缆线路检测,而且更适用于新建电缆线路现场交接试验(目前新建线路现场交接试验采用变频串联谐振高压试验装置,由于试验装置外形尺寸大、笨重、对电源功率要求高,影响交接试验的开展和效率),对推动OWTS阻尼振荡波局部放电检测和定位技术在国内超高压交联电缆线路绝缘状态评估中的应用,促进国内电缆运行单位超高压电缆线路状态检测技术提高,进一步提升电力电缆全生命周期安全质量管理水平具有积极作用。
高压交联电缆的运行安全可靠,关键在于电缆主绝缘性能的状况。
当前,国内电缆运行部门已经对高压、超高压交联电缆交接试验和投运后的诊断性试验(包括预防性试验和在线监测)高度重视,采取了多种检测手段和方法力图确保电缆的运行可靠性。
但是,现有交联电缆绝缘性能检测技术手段都存在一些局限和不足。
局部放电(简称局放)是电缆绝缘劣化的征兆,也是造成绝缘劣化发展的重要原因之一,局放作为电缆线路绝缘故障早期的主要表现形式,既是引起绝缘老化的主要原因,又是表征绝缘状况的主要特征参数,是电力电缆运行中的一个较大的安全隐患。
局部放电测量用于现场测量时,外部噪声干扰严重,测量很困难。
虽然有困难,但已有测量结果也证明值得花时间和代价进行局部放电的测量。
特别当怀疑有缺陷或破坏或者要求保证电缆工作最大可靠性时,这是一种典型的方法。
只要把噪声等级降低到局部放电水平以下,测量的局部放电可以提供很多有用的诊断信息。
通过观察局部放电信号的幅度与相位以及信号与升降压之间的变化关系,可以知道缺陷的形式和位置以及它们对电缆绝缘的影响。
其实,局部放电作为电缆绝缘非破坏性电气检验的主要项目。
从50年代后期开始,世界各国纷纷采用宽频带放大检测器对电缆绝缘进行局部放电检测。
1963年,荷兰NKF电缆厂F.H.Kreuger博士发表了他1957-1960年实验研究的论文和”局部放电检测”一书,奠定了局部放电的测量技术基础。
此后,国际大电网会议(CIGRE)第21技术委员会(高压电缆)成立了局部放电工作组,针对电缆局部放电的特点进行确定试验方法标准的工作。
1979年德国5家主要电缆工厂同汉诺威大学西林研究所合作研究,提出了长电缆上局部放电测试的科学方法。
1980年德国正式批准这一建议为国家标准。
1982年国际电工委员会(IEC)第17工作组采纳为IEC标准草案,1985年经各国IEC分委会多数表决,同意将该草案作为电缆局部放电的试验方法标准。
1996年日本株式会社的KatsumiUchida等人通过在电气设备上制作气隙和电树,施加振荡波电压检测击穿电压。
研究发现振荡波电压在这两种缺陷上的效果与交流电压较接近。
1998年荷兰代尔夫特理工大学的EdwardGulski等为了比较了振荡波电压和交流电压下的局放特性,制作了不同的电缆终端缺陷进行检测。
研究发现两者的起始放电电压有很高的等效性,但是在局放量上存在一定的差异。
振荡波的频率并不影响其局放起始电压,但是频率和放电量有很大关系,频率越小,放电量越大。
据目前国内外技术文献记载,该技术采用的振荡波电压是一种用于交联聚乙烯电缆局部放电检测和定位的电源,检测时,首先通过振荡波电路与电缆连接,产生振荡波电压作用于电缆。
当电缆中存在缺陷时,会在振荡波电压的作用下,产生局部放电,经过电路中的局部放电检测设备检测放电信号,从而判断电缆的运行状态。
2008年1月,北京电力电缆公司吸取新加坡等国家在状态检测方面的成功经验,尝试采用振荡波法电缆局部放电定位(OWTS)测试技术对配网10kV电缆进行局部放电测试。
在测试过程中,检测发现数条电缆有严重局部放电现象,经过对电缆的解剖分析证实了这些电缆存在的不同方面、不同程度的问题,通过对数百条电缆的局放检测情况进行总结分析,应用振荡波法对电缆局部放电进行测试并定位是一个非常有效的技术,而且方法操作简单,容易判断。
