摘要:本文主要著力于實(shí)際運(yùn)行的輸電電纜(50kV-150kV)狀態(tài)評(píng)估的應(yīng)用以及先進(jìn)的狀態(tài)評(píng)估手段的使用。本文所給出的經(jīng)驗(yàn)是從一個(gè)建立充油電纜及充氣高壓電纜線路狀態(tài)評(píng)估知識(shí)規(guī)則的荷蘭項(xiàng)目中所得到的。尤其是利用若干電纜線路上現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和診斷及實(shí)驗(yàn)室對(duì)絕緣缺陷和老化樣品評(píng)估的結(jié)果提出了狀態(tài)評(píng)估和建立資產(chǎn)管理知識(shí)規(guī)則的技術(shù)。
關(guān)鍵詞:輸電電纜,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),診斷,局部放電,老化,損耗因數(shù)測(cè)量,狀態(tài)評(píng)估,資產(chǎn)管理。
目前電力輸電網(wǎng)絡(luò)的平均壽命是30年[1]。而現(xiàn)在世界上大約32%的高壓電纜線路采用油浸紙絕緣電纜[2]。然而,充油電纜相對(duì)比較老舊。一方面,該類(lèi)型的電纜因老化過(guò)程而引起的故障率僅為12%,另一方面,對(duì)充油電纜的故障預(yù)計(jì)將保持在穩(wěn)定的低水平或?qū)⒊尸F(xiàn)線性增長(zhǎng)[2]。
為了評(píng)估充油電纜的實(shí)際狀況和(或)避免充油電纜意外故障,人們進(jìn)行了不同類(lèi)型的診斷與耐壓試驗(yàn)。對(duì)于新安裝的電纜線路,在IEC或IEEE[1-3,16]標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定了許多條款,這些條款給出了試驗(yàn)類(lèi)型和試驗(yàn)電壓水平。。然而,對(duì)于已經(jīng)服役老化、改造或者修理過(guò)的電纜線路,現(xiàn)場(chǎng)診斷測(cè)試經(jīng)驗(yàn)仍然是有限的。國(guó)際規(guī)程支持了幾次維修活動(dòng),并提出評(píng)估充油電纜實(shí)際狀態(tài)的不同方法[5-7]。如今,幾乎所有的供電部門(mén)對(duì)電纜狀態(tài)評(píng)估技術(shù)的開(kāi)發(fā)是必不可少的,尤其是了解其老化過(guò)程,這一點(diǎn)在資產(chǎn)管理問(wèn)題上變得越來(lái)越重要。
對(duì)于充油電纜的現(xiàn)場(chǎng)診斷,當(dāng)前絕緣狀況的相關(guān)信息可以通過(guò)測(cè)量損耗因數(shù)tanδ得到[8]。需要強(qiáng)調(diào)的是在U0或更高電壓下測(cè)量運(yùn)行狀態(tài)下的電纜損耗因數(shù)已經(jīng)成為油浸絕緣的一個(gè)很重要的診斷手段[4,5,9],因?yàn)樗欠瞧茐男缘脑\斷方法,不會(huì)對(duì)絕緣帶來(lái)附加的應(yīng)力。因此,在現(xiàn)場(chǎng)診斷中,重要的是如何解釋測(cè)量結(jié)果以及確定各參數(shù)可接受的范圍。
電力電纜絕緣
同配電電纜相比,關(guān)于輸電電纜絕緣缺
陷的研究還進(jìn)行的較少。參考文獻(xiàn)[6-14]給出了不同類(lèi)型電力電纜的大部分典型類(lèi)型缺陷的評(píng)估方法,在此基礎(chǔ)上,圖2給出了局部放電和損耗因數(shù)測(cè)量在診斷中的適用性。
考慮到電纜絕緣中發(fā)生的典型缺陷以及由此導(dǎo)致的絕緣惡化,下面的因素值得關(guān)注:運(yùn)行應(yīng)力,環(huán)境應(yīng)力以及人為影響。后者所強(qiáng)調(diào)的主要涉及在電纜的現(xiàn)場(chǎng)裝配中,人為影響電纜及附件的初始?jí)勖?。運(yùn)行和環(huán)境的影響主要發(fā)生在運(yùn)行過(guò)程中。上面提到的這些的影響是不可避免的。
