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在線監(jiān)測XLPE電纜水樹老化狀態(tài)過程中的安全保護(hù)

文檔作者：朱義東余翔高建季宏梁紅軍鄭曉泉文檔來源： 1．西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2．駐馬店供電公司 3．西安交大科技園博源電氣有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年02月21日
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2006年第5期
No．5 20o6
電線電纜
Electric Wire＆ Cable
2006年10月
Oct．，2006
在線監(jiān)測XLPE電纜水樹老化狀態(tài)
過程中的安全保護(hù)
朱義東 ， 余 翔 ， 高 建 ， 季 宏 ， 梁紅軍 ， 鄭曉泉
(1．西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049；
2．駐馬店供電公司，河南駐馬店463000；3．西安交大科技園博源電氣有限公司，陜西西安710054)
摘要：介紹了疊加法交聯(lián)聚乙稀(XLPE)絕緣電力電纜絕緣在線監(jiān)測中的接地保護(hù)措施，包括放電管、大電流
放電間隙保護(hù)器、繼電保護(hù)器等。對它們使用的特點(diǎn)，如動作時(shí)間、保護(hù)范圍和通流能力等進(jìn)行了分析和比
較。
關(guān)鍵詞：交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜；水樹；在線監(jiān)測；接地；安全保護(hù)
中圖分類號：TM247．1；TM206 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672．6901(2006)05 0036—04
Protection for Online Monitoring of Water-Treeing in XLPE Cables
ZHU Yi—dong．et al
(Xi’an Jiaotong Umvemi~，State Key Laboratory of Electrical
Insulation for Electric Power Equipment，Xi’aJ1 710049，China)
Abstract：Several safety grounding measures used for the online monitoring of water-treeing in XLPE cables Using the voltage
supposition method，such as discharge tube，large-current discharge gap and relay pmtectlon，are presented．The operating
characteristics of these methods such as response time． scope of protection an d capability of current are an alysed an d
compared with．
Key words：XLPE po wer cab le；water-treeing；online monitoring；grounding；safety protection
1 引 言
利用疊加法進(jìn)行交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電力
電纜水樹枝老化狀態(tài)的在線監(jiān)測，原理是將運(yùn)行的
電纜屏蔽層接地線斷開并接入測量儀器，通過測量
在線流過的微小直流電流(nA級)，來判斷電纜水樹
老化的嚴(yán)重程度，原理早已被大家所認(rèn)識，本文不再
贅述。但無論在國內(nèi)還是國外都沒有得到較大范圍
的推廣，主要原因在于監(jiān)測的過程中，需要對電纜接
地線進(jìn)行安全保護(hù)，如果沒有在保護(hù)上做得很到位，
在線監(jiān)測反而給電力系統(tǒng)和企業(yè)、單位造成安全上
隱患。而隨著當(dāng)前電能的應(yīng)用越來越普遍，對電力