得悉北京奥运保电引进振荡波技术检测配网电缆取得不得的效果后,国内电缆线路规模较大的城市,如上海、苏州、广州、深圳、武汉等城市都先后跟进,在10kV配网电缆上购置设备并组织开展,检测出大量10kV问题接头和电缆,及时消缺避免了很多跳闸事故。
但目前国内仅仅开展了配电网中压电缆线路在阻尼振荡波电压下绝缘性能检测与诊断的现场应用,而在高压电缆线路上的研究与应用处于一片空白,相关的经验和数据完全缺失。
2010年3月,武汉供电公司与国网电科院武汉高压研究所联合,首次在国内尝试引进瑞士OWTSHV150系统的DAC电压下现场测试、诊断2条110kV交联电缆线路的绝缘健康状况。
研究分析和现场实测证明,用DAC电压代替工频正弦波电压作为试验电压,结合耐压试验、局放检测与定位、介质损耗测量多种绝缘性能检测方法,可有效覆盖线路全长范围内电缆本体及附件,较好地弥补了现有高压交联电缆绝缘性能检测手段存在的局限和不足。
2010年4月,为保障亚运会主网电缆安全,广州供电局引进了新加坡新能源公司所有权的瑞士OWTSHV150系统进行对亚运保电几条重要的110kV电缆进行检测,同时进行了技术交流和探讨。
尽管如此,在110kV、220kV高压交联电缆线路现场试验和状态检测中,阻尼振荡波(DAC)电压下绝缘性能检测的研究与应用在国内的相关经验和数据仍相当缺乏。
2011年深圳供电局采用OWTS(HV250)阻尼振荡波测试技术对3回220kV及14回110kV交联聚乙烯电力电缆线路进行高压振荡波检测试验,收获了大量现场实测数据。
IEC及世界各国都制定了相关的局部放电测试标准,通过对局部放电的检测及时发现绝缘系统中的薄弱环节,找出故障原因,保证电力电缆质量,保障电力系统安全可靠运行。
国际大电网(CIGRE)也在2009年成立了电缆及接头现场局放检测技术的工作组,对该方面技术发展进行研究梳理。
阻尼振荡波局放检测技术在中低压电力电缆领域的应用效果,已为世人所认可并广泛应用,但在110kV及以上高压电缆领域仍是最尖端前沿的技术。
瑞士Seitz公司研发成功的OWTS系统设备具备测试110kV及以上高压电缆,最高输出电压峰值达350kV,可对220kV及以下电压等级电缆进行局放测试及耐压实验,在欧洲、中东、亚洲已有不少的成功案例。
它具有与交流电源等效性好,作用时间短、操作方便、易于携带等特点,可有效检测交联聚乙烯电缆中的各种缺陷,不会对电缆造成伤害。
高压电缆振荡波局放测试主要用于检测电缆系统内部(包括电缆本体、接头、终端)存在的局部放电(绝缘层中存在的未击穿的放电通道,简称局放。
局放会在电场作用下逐渐升级,最终转化为击穿故障),确保电缆处于健康状态。
其原理是通过检测感性元件与被试电缆的高频脉冲信号,结合信号补偿技术,达到测量并精确定位电缆线路局部放电的目的。
基于此,2011年深圳供电局采用DAC电压下现场测试、诊断3条220kV及14回110kV交联电缆线路的绝缘健康状况,开展了国内至今最大规模的DAC电压下电缆局部放电检测、放电源定位和介质损耗测量等试验工作,为全面了解典型高压交联电缆DAC测试系统(OWTS)的功能与组成,探讨研究用DAC电压代替工频正弦波电压作为试验电压的可行性,结合对比了耐压试验、局放检测与定位、介质损耗测量多种绝缘性能检测方法,初步认可阻尼振荡波检测局放可比较有效覆盖线路全长范围内的电缆本体及附件,较好地弥补了现有高压交联电缆绝缘性能检测手段存在的局限和不足。
1.3研究内容及主要工作
目前110kV及以上高压交联电缆主绝缘性能检测技术不够完善,各种耐压检测手段都只是考验的办法,而不能完全发现电缆实在的内部隐患和缺陷。
针对上述问题,引入高压振荡波技术原理,充分对比各种检测技术的原理优缺点,找出高压振荡波技术最主要的特征、特点。
高压、超高压交联电缆运行中采用局部放电在线监测技术是国内密切关注的技术热点,虽能在运行工况下实时监测线路局放变化趋势,但也存在局放测试无法按照IEC标准精确量化引起计量困难和量化判据不统一,单一的检测电压难以发现更微小尺寸的绝缘缺陷,线路金属护套交叉互联导致的局放信号分相定位困难等不足。