由于高壓電纜絕緣及附件中的電場(chǎng)強(qiáng)度極高,因此高壓電纜中的局部放電缺陷劣化過(guò)程比中壓電纜中更快。然而,針對(duì)某一類(lèi)型的絕緣,例如浸漬絕緣電纜或者高壓電纜附件,運(yùn)行壽命期間會(huì)發(fā)生局部放電。但是通常高壓電纜被認(rèn)為在運(yùn)行期間,局部放電是不會(huì)發(fā)生的[9]。因此,為了檢測(cè)運(yùn)行中的高壓電纜絕緣放電缺陷的存在,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的電壓必須比U0高(過(guò)電壓)。結(jié)合局部放電檢測(cè),我們可以了解到關(guān)于局部放電發(fā)生的信息:局放起始電壓、局放熄滅電壓、局放水平。如圖3。
作為地下傳輸線的一部分,不同類(lèi)型的紙絕緣電纜被廣泛應(yīng)用,但需要考慮的是特定類(lèi)型的油紙絕緣電纜系統(tǒng)的平均壽命已經(jīng)超過(guò)40年。比如,在荷蘭,超過(guò)45%的高壓充油電纜是在1970年以前開(kāi)始運(yùn)行的。對(duì)于額定負(fù)載電流,絕大部分荷蘭在運(yùn)高壓電纜并沒(méi)有處于滿負(fù)載狀態(tài)(約處于滿負(fù)載的40%)。荷蘭電力輸電系統(tǒng)出現(xiàn)故障較少,正是由于較少的故障,關(guān)于電纜的實(shí)際運(yùn)行及老化狀況的了解還是很有限的。
眾所周知,熱劣化和機(jī)械劣化是油紙絕緣的主要劣化機(jī)制,而局部放電會(huì)加速這一過(guò)程。電應(yīng)力,比如操作或雷電過(guò)電壓會(huì)導(dǎo)致油紙結(jié)構(gòu)的物理?yè)p傷。劣化的影響會(huì)使紙絕緣的氣隙\水分以及溶解性氣體增多,這會(huì)導(dǎo)致絕緣紙的電導(dǎo)增加。
服役多年的高壓系統(tǒng)的絕緣會(huì)被多種應(yīng)力因素影響,而這些影響會(huì)使預(yù)期的壽命受到不利影響。這些應(yīng)力源于正常的運(yùn)行環(huán)境或者高壓電纜與附件老化帶來(lái)的異常的運(yùn)行環(huán)境。尤其是電應(yīng)力和熱應(yīng)力可能會(huì)造成絕緣性能永久的劣化,這會(huì)導(dǎo)致絕緣壽命的下降。熱應(yīng)力和電應(yīng)力影響的重要性進(jìn)一步表現(xiàn)如下:
a油浸絕緣的劣化速率取決于其服役的年限和運(yùn)行歷史(如可能,主要和次要的故障記錄);
b耐受電壓水平的下降取決于絕緣性能的劣化水平;
c過(guò)大的熱應(yīng)力和電應(yīng)力是液體填充絕緣最主要的老化機(jī)制;
d以往和以后的熱應(yīng)力是決定絕緣預(yù)期壽命的決定性因素;
e損耗因數(shù)的增加是劣化的一個(gè)征兆;
f當(dāng)溫度升高時(shí),熱穩(wěn)定性取決于損耗因數(shù)。
眾所周知,當(dāng)溫度較高時(shí),熱老化會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速率加快。電老化和熱老化是電纜絕緣老化最主要因素。油絕緣劣化的速率符合阿雷尼烏斯公式:
其中,k為反應(yīng)速率系數(shù);A為常數(shù)(最大反應(yīng)速度);Ea為活化能(發(fā)生反應(yīng)所需的最低能量);R.T為在某一溫度下的分子平均能量;R為分子氣體常數(shù)(8.314472J/K.mol);T為絕對(duì)溫度[9,17]。
根據(jù)此公式,可以計(jì)算絕緣壽命,而絕緣壽命和線芯溫度密切相關(guān)。假設(shè)15℃時(shí)電纜的壽命為100年,而60℃時(shí)壽命以不足10年。所以,使用阿雷尼烏斯公式可以了解不同負(fù)載下的電纜絕緣的劣化速度,如圖4a。對(duì)于溫度——預(yù)期壽命邊界條件,可以給出電纜的預(yù)期壽命和電纜負(fù)載間的關(guān)系,例如,當(dāng)電纜負(fù)載為最大載流量的30%時(shí),預(yù)期壽命為100年,如圖4b。
(a)油紙絕緣熱劣化速率同負(fù)載的關(guān)系;(b)油紙絕緣的預(yù)期壽命同負(fù)載的關(guān)系