設(shè)備，包括電纜運(yùn)行穩(wěn)定性的要求也越來越高，同時(shí)
負(fù)荷的增大必然導(dǎo)致XLPE電纜比以住老化速度更
快，而相關(guān)的研究表明，XLPE電纜的損壞的一個(gè)很
重要的因素便是水樹老化，甚至最終引起電纜事
故¨。j。在這種情況下，我們開發(fā)了一套基于疊加法
收稿日期：2006．03．21
作者簡介：朱義東(1982一)。男。遼寧葫蘆島人。碩士研
究生．
作者地址：陜西西安市咸寧西路28號[710049]．
原理的XLPE電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)，并針對安全
保護(hù)措施作了大量工作。
2 安全保護(hù)問題與要求
本系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)全自
動測量，測量裝置見圖1，圖中A／D為數(shù)模轉(zhuǎn)換；DSP
為數(shù)字信號微處理器；GPRS為基于中國移動通信網(wǎng)
的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。絕大多數(shù)時(shí)間里，系統(tǒng)不測
量時(shí)，電纜屏蔽層接地線不斷開而接地，即使此時(shí)電
纜出現(xiàn)故障也不會對人(或設(shè)備)造成危險(xiǎn)，如圖2a
所示，其中r為測量設(shè)備采樣電阻。測量時(shí)，接地線
斷開(如圖2b所示)，這個(gè)時(shí)候如果一旦電纜發(fā)生如
電纜擊穿，造成單相接地等故障時(shí)，會導(dǎo)致屏蔽層對
地電壓很高，顯然會給測量設(shè)備甚至人員安全造成
重大威脅，必須避免這種情況的出現(xiàn)。為此我們設(shè)
計(jì)了一套過電壓保護(hù)裝置，確保人員和設(shè)備的安全。
該裝置可使圖2b中1、2點(diǎn)間一旦發(fā)生電壓過高時(shí)，
立即將1，2兩點(diǎn)短路，恢復(fù)到如圖2a所示的接地狀
態(tài)。同時(shí)按實(shí)際工作需要實(shí)現(xiàn)了裝置具有能耐受大
的接地電流的能力。
系統(tǒng)安裝在變電站10 kV系統(tǒng)中，主變壓器1O
kV側(cè)繞組為△接法，采用專用接地變壓器，產(chǎn)生人
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No．5
電線電纜
Electric W ire＆ Cable
2006年10月
Oct．。
三相高壓架空線
圖1 測量裝置整體框圖
電纜屏蔽 電纜屏蔽
a) b)
圖2 非測量(a)與測量(b)狀態(tài)系統(tǒng)接地示意圖
工中性點(diǎn)，并通過消弧線圈進(jìn)行接地，為小電流接地
系統(tǒng)，通過消弧線圈的補(bǔ)償，起到補(bǔ)償故障點(diǎn)單相接
地電流的作用(規(guī)定10 kV系統(tǒng)，含架空線路的單相
接地故障電流大于10 A，并且需要在接地故障條件
下運(yùn)行時(shí)應(yīng)采用消弧線圈接地) J，能保證單相接地
時(shí)95％的相電壓加到消弧線圈上，因此作為人工中
性點(diǎn)接人消弧線圈是非常合適。其原邊采用z型結(jié)
線，以達(dá)到與消弧線圈配合的目的，其副邊采用星形
結(jié)線，單相接地電流基本不會超過幾十安培(30 A
以內(nèi))。但由于電纜在變電站站內(nèi)，所以發(fā)生單相接
地事故的電流可能會比上述電流要大，所以我們所
設(shè)計(jì)的電流保護(hù)裝置至少可以流過30 A以上的電
流才可能達(dá)到要求；而短路動作電壓不能過高，否則
仍會對儀器和人員造成損傷。
3 保護(hù)措施
圖3為系統(tǒng)的安全保護(hù)裝置，其中保護(hù)與濾波
模塊安裝在測量單元的輸入端，為低通濾波保護(hù)電
路，其主要功能：一是保證儀器設(shè)備和操作者在萬一
發(fā)生電纜絕緣擊穿事故時(shí)的安全，二是對XLPE電
纜進(jìn)行直流成分法和直流疊加法進(jìn)行絕緣監(jiān)測時(shí)，
濾除交流電流干擾；在監(jiān)測工頻泄漏電流時(shí)，采用較
高頻段帶寬對交流電流進(jìn)行濾波。下面我們對安全
保護(hù)部分的裝置進(jìn)行逐一說明。
圖3 系統(tǒng)的安全保護(hù)部分
3．1 接地電容
接地電容是為了保證電纜在任何情況下都有可