采用在线监测方式目前还无法实现电缆线路带电情况下介质损耗量监测,缺失了利用介质损耗评估线路绝缘老化状态的有效手段。
由于目前110kV及以上高压振荡波技术尚只有瑞士厂家生产出可用现场实施的检测设备,研究探讨实现现场检测的关键要素,包括OWTS系统的DAC电源特点、设备精细化、微秒级光触开关的实现、局放定位精度、局放滤波去噪等等,通过研究分析,建立局放定位的数据计算模型,力求找出解决实测设备实现的技术难关。
本文本文首先提出了高压电缆主绝缘性能检测水平的现状以及开展高压振荡波检测必要性和急迫性,探讨吃透高压振荡波的基础技术原理和概念,参照国际和国内有关现有标准和推荐标准,将进行以下几个方面的研究。
(1)以深圳现场检测情况为实例,研究验证在110kV~220kV电力电缆上采用阻尼振荡波技术进行绝缘性能状态检测的适用性和有效性,对比阻尼振荡波电压试验与持续交直流电压试验的等效性、破坏性,总结该技术在高压交联电缆运维中推广应用的可行性和效益性,客观存在的不足问题和未来技术发展预测。
(2)通过高压振荡波技术检测可丰富完善绝缘性能的检测方案,提高检测的准确度,发现现有检测技术所不能发现的隐患缺陷,并且可定位消除。
开展研究工作的基础是深圳供电局在2011年已通过多回110kV~220kV交联电缆阻尼振荡波现场检测,积累了研究分析的经验和实际数据,加上校内外专业技术导师的指导,有条件深化研究并取得良好的研究成果,为技术更好地现场应用提供参考建议。
(3)结合现场检测开展情况,积累的经验结合理论,可推动原理在实践检测设备研究和实测应注意和解决的现场问题,从而发挥高压振荡波技术的应用功效,从而更好地掌握高压交联电缆的核心检测技术和运行状态,为电网安全运行做出贡献。
(4)通过有关现场检测数据、波形结果等,可对OWTS系统的DAC电源、局放定位精度、局放滤波去噪等进行全面技术分析,推动国内有关技术研究水平的提高。
(5)根据深圳检测案例结合被检测电缆的运行情况,验证高压振荡波检测技术的适用用和有效性。
局部放电,是绝缘介质中的一种电气放电,这种放电仅限制在被测介质中一部分且只使导体间的绝缘局部桥接,这种放电可能发生或可能不发生于导体的邻近,电力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的问题。
虽然局部放电一般不会引起即时的绝缘破坏,但每一次绝缘破坏的最初原因都是由于局部放电所引起的。
随着电力测试研发的不断投入,局部放电的测试技术水平已经达到相当高的水平,局部放电检测已能在设备绝缘破坏初期将其检出并可准确定位,为了更好掌握检测局放的技术,必须先了解局放产生的基本原理发展特性。
它能使我们对检测和研究的对象有更具体的印象和更深刻的理解。
2.1.1空隙放电
固体绝缘材料使导电体之间的电场强度均匀分布。
然而实际上,这是不可能做到的。
绝缘体在制造加工过程中总会产生一些很小的缺陷和空隙。
这些空隙充满空气,它比周围的固体材料的击穿强度低。
而且气体的介电常数总是低于固体绝缘材料。
因而导致空穴处的电场强度高于绝缘材料。
所以绝缘在正常工作场强下,空穴所承受的电压值就可能超过击穿电压值,空穴就开始击穿。
图2-1:
绝缘体内空穴等效电路图
假设固体绝缘材料厚度为d,包含有一个盘形状,厚度为t,面积为A的空穴,如图2-1所示。
在等效电路中,电容Cc对应为空穴电容;Cb对应为绝缘材料与Cc串联的电容;Ca是绝缘材料的其它电容。
设电容C,单位为法拉/m2,故有等式
(公式2-1)
式中:
为空气介电常数=8.854x10-12Fm-1;
为相对介电常数;
A为电极间的面积;d为电极间的距离。
假定空穴(厚度为t)中气体的相对介电常
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