當(dāng)負(fù)載由30%提高到60%時(shí),使絕緣劣化成倍增加,預(yù)期壽命變成原來(lái)的一半。負(fù)載再增加,壽命減少更多。當(dāng)負(fù)載為100%時(shí),壽命變成30%負(fù)載時(shí)壽命的十分之一。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),我們可以得出結(jié)論,關(guān)于絕緣的完整性,幾個(gè)問(wèn)題需要考慮。絕緣的電壓耐受水平下降和以下幾個(gè)方面有關(guān):
(1)由溫度過(guò)高引發(fā)的熱老化(土壤干透,電流過(guò)載,油泄漏);
(2)局部絕緣缺陷(絕緣或表面部分);
(3)絕緣材料的劣化或崩潰是由于長(zhǎng)期的老化作用和擊穿引起的;
(4)浸漬劑的劣化(管道填充介質(zhì)中的雜質(zhì));
(5)內(nèi)絕緣液體的污染(防水層劣化或機(jī)械故障);
(6)內(nèi)部絕緣油從終端泄漏。
根據(jù)劣化類(lèi)型的不同,這些問(wèn)題可能發(fā)生在電纜絕緣或電纜附件中。
采用阻尼振蕩波電壓的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和診斷
在交流過(guò)電壓下通電并測(cè)試大電容部件如長(zhǎng)電纜,需要無(wú)功功率大約為幾個(gè)兆伏安。而阻尼交流系統(tǒng)只需要較少的功率便能給大電容負(fù)載充電,同時(shí)還具有體積小重量輕的優(yōu)點(diǎn)。表1所示為230kV電纜線路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)的一些參數(shù)。
阻尼振蕩波電壓是采用一個(gè)充電電流,使得容性試件和空氣電感產(chǎn)生諧振,由于沒(méi)有無(wú)功功率補(bǔ)償,便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)衰減的正弦電壓,如圖5。交流阻尼試驗(yàn)可以和局部放電測(cè)量或者損耗因數(shù)測(cè)量的診斷結(jié)合起來(lái)。測(cè)量損耗因數(shù)時(shí)是采用一個(gè)交流阻尼正弦電壓,測(cè)量頻率為電纜電容和空氣電感諧振的頻率fr,然后分析阻尼電壓波形的衰減特征[9]。
高壓電纜損耗因數(shù)的測(cè)量-現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)
充油電力電纜無(wú)損檢測(cè)和診斷的發(fā)展與應(yīng)用已成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。人們尤其關(guān)注此類(lèi)電纜的實(shí)際劣化狀況,以便確定他們未來(lái)的表現(xiàn),例如允許的負(fù)荷和預(yù)期的壽命。總所周知,在高壓電纜上施加額定電壓或者諸由如閃電、開(kāi)關(guān)操作等產(chǎn)生的非正常電壓時(shí),絕緣有可能失效。當(dāng)施加在絕緣上的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)他們的介電強(qiáng)度時(shí),失效總是會(huì)發(fā)生的。更重要的是,由于長(zhǎng)期的分解,絕緣會(huì)發(fā)生局部或整體劣化。當(dāng)考慮測(cè)量充油電纜的損耗因數(shù)時(shí),需要指出的是,與耐壓試驗(yàn)相反,tanδ可作為評(píng)判高壓油浸絕緣電纜的質(zhì)量指標(biāo)。通過(guò)這種方法,可以直接表征出絕緣的質(zhì)量。對(duì)所獲得的絕緣劣化信息的考慮作為未來(lái)檢測(cè)的趨勢(shì)尤其重要。對(duì)于充油電纜,tanδ就是劣化指標(biāo),即,隨著劣化的進(jìn)行,tanδ升高。因此,搞清楚tanδ和老化過(guò)程之間的關(guān)系對(duì)于評(píng)估絕緣狀態(tài)非常有幫助。tanδ的值不僅和電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)還和溫度有關(guān)。另一個(gè)重要的信息就是電纜的長(zhǎng)期負(fù)荷。當(dāng)對(duì)絕緣施加電壓時(shí)所產(chǎn)生的不同的現(xiàn)象都會(huì)引起絕緣損耗,最重要,最常見(jiàn)的原因是[8]:
(1)體電阻和漏電流引起的電導(dǎo)損耗;
(2)偶極子和絕緣材料間的摩擦(極化損耗);
