基于10kV XLPE电缆的绝缘老化诊断系统及方法

技术领域

本发明属于交联聚乙烯电缆绝缘老化分析与诊断技术领域，特别是一种基于10kV XLPE 电缆的绝缘老化诊断系统及方法。

背景技术

城市电网电缆化程度是衡量城市电网技术水平的重要标志，亦是促进城市文明化进程迅 速向前迈进、改善城市生活环境的必要手段。最近三十年来，国内外电力电缆各项技术迅速 发展，特别是三层共挤生产工艺制造XLPE电缆技术的发展，使得XLPE电缆与充油电缆相 比，有不需要供油设备、防火性能好、安装维护简单和机械电气性能好等优良性能，被越来 越多的国家所采用。目前许多大城市敷设的电缆几乎都是XLPE电缆。国内电网2007年10kV XLPE电缆使用量达到40000km，推算各行业使用量达到120000km，高压电缆中仅北京地区 共有220kV电缆线路64路164.1km，110kV电缆线路565路647.4km，国外以日本为例， 22kV等级及以上电缆中，XLPE电缆占电缆敷设总量的70%以上，且有逐年增加的趋势。另 外，高压XLPE电缆的价格非常昂贵，一次性投资费用比较大，电缆线路不易变动和分支。

近年来，随着城市现代化的发展，机组容量的不断增加，电力电缆在城网供电中所占的 份额加重，在一些城市的市区逐步以敷设电缆取代架空输电线路；同时随着电缆数量的增多 及运行时间的延长，以前敷设的XLPE电缆的老化故障频繁，造成绝缘击穿事故，甚至引起 部分电网停电，给生产和人民生活带来中断和诸多不便，造成重大的经济损失。据统计，由 水树枝老化造成XLPE电缆的绝缘击穿事故呈逐年上升趋势，水树枝已成为电力电缆安全运 行的重大隐患。国内城网10～35kV系统中，地下使用的普通XLPE电缆，普遍在运行8至12 年生长出大量水树，致使大量XLPE电缆发生因水树击穿造成的事故，寿命短，影响电网的 安全运行。目前，对于XLPE电缆的水树老化检测，国内外已提出了多种方法，主要有：直 流分量法、直流叠加法、交流叠加法、低频叠加法、介质损耗法和在线局部放电法等，且已 经开发了相应的检测装置。这些方法中，各种方法各有优缺点，都不能很好地反映电缆绝缘 的水树老化状态。近年来把水树作为老化诊断对象的离线诊断方法有交流激励式残留电荷法， 但其主要缺点是残留电荷释放速度慢，特征量不明显。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提出一种基于10kV XLPE电缆的绝缘老化诊断 系统及方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于10kV XLPE电缆的绝缘老化诊断系统，该系统包括有：含水树10kV XLPE电 缆、直流电源、高压脉冲电源及数据采集处理单元，含水树10kV XLPE电缆芯线的一端通过 导线分别连接开关S1、开关S2及开关S3的一端，开关S1的另一端连接直流电源，开关S2 的另一端接地，开关S3的另一端连接高压脉冲电源，在靠近此端的含水树10kV XLPE电缆 绝缘层外侧与地之间连接电阻R，在电阻R的两端连接数据采集处理单元，在靠近远离此端 的另一端的含水树10kV XLPE电缆绝缘层外侧与地之间连接开关S4。

而且，所述数据采集处理单元包括常规的高速数据采集卡，高速数据采集卡采集电压直 流分量信号后由计算机采用常规的数值积分方法处理进行时间积分运算，即可得到电压直流 分量信号对应的残留电荷量。

一种基于10kV XLPE电缆的绝缘老化诊断系统的方法，其特征在于该方法包括如下步 骤：

（1）对含水树10kV XLPE电缆施加负直流电压V_dc；即将开关S1和开关S4闭合，开关 S2和开关S3断开，对含水树10kV XLPE电缆施加负直流电压V_dc；

（2）将电缆的高压侧接地；即将开关S1和开关S3断开，开关S2和开关S4闭合，陷阱 电荷在接地放电过程中成为残留电荷；

（3）对含水树10kV XLPE电缆施加高压脉冲电压，即当开关S1、开关S2和开关S4断 开，开关S3闭合时，施加高压脉冲电压，同时通过数据采集处理单元采集电阻R上的电压 直流分量信号，并对电压直流分量进行时间积分运算，得到残留电荷量，

（4）根据残留电荷量判断含水树10kV XLPE电缆的水树老化程度。

而且，所述步骤（1）中负直流电压V_dc的大小及施加时间的设置为：对于投运时间在1-5 年内的10kV电力电缆进行检测时，负直流电压V_dc可设置为-5kV，施加时间5min，对于运 行时间在5年以上的10kV电力电缆，负直流电压V_dc可设置为-3.5kV，施加时间为2min。

