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        高壓電纜緩沖層交、直流電阻測試與絕緣屏蔽燒傷研究

        2021-01-12 10:50:24劉曉東劉培鎮(zhèn)
        機(jī)電工程技術(shù) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:護(hù)套屏蔽絕緣

        劉曉東,劉培鎮(zhèn)

        (廣州南洋電纜有限公司,廣州 511356)

        0 引言

        高壓電纜憑借其良好的電氣性能,廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)之中[1-2]。電纜的緩沖層位于絕緣屏蔽層與金屬護(hù)套之間,對電纜電氣與絕緣性能的穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用[3-4]。

        由于電力電纜普遍敷設(shè)于地下,因此電纜內(nèi)部容易受到水分的侵襲,水分的進(jìn)入可能會導(dǎo)致電纜的主絕緣內(nèi)部出現(xiàn)水樹,這將加速絕緣的老化[5]。針對這種情況,電纜內(nèi)部應(yīng)當(dāng)設(shè)計相應(yīng)的阻水結(jié)構(gòu)。在電纜的阻水結(jié)構(gòu)中,半導(dǎo)電緩沖阻水帶(簡稱“緩沖層”)發(fā)揮了重要的阻水作用。但是,調(diào)研發(fā)現(xiàn),有大量的電纜本體故障是因?yàn)榫彌_層燒蝕引起的[6-7]。針對這種情況,許多學(xué)者從緩沖層的間隙特征[8]、緩沖層的結(jié)構(gòu)與性能[9]以及相關(guān)理化分析[10]等方面,對緩沖層的燒蝕現(xiàn)象進(jìn)行了分析與研究,但目前暫無完善的理論對此現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)解釋,所以對電纜線路的正常運(yùn)行留下了隱患。

        基于上述問題,本文從緩沖層電阻特性的角度出發(fā),對故障和正常情況下的緩沖層交、直流電阻變化規(guī)律進(jìn)行了研究。通過對故障電纜進(jìn)行解剖,對故障現(xiàn)象進(jìn)行了觀察與分析。此外,本文設(shè)計了相關(guān)試驗(yàn),測量了電纜緩沖層的交、直流電阻,并對正常與故障電纜的電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比與分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)分析能為評估電纜絕緣屏蔽燒傷的原因提供參考。

        1 電纜結(jié)構(gòu)和故障現(xiàn)象

        1.1 電纜結(jié)構(gòu)

        電纜結(jié)構(gòu)如表1 所示;示意圖如表2所示。

        表1 電纜結(jié)構(gòu)

        圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

        1.2 故障現(xiàn)象

        在對故障電纜進(jìn)行解剖的過程中,發(fā)現(xiàn)了以下現(xiàn)象:

        (1)將電纜的纜芯從鋁護(hù)套中抽出,觀察發(fā)現(xiàn),半導(dǎo)電緩沖層阻水帶表面有阻水粉析出,且半導(dǎo)電緩沖阻水帶表面存在燒蝕痕跡,如圖2(a)所示;

        (2)鋁護(hù)套內(nèi)表面存在燒蝕痕跡,燒蝕位置均位于鋁護(hù)套波谷處,如圖2(b)所示,此外,鋁護(hù)套內(nèi)表面的燒蝕位置與緩沖層的燒蝕位置相對應(yīng);

        (3)拆下半導(dǎo)電緩沖阻水帶,在與緩沖層燒蝕痕跡對應(yīng)的位置處,絕緣屏蔽層的表面也存在燒蝕痕跡,如圖2(c)所示。

        圖2 電纜緩沖層間燒傷

        2 試驗(yàn)裝置與方法

        為了掌握在不同情況下電纜緩沖層交、直流電阻的變化情況,設(shè)計并實(shí)施了如圖3所示的電阻測量試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備主要包含:TDGC2-0.5K 調(diào)壓變壓器、電力測量分析儀HIOKI 3196、單相交流數(shù)顯智能電流電壓組合表和UT208 數(shù)字鉗式萬用表。各設(shè)備的參數(shù)如下所述:TDGC2-0.5K調(diào)壓變壓器的輸出電壓為AC 0~250 V,輸出電流為AC 0~2 A,工作頻率為50 Hz;單相交流數(shù)顯智能電流電壓組合表的電壓測量范圍為AC 0~500.0 V,電流測量范圍為AC 0~5.000 A,精度等級為0.5級。

        在測量交流電阻的試驗(yàn)中,由調(diào)壓變壓器的輸出端引出2個電極,并將2個電極分別與鋁護(hù)套和絕緣屏蔽層相連接,單相交流數(shù)顯智能電流電壓組合表和電力測量分析儀的電壓端子并聯(lián)在鋁護(hù)套與絕緣屏蔽層上,電流端子串聯(lián)在試驗(yàn)回路中。在試驗(yàn)中,記錄的數(shù)據(jù)包括電極兩端的電壓U,回路的電流I 以及功率W。則交流電阻可由計算公式R=P/ I2計算,回路的功率因數(shù)可由計算公式cosφ=P/(U·I)計算。

        在測量直流電阻的試驗(yàn)中,將電壓表調(diào)至電阻測量檔,萬用表的兩極分別接在鋁護(hù)套和絕緣屏蔽層上,萬用表的讀數(shù)則為緩沖層的直流電阻。