(3)滲透性不同的材料界面處的電場(chǎng)升高;
(4)局部放電發(fā)生時(shí)也會(huì)增加損耗因數(shù)
新的未老化的浸油絕緣在50Hz交流電壓下的損耗通常是很低的,最大值應(yīng)該不超過(guò)20×10-4(0.2%)。而且,施加電壓的大小與損耗值的變化(△tanδ)之間并無(wú)密切聯(lián)系。例如,當(dāng)電壓從0.5U0升高到2.0 U0時(shí),△tanδ不超過(guò)10×10-4。當(dāng)熱老化的發(fā)生,且tanδ上升到50×10-4(0.5%)時(shí),熱擊穿變的可能[12,17],如圖6。
圖6 用交流阻尼電壓對(duì)已服役的8.7km的87kV/150kV充氣高壓電力電纜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得到的損耗因數(shù)的數(shù)據(jù):C=2.2uF,fDAC=40Hz
圖7所示為采用交流阻尼法測(cè)試兩根充油電纜的結(jié)果。第一根電纜為150kV,運(yùn)行49年(a,b);第二跟為230kV,運(yùn)行33年(c,d)。根據(jù)此圖可以得出結(jié)論,運(yùn)行電壓等級(jí)的不同,tanδ有著很大的差別。如何基于現(xiàn)場(chǎng)tanδ測(cè)量對(duì)充油電纜進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估非常重要。
圖7 通過(guò)兩種不同充油電纜所得到的損耗因數(shù)的結(jié)果:a)-b)150kv電力電纜,長(zhǎng)度為850m,服役49年;c)-d)230kv電力電纜,長(zhǎng)度13314m,服役33年。
實(shí)驗(yàn)研究
為了支撐對(duì)現(xiàn)場(chǎng)損耗因數(shù)測(cè)量結(jié)果的解釋和分類(lèi),一個(gè)類(lèi)似于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的研究在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。研究的主要的目的是為了弄清楚現(xiàn)場(chǎng)tanδ測(cè)試結(jié)果的規(guī)律。
而且將實(shí)驗(yàn)室研究得到的規(guī)律應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試。圖8所示為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的思路與方法。研究的主要目的是為探討tanδ診斷應(yīng)用而制定決策支持模型?!鱰anδ與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系(在現(xiàn)場(chǎng)診斷時(shí)可能施加的電壓)和△tanδ與溫度關(guān)系(與電纜運(yùn)行負(fù)荷變化相關(guān)),兩者都是絕緣診斷的指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室研究在測(cè)試時(shí)施加在樣品上的電場(chǎng)強(qiáng)度的范圍為0.7kV/mm—6.1 kV/mm。對(duì)油浸絕緣熱老化樣品,△tanδ與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系的研究在恒定溫度下進(jìn)行,試驗(yàn)電壓換算成每單位標(biāo)稱電壓分別為0.09U0和0.84 U0,顯而易見(jiàn)tanδ與△tanδ都是與電纜運(yùn)行壽命息息相關(guān)的指數(shù)。將這兩個(gè)值進(jìn)行線性畫(huà)圖,在這里引入tanδ相對(duì)值,使用tanδ相對(duì)值的優(yōu)勢(shì)在于它能描述與運(yùn)行壽命的線性關(guān)系,并使計(jì)算簡(jiǎn)化,引入tanδ相對(duì)值的另外一個(gè)理由是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室研究所獲得的絕對(duì)值與具體樣品特性和實(shí)驗(yàn)條件有關(guān),而相對(duì)值的變化反映的是給定老化條件下的材料變化。實(shí)驗(yàn)室獲得的相對(duì)值與現(xiàn)場(chǎng)診斷獲得的值具有可比性。tanδ相對(duì)值的計(jì)算公式為:
