基于HDS的交联聚乙烯电缆健康诊断研究

2018-11-09，，

佳木斯大学学报（自然科学版） 2018年5期

，，

(1. 安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南 232001；2.中矿龙科能源科技股份有限公司，北京 101300)

0 引言

自从20世纪80年代以来，3层共挤生产工艺制造的交联聚乙烯电缆(XLPE)由于其无需供油、可以防火、安装维护简单以及机械和电气性能良好的特性逐渐取代了传统的充油电缆。通常XLPE是由几根或几组导线绞合而成，由导体、绝缘层、密封护套、铜带保层组成，如图1所示：

图1 XLPE组成示意图

考虑谐波条件下的集肤效应，存在谐波电流时的电缆损耗为:

(1)

其中THDI为电流谐波总畸变率[2]。

通常集肤效应在50HZ时影响很小，可以被忽略。然而到了300HZ及以上(大约7次谐波及以上)，集肤效应就会变得特别显著，会导致电缆的损耗变大从而发热；而过强的零序谐波(即3N次谐波)会导致中性线导体的过热，从而发生火灾或者中性线熔断的线路故障，严重影响生产安全和生产质量。当高次谐波的电压加至电缆两端时, 由于电缆绝缘电容承受能力有限，电缆很容易发生过负荷导致绝缘层损坏;高次谐波引起电缆内耗加大,电缆发热，会降低电缆的使用寿命[3]。

基于谐波诊断系统(HDS)对交联聚乙烯电缆劣化程度进行诊断，对电缆的剩余寿命进行实时准确评估。

1 电缆高次谐波的产生机理

1.1 谐波产生的原因

应力老化是产生谐波的主要原因。应力老化主要分为：热老化、电压应力老化、机械应力和环境应力老化。现着重分析热老化使电缆产生谐波的机理。

热老化是导致电缆寿命缩短的最普通和最重要的原因。这种热老化的原因如下：形成物体的结晶和分子各自具有其固有的振动频率，在高热的情况下能级增加，原子间结合的全部或者一部分以平衡位置为中心的微小范围就会产生剧烈的振动。并且，如果把几乎所有物体的固有振动频率都换算成电磁波的波长，则将进入3-30μm的远红外区域。如果物体受到远红外线波长范围电磁波的照射，则物体所具有的固有振动模式就会同时活跃起来，这样就会发生热物理学上所说的热共振现象，而使物体的温度上升。由于温度上升也会导致物体的材质和组织结构发生变化，可使温度达到100-200℃(平均160℃)。如果热共振持续，热振动就会进一步加剧，从而导致物体产生热应变，这种热应变会诱发物体的机械性振动。这种热老化的过程如图2所示。

图2 热老化过程

1.2 电缆高次谐波产生机理

图3所示是交联聚乙烯电缆中的涡电流。如果交流电流I0流过导体，则产生磁束φa,φb,φc,…,φn，由于这种变化而产生涡电流Ia1,Ib1,Ic1,…In1及Ia2,Ib2,Ic2,…,In2。这里，电流I是用I=I0+I1+I2+…+In表示的合成电流。涡电流Ia1,Ib1,Ic1,…In1及Ia2,Ib2,Ic2…,In2分别由上述的电子群流(与电流呈相反方向)构成，静止状态的导体中这种电子群通过电场(电位)和外部磁场的影响而进行周期性运动。电场和外部磁场为对称波(只包括奇数次谐波的失真波)。因而，这些电流I也作为对称波而成为只包括奇数次的合成电流波动。而且，因为这种导体的组织不一样，所以，发生局部的焦耳损耗的涡电流成为对称波，通过其增减，图3中的合成电流I包括奇数次谐波。就是说，通过电的因素(电的部位异常)而发生的谐波是奇数次谐波电流。