而且，所述步骤（3）中施加的高压脉冲电压值，在对投运时间1-5年内的10kV电力电 缆进行检测时，高压脉冲电压值可设置为8kV，重复频率30Hz-50Hz，施加时间30s，脉冲群 间隔10s，脉冲群施加次数不超过5次；在对投运时间5年以上的10kV电力电缆进行检测时， 高压脉冲电压值可设定为5kV，重复频率10Hz-20Hz，施加时间15s，脉冲群间隔10s，脉冲 群施加次数5-8次。

而且，所述步骤（4）根据残留电荷量判断含水树10kV XLPE电缆的水树老化程度的具 体方法为：当第一组脉冲群作用后，释放电荷量若占测量结束时总残留电荷量的1/2以上， 可认为水树老化程度严重；若介于1/3～1/2之间，可认为中度老化；若小于1/3则认为老化程 度较轻。

本发明的优点和积极效果是

1、本发明通过施加脉冲群替代现有的交流激励技术，使残留电荷释放更容易，根据第一 组脉冲群作用后释放电荷的比率作为特征量进行判断，老化程度的区分更加明显。

2、本发明的脉冲式残留电荷法能够较好地鉴别XLPE电缆的水树枝老化程度，该方法 可应用于电缆的老化检测，属于一种非破坏性实验，能够较好地检测水树老化程度，并可根 据残留电荷释放速率提出预警，预防绝缘事故的发生。

附图说明

图1是本发明方法使用的实验电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的， 不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于10kV XLPE电缆的绝缘老化诊断系统及方法，该系统包括有：含水树10kV XLPE电缆、直流电源、高压脉冲电源及数据采集处理单元，如图1所示，含水树10kV XLPE 电缆芯线的一端通过导线分别连接开关S1、开关S2及开关S3的一端，开关S1的另一端连 接直流电源，开关S2的另一端接地，开关S3的另一端连接高压脉冲电源，在靠近此端的含 水树10kV XLPE电缆绝缘层外侧与地之间连接电阻R，在电阻R的两端连接数据采集处理单 元，在靠近远离此端的另一端的含水树10kV XLPE电缆绝缘层外侧与地之间连接开关S4， 该绝缘老化诊断方法的步骤包括：

（1）对含水树10kV XLPE电缆施加负直流电压V_dc；将开关S1和开关S4闭合，开关 S2和开关S3断开，对含水树10kV XLPE电缆施加负直流电压V_dc，负直流电压V_dc的大小 及施加时间均根据用户要求进行设置，如对于投运时间较短在1-5年内的10kV电力电缆进行 检测时，负直流电压V_dc可设置为-5kV，施加时间5min，如对于运行时间较长在5年以上的 10kV电力电缆，负直流电压V_dc可设置为-3.5kV，施加时间为2min。

（2）将电缆的高压侧接地；即将开关S1和开关S3断开，开关S2和开关S4闭合，电 缆的等效电容上的电荷、极化电荷和部分离子型电荷会释放出来，而在水树部分，尤其是水 树尖端仍会存在电荷，这部分电荷为陷阱电荷，在接地放电过程中不会释放出来，会在水树 部分存在很长时间，即残留电荷；

（3）对含水树10kV XLPE电缆施加高压脉冲电压，即当开关S1、开关S2和开关S4断 开，开关S3闭合时，施加高压脉冲电压，使水树部分的残留电荷释放出来，残留电荷在回路 中会在脉冲电流上叠加出直流分量，通过数据采集处理单元采集电阻R上的电压直流分量信 号，并对电压直流分量进行时间积分运算，得到残留电荷量，

（4）根据残留电荷量判断含水树10kV XLPE电缆的水树老化程度。

在本发明的具体实施中，所述数据采集处理单元采用常规的高速数据采集卡，仪器采集 电压直流分量信号后由计算机采用常规的数值积分方法处理进行时间积分运算即可得到残留 电荷量。

在本发明的具体实施中，所述施加的高压脉冲电压值，在对投运时间较短1-5年内的10kV 电力电缆进行检测时，高压脉冲电压值可设置为8kV，重复频率30Hz-50Hz，施加时间30s， 脉冲群间隔10s，脉冲群施加次数不超过5次；在对投运时间较长5年以上的10kV电力电缆 进行检测时，高压脉冲电压值可设定为5kV，重复频率10Hz-20Hz，施加时间15s，脉冲群间 隔10s，脉冲群施加次数5-8次。

在本发明的具体实施中，可根据残留电荷量的释放比率来判断10kV XLPE电缆的水树老 化程度，当第一组脉冲群作用后，释放电荷量若占测量结束时总残留电荷量的1/2以上，可 认为水树老化程度严重；若介于1/3～1/2之间，可认为中度老化；若小于1/3则认为老化程度 较轻。