狀態(tài)評(píng)估
狀態(tài)評(píng)估的最后結(jié)果應(yīng)被用于支持資產(chǎn)管的決策過(guò)程。特別是取決于對(duì)資產(chǎn)管理目標(biāo)信息的分析來(lái)描述電纜系統(tǒng)的實(shí)際情況,以便業(yè)主將其作為維修決策的數(shù)據(jù)輸入[6,13]。對(duì)于已經(jīng)服役并老化的電力電纜,損耗因數(shù)和測(cè)量電壓間的關(guān)系是電纜線路(充油電纜)的熱穩(wěn)定性非常有用的信息,如圖8-9所示。下列的范圍可以被考慮:
(1)電纜系統(tǒng)損耗可以被接受的水平是:在額定電壓U0下,tanδ小于0.25%,△tanδ小于0.1%
(2)電纜系統(tǒng)損耗略增的水平是:在額定電壓U0下,tanδ大于0.25%,但小于0.5%;△tanδ小于0.1%
(3)電纜系統(tǒng)損耗較高的水平是:在額定電壓U0下,tanδ大于0.5%,但小于0.8%;△tanδ小于0.3%
(4)電纜系統(tǒng)損耗處于危險(xiǎn)的水平是:在額定電壓U0下,tanδ大于0.8%;△tanδ大于0.3%。
對(duì)于服役并老化的充油電纜線路,熱老化是老化過(guò)程中最主要的過(guò)程[11,13]。老化的速度主要和溫度有關(guān)。而溫度依賴于電纜的負(fù)載,因此了解歷史負(fù)載的信息對(duì)于了解老化狀況非常重要。所以,如何讓電纜運(yùn)行而又不引起加速老化是很重要的一點(diǎn),換句話說(shuō),掌握電纜絕緣的真實(shí)狀況和運(yùn)行歷史(歷史負(fù)荷),讓電纜在某一時(shí)間段內(nèi)服役保持無(wú)故障是很重要的一點(diǎn)。
圖10所示為兩條分別服役35年和40年的電纜損耗因數(shù)診斷的分析。如果在服役一段時(shí)間后,負(fù)載增加,絕緣劣化會(huì)加劇,壽命會(huì)縮短。而增加負(fù)載后可用的服役時(shí)間是非常有用的信息。顯而易見(jiàn),基于對(duì)具有類(lèi)似運(yùn)行歷史的兩條電纜的損耗因數(shù)的分析,不同運(yùn)行壽命的電纜在未來(lái)不同負(fù)荷曲線下將產(chǎn)生不同的效果。
圖10 預(yù)期壽命同以往和未來(lái)負(fù)載的關(guān)系:a)服役35年,以往的平均負(fù)載為35%,tanδ約為0.5%,△tanδ約為0.3%;b) 服役40年,以往的平均負(fù)載為35%,tanδ約為0.2%,△tanδ約為0.1%。
結(jié)論
(1)絕大多數(shù)高壓電纜的絕緣是充油絕緣,這類(lèi)電力電纜可以由熱老化帶來(lái)的壽命消耗來(lái)表征。
(2)老化帶來(lái)絕緣熱性能和電性能的下降,這些性能的下降會(huì)影響熱穩(wěn)定性。如在未來(lái)不斷變化的負(fù)荷曲線情況下。
(3)評(píng)估油浸絕緣老化狀態(tài)的需求不斷增長(zhǎng),以獲得可接受的未來(lái)的負(fù)荷分布決策支持模型的開(kāi)發(fā)。
(4)損耗因數(shù)隨溫度的升高而升高表明熱不穩(wěn)定性的開(kāi)始。
(5)對(duì)于已運(yùn)行的線路,現(xiàn)場(chǎng)在高壓下測(cè)量運(yùn)行電纜的損耗可以采用交流阻尼電壓。
(6)損耗因數(shù)隨電場(chǎng)強(qiáng)度(現(xiàn)場(chǎng)診斷可測(cè)量的)的增加而增加表明電導(dǎo)率的增加和擊穿場(chǎng)強(qiáng)的下降。
(7)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)相結(jié)合對(duì)于研究tanδ與負(fù)載的關(guān)系以及低溫下的tanδ的變化值非常有效。
(8)由7所得到的信息可以被用來(lái)根據(jù)以往負(fù)載和老化情況來(lái)確定未來(lái)的負(fù)載狀況。
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