图3 XLPE中的磁通及电流

2 电缆健康分析

2.1 电缆劣化值分析

电缆异常/劣化时，磁通量波形会变乱。电缆内的导体发生局部过热时，会在电流的高次谐波成分中体现出来，通过对各次谐波的含有率计算分析电缆的运行状态；根据电磁感应原理，初级侧是被测电缆，次级侧是探头线圈。磁场通过空气隙，铁氧体形成闭合回路。根据楞次定律，e=-dφ/dt，在二次侧感应出电动势。通过检测流经电力电缆的高次电流谐波，对电缆本体部、连接部的劣化度进行评估诊断，以推算电缆劣化发展状态的过程。具体的步骤如图4所示：

图4 数据分析诊断流程

检测结果均以量化百分比为劣化值分析电缆各部分的老化程度，数值越高老化程度越严重。劣化值是根据谐波含有率和主成分分析的贡献率计算自动生成的，评价内容是根据劣化值与数据库对比得到的。有时虽然劣化值相同但评价不同，是因为老化的性质不同，谐波贡献率的计算也不同。电缆的劣化值分析有如下规律：本体部绝缘体劣化值：>75%电缆会出现电树枝局部放电的现象；>80%电缆易出现水树；>90%以上时，建议应停电检查。本体部屏蔽层劣化值：>70%易出现老化和变形。本体部屏蔽层保护层：>70%易出现老化和变形。连接部劣化值：>70%易出现变形、放电和浸水等缺陷。负载状况：<0.02时电缆的耐载能力差，建议检修。

2.2 电缆剩余寿命

剩余寿命只在劣化值大于70%时开始判断，剩余年限是根据输入的电缆制造年份和劣化值为依据利用韦伯尔系数判断的。韦布尔分布是定量的描述物体体积与强度关系的概率分布，一般理解为在系统链构成中因最弱环节出现损坏，造成整个系统链破损的模式(最弱环节模式)。韦布尔分布为下式(2)所示概率分布。

(2)

此处，m为韦布尔系数(形状参数)，η为尺度系数。平均值μ如下式(3)所示。

(3)

Γ为伽马函数。f(t)随韦布尔系数m值的不同分布的性质也发生变化。m=1时为指数分布。以下是对时间t故障率描述方法的说明。故障率对时间的公式(4)表示。

(4)

故障现象根据韦布尔系数m分为以下三种。m<1时，随时间变化故障率会变小，即初期故障。m=1时，随时间变化故障率为定值，即偶发故障。m>1时，随时间变化故障率会变大，即磨损性故障。

可靠性(无故障概率)如下式(5)所示。

(5)

由此得到不可靠性(相当于累计故障率)为：

F(t)=1-R(t)

(6)

经过变形可以得到式(7)。

(7)

令Y等于上式的左边,X=lnt。可得到：

Y=mX-mlnY

(8)

即lnt对Y图形化为即为直线，从其斜率可以求出韦布尔系数m值。此手段即被称为韦布尔·结构。

3 案例分析

3.1 数据解析

使用前节所述解析手段，对作为对象设备的电缆全部数据进行解析的结果如图5所示：

图5 高压电力电缆老化部位与高次谐波关系

图6 劣化诊断结果报告书

3.2 案例分析

实验在北京电科院和城区、朝阳、海淀、怀柔等地区对共13条10kV电缆进行了检测，其中测试结果有效9条，提取信号不足无法输出报告的有2条，未提取到信号的有2条。从有效测试结果来看，正常1条，连接部变形1条，绝缘体异常5条，多种缺陷并存2条(1条为绝缘体+连接部异常，1条为绝缘体+护套+屏蔽层异常)。下面就其中典型线路进行分析。如表1所示

表1 谐波法检测结果

解析：[绝缘体]1、存在液体引起沿面击穿。2、生成水分导致环境性负担。3、发生微小裂纹、空气泡。4、局部放电导致电压负担。

为了验证谐波法的准确性，对同一条线路同时用超低频介损试验进行了验证。

谐波法检测分析：绝缘体劣化值为82.99%，实际绝缘有降低的趋势，存在水树枝，微裂纹和气泡，有老化趋势，存在局部放电的现象。超低频介损试验结果：有问题，注意状态，B相和C相绝缘电阻值降低。两种方法测试对比：都处在有问题的状态，绝缘电阻都有降低的现象。定性分析结果一致。图6所示是该线路的劣化诊断结果报告书。