靠的交流接地通路(同時(shí)直流對地為斷路，滿足測量
要求)。
該接地電容的大小一般是幾十微法，對接地電
容的具體要求是耐壓性能好、直流絕緣電阻大(R>
1000 MQ)，交流接地阻抗小。
3．2 快速熔絲(速熔保險(xiǎn))
快速熔絲用以保證人身及儀器的絕對安全的需
要。當(dāng)電纜發(fā)生事故的時(shí)候，保護(hù)單元兩端電壓迅
速上升，在其它保護(hù)裝置不動作的情況下，熔絲通過
的電流必然急劇增大，熔絲在毫秒級時(shí)間內(nèi)快速熔
融并斷路，自動斷開測試回路。因?yàn)檎y量狀況
下通過快速熔絲的電流非常小，所以我們在進(jìn)行保
護(hù)部分的設(shè)置時(shí)采用的保險(xiǎn)絲的容量很小，一般電
纜絕緣破損等事故的出現(xiàn)必然帶來很大的電流，這
個(gè)比保險(xiǎn)絲的允許通過電流將大很多倍，因此，能使
保險(xiǎn)絲在數(shù)微秒的時(shí)間內(nèi)迅速熔斷。
3．3 陶瓷氣體放電管
該系統(tǒng)采用的陶瓷氣體放電管是國內(nèi)市售的產(chǎn)
品，里面裝有特殊電氣材料，正常情況下管兩端等效
電阻接近無窮大，當(dāng)兩端電壓加到超過閥值電壓(70
v左右)時(shí)，才發(fā)生放電，管子兩端接近短路，起到降
低測量儀器兩端電壓的作用，保護(hù)了測量儀器和操
作人員的安全(參數(shù)見表1)。
表1 陶瓷氣體放電管主要電氣參數(shù)
① 測量時(shí)電壓為直流25 Vo
3．4 自動保護(hù)開關(guān)
圖4為自動保護(hù)開關(guān)電路工作原理圖。從圖4
可知，通過控制回路可以控制接地和測量回路的通
斷。在測量過程中，如果發(fā)生意外情況，出現(xiàn)過電
壓，繼電器會迅速接地，保護(hù)儀器和人員安全。例
如，出現(xiàn)過電壓時(shí)，該保護(hù)電路會自動控制主電路，
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Oct．，2006
迅速實(shí)現(xiàn)“零電阻”硬接地，確保人員和儀器的安全，
但該裝置缺點(diǎn)是動作時(shí)間稍長。
圖4 自動保護(hù)開關(guān)電路工作原理
3．5 大電流接地放電間隙
以上保護(hù)裝置動作比較靈敏，但遇到電纜單相
(測量相)接地時(shí)候(流過接地線的故障電流至少為
幾十安培)，可能會因?yàn)殡娏鬟^大導(dǎo)致裝置徹底燒壞
并失去保護(hù)作用，這樣就會導(dǎo)致測量儀器兩端所加
的電壓很高，對設(shè)備和人員造成威脅。在裝置的改
進(jìn)過程中我們自行制作了一種簡單可行的大電流放
電間隙。而這里的放電間隙不同于高壓防雷所用的
放電間隙，因?yàn)楸仨氁陂g隙兩端電壓不是很高的
情況下(100 V以內(nèi))發(fā)生放電，正常狀況下絕緣電
阻即要足夠大，不會影響到測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并有
意將裝置間隙兩端銅導(dǎo)體的截面積選取較大(通流
能力優(yōu)于電力系統(tǒng)中相應(yīng)的接地銅扁線)，以能通過
上百安培的電流，然后再通過接地線接地。因此我
們所研制的大電流放電間隙，能保證在電纜單相絕
緣擊穿情況，即使屏蔽層電壓迅速升高的情況下，也
能順利進(jìn)行屏蔽的接地，避免造成重大危險(xiǎn)。該裝
置一般這樣的動作的機(jī)會非常小，但一旦動作后，需
要停電換新。
圖5 鋒利刀片狀-平板電極放電模型
大電流放電間隙利用有鋒利刀刃電極(曲率半
徑很小)和一個(gè)平板電極，通過特殊工藝在其電極間
夾緊薄膜絕緣材料，再通過有機(jī)材料澆注封裝制成，
壓緊的電極間由于尖端效應(yīng)，在很小的電壓下就可
以發(fā)生放電并擊穿中間絕緣材料，產(chǎn)生一個(gè)放電通
路，在電流過大的時(shí)候，絕緣材料會進(jìn)一步燒穿，但
由于電極寬度足夠大，其通流能力就可以達(dá)到很大。
其計(jì)算模型如圖5所示。通常，鋒利刀刃電極和平
板電極之間的電場可以簡化成經(jīng)典的圓柱對大平面
的電場模型。
· 38 ·
根據(jù)文獻(xiàn)[4，5]可知，這個(gè)電極之間形成的最大
電場強(qiáng)度發(fā)生在圓柱體的最靠近平面的一處，其大
小約為：
U 9 ，．、
max ■ ×一10 l
’In 。。。。。。。?！?