        圖3 試驗(yàn)裝置回路

        圖4 日本HIOKI 公司3196電力測量分析儀

        3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測試依據(jù)說明

        本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)由日本HIOKI公司的3196 電力測量分析儀測得,通過交流電阻(阻抗)的計算公式計算得出。如圖4所示,3196 電力測量分析儀廣泛應(yīng)用于電氣試驗(yàn)室的測試項(xiàng)目,可測量交流電壓、交流電流、有功/無功/視在功率、功率因數(shù)、有效功率量、無效功率量、頻率、諧波等電氣數(shù)據(jù),依據(jù)的電力測量質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 1159。

        此外,在試驗(yàn)中,通過添加單相交流數(shù)顯智能電流電壓組合表,實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的雙路測量,確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,并通過對2種設(shè)備測量結(jié)果取平均值的方式,減小試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。

        4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        在測量故障電纜的交、直流電阻的試驗(yàn)中,制作了4 段故障電纜試樣,其長度均為1 m。其中,試樣1、2、3中只有半導(dǎo)電緩沖阻水帶纏繞在絕緣屏蔽表面,而試樣4中的半導(dǎo)電緩沖阻水帶表面還纏繞有金布。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2~3所示。

        表2 故障電纜絕緣屏蔽與鋁套之間交直流電阻測試數(shù)據(jù)

        表3 故障電纜施加電壓前后的實(shí)測直流電阻

        在調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器的輸出電壓過程中有如下現(xiàn)象發(fā)生:

        (1)試樣1 電流升到400 mA時開始出現(xiàn)泄漏電流,并伴有白煙和焦燒味;

        (2)試樣2電流升到300 mA時開始出現(xiàn)泄漏電流;

        (3)試樣3 電流升到290 mA時開始出現(xiàn)泄漏電流,并伴有白煙和焦燒味。

        故障電纜試樣緩沖層交流電阻的變化趨勢如圖5所示。

        圖5 故障電纜交流電阻變化曲線圖

        從故障電纜交、直流電阻測量試驗(yàn)的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論。

        (1) 對于電纜試樣1、2 和3(只含有半導(dǎo)電緩沖阻水帶) 而言,絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的交流電阻均大于200 Ω,而對于故障電纜試樣4(含有半導(dǎo)電緩沖阻水帶和金布)而言,其交流電阻要小于前3個電纜試樣,說明金布的存在能使絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的接觸狀態(tài)更加良好。

        (2)絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的交流電阻會隨著承受電壓的增大而減小,結(jié)合試驗(yàn)中出現(xiàn)白煙和燒焦氣味的現(xiàn)象,推測該現(xiàn)象出現(xiàn)的可能是因?yàn)榻^緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的電壓過大,導(dǎo)致了二者之間電場強(qiáng)度超過空氣的擊穿場強(qiáng),進(jìn)而引發(fā)了空氣放電現(xiàn)象,空氣放電現(xiàn)象會導(dǎo)致緩沖層局部溫度升高。此外,電壓的增大引起電流的增大,這導(dǎo)致緩沖層與鋁護(hù)套接觸位置發(fā)熱量的增大,進(jìn)而引起緩沖層局部溫度升高。局部溫度升高使緩沖層受熱膨脹,此時緩沖層與鋁護(hù)套之間的接觸會更加緊密,所以,交流電阻會出現(xiàn)減小現(xiàn)象。

        (3)施加電壓后,直流電阻的測量結(jié)果出現(xiàn)了明顯變小的現(xiàn)象,原因是在施加交流電壓時,局部溫度升高,使得緩沖層與鋁護(hù)套之間的接觸狀態(tài)變得更加良好,所以,再次對直流電阻測量時,直流電阻會出現(xiàn)減小現(xiàn)象。

        在測量正常電纜的交直流電阻時,制作了3根長度為1 m的正常電纜試樣,規(guī)格均為630 mm2、額定電壓為64/110 kV。試樣1 繞包半導(dǎo)電緩沖阻水帶后外徑與鋁套內(nèi)徑之間存在2 mm 的間隙,接觸不良;試樣2 繞包半導(dǎo)電緩沖阻水帶后外徑與鋁套接觸較緊密,無間隙;試樣3繞包半導(dǎo)電緩沖阻水帶后外徑大于鋁套內(nèi)徑2 mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線圖如表4~5和圖6所示。

        表4 正常電纜絕緣屏蔽與鋁套之間交直流電阻測試數(shù)據(jù)

        由正常電纜試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,正常電纜試樣的交、直流電阻測量結(jié)果的變化規(guī)律與故障電流試樣的變化規(guī)律相似。但是,正常電纜試樣的交、直流電阻遠(yuǎn)小于故障電纜;緩沖層與鋁護(hù)套之間的間隙越大,交、直流電阻的測量結(jié)果均越大。

        圖6 正常無問題電纜交流電阻變化曲線圖

        表5 正常電纜施加電壓前后的實(shí)測直流電阻

        5 結(jié)束語

        通過本文的研究,得到以下參考結(jié)論:

        (1)當(dāng)電纜發(fā)生緩沖層缺陷時,緩沖層的交、直流電阻均會增大;

        (2)在絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間施加過大的電壓,可能會導(dǎo)致緩沖層局部過熱和放電現(xiàn)象的發(fā)生,此過程會使緩沖層的交、直流電阻變小,但可能會損傷絕緣屏蔽層、緩沖層和鋁護(hù)套;

        (3)對于相同規(guī)格的電纜而言,電纜緩沖層與鋁護(hù)套之間的間隙越大,絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的交、直流電阻均越大;在設(shè)計電纜時,應(yīng)適當(dāng)增加緩沖層的厚度,以減小因交、直流電阻過大對電纜正常運(yùn)行造成的影響。

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