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式中，E一為電極間最大場強(qiáng)(kV／mm)；U為加在電
極之間的工頻電壓(kV)；r為圓柱電極的曲率半徑
(mm)；d為圓柱電極到平板電級最小距離(mm)。
當(dāng)場強(qiáng)均勻系數(shù)P=(r+d)／r接近1的時(shí)候，
圓柱體和平面電極間的平均電場和最大電場的比值
均勻系數(shù)非常接近，約為0．8左右，幾乎可以看成是
均勻電場，并以此來考慮薄膜的擊穿問題。而事實(shí)
上，如果在間隙間夾一層微米級厚度的絕緣薄膜，則
在計(jì)算薄膜的擊穿電壓的時(shí)候，可以認(rèn)為薄膜上加
的電場為均勻電場，并以此來簡化計(jì)算。我們在實(shí)
驗(yàn)中使用的薄膜的厚度大約為幾個(gè)微米，而圓柱電
極的曲率半徑大約為幾十個(gè)微米，相對來說薄膜厚
度比較小，這種簡化是合理的。
通過顯微鏡觀察刀刃電極的鋒利程度，可以測
量其尖端的曲率半徑的大小。原理是在同樣的條件
下同時(shí)觀測記錄一根已知直徑的均勻金屬針來進(jìn)行
對比而獲得刀刃曲率半徑的大小，如圖6所示。
圖6 顯微鏡F對比觀察電極曲率
圖6中，針的直徑經(jīng)過螺旋測微器測量為0．35
mm，電極曲率半徑約為10 m。再根據(jù)薄膜的厚度
和耐擊穿強(qiáng)度來估算薄膜的工頻擊穿電壓。我們通
過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了擊穿電壓和平板電極邊緣的曲率
半徑(即不同的鋒利程度)的關(guān)系，同時(shí)通過改變參
數(shù)能將擊穿電壓控制在100 V左右，而擊穿后的電
阻接近零。但一些具體的參數(shù)仍需要大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
后才能得到成熟應(yīng)用。
此外，本系統(tǒng)需要對運(yùn)行中的電纜的導(dǎo)體上疊
加24 V的低壓直流電源，我們利用三相電壓互感器
來實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，而一旦電壓互感器出現(xiàn)高低壓兩
側(cè)間短路等問題，電纜線芯上的高壓就有可能燒毀
直流疊加電源，甚至與直流疊加源供電的交流220 V
電源直接相連，對站內(nèi)交流220 V系統(tǒng)造成威脅。
(下轉(zhuǎn)第41頁)
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所規(guī)定任何電氣連接方法，但事后應(yīng)修補(bǔ)絕緣，保證
接續(xù)處的絕緣強(qiáng)度并實(shí)現(xiàn)密封，防止潮氣浸入。
(2)若在田邊林旁遇不可回避的接續(xù)亦應(yīng)引出
地表。引出管若處于無依靠的野外時(shí)應(yīng)采用鋼管，
并做適宜的安全可靠性防護(hù)，防止人觸畜撞。
(3)線路上如需要鋁線與銅線接續(xù)時(shí)，應(yīng)選用
銅鋁雙金屬接續(xù)頭，不得用兩線直接接續(xù)。當(dāng)鋁線
要接入任何電器(如開關(guān)、電度表等)銅端子時(shí)，應(yīng)先
用銅鋁雙金屬直接頭接入一段銅線，再使銅線與銅
端子相接。導(dǎo)體截面較小時(shí)，也可以用一段截面相
當(dāng)?shù)你~線與鋁線直接接續(xù)，后將銅線接入電器的銅
端子，這樣運(yùn)行中可能出現(xiàn)的故障被轉(zhuǎn)移到鋁銅線
的接續(xù)處，避免了燒傷電器上的銅端子。
5 結(jié)束語
實(shí)現(xiàn)任何目的的途徑一般都不是唯一的和不可
改變的。對農(nóng)用直埋電纜產(chǎn)品性能、結(jié)構(gòu)的開發(fā)和
改進(jìn)是市場經(jīng)濟(jì)條件下滿足客戶需求和期望的技術(shù)
(上接第38頁)
為此采用了專門的電壓互感器保護(hù)用的0．5 A
熔斷器，串聯(lián)在互感器高壓側(cè)來保證安全，此時(shí)需將
疊加電源單元進(jìn)行充分接地，以達(dá)到更好的保護(hù)作
用。電壓互感器和附加保險(xiǎn)的安裝見圖7。
圖7 電壓互感器和附加保險(xiǎn)的安裝
4 結(jié) 論
通過分析，交流電容可以起到基本的開通交流
及隔絕直流的作用，但是其交流阻抗也較大，不能保
證系統(tǒng)直接接地；放電管動作較為靈敏，但通流能力
不強(qiáng)；大電流保護(hù)器動作反應(yīng)能力相對較慢；繼電保
進(jìn)步，然而敷設(shè)及接續(xù)找不到科學(xué)的、實(shí)用的、經(jīng)濟(jì)
的方法必然會制約產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。本文僅是對其
敷設(shè)及接續(xù)淺識的論述。
農(nóng)用直埋電纜線路具有造價(jià)低、少維修、易管
理、利環(huán)保的優(yōu)勢。這一切都必需依賴優(yōu)勢的產(chǎn)品
質(zhì)量和合理的、高質(zhì)量的施工來共同保證。
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護(hù)設(shè)備特點(diǎn)位于兩者之中。如果能把各個(gè)保護(hù)措施
綜合使用，優(yōu)勢互補(bǔ)，則對幾十伏到上萬伏的電壓都
能起到降壓作用；通流能力也可以達(dá)到幾百安培；快
速反應(yīng)時(shí)間僅為數(shù)毫秒，這樣就完全可以滿足應(yīng)用
的要求。目前已將上述裝置安裝在駐馬店電業(yè)局轄
區(qū)某變電站，至今運(yùn)行情況良好，但還需要更長時(shí)間
的考驗(yàn)。
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