10kV交联聚乙烯电缆水树枝老化检测系统

摘要

本发明涉及一种10kV交联聚乙烯电缆水树枝老化检测系统，该系统包括：10kV交联聚乙烯待测电缆，所述10kV交联聚乙烯待测电缆外部绝缘层接地，电缆芯线与开关模块输入端S0连接，开关模块输出端分为S1、S2、S3及S4四端，在S1端与地之间连接直流电源单元，S2端直接接地，在S3端与地之间连接重频脉冲单元，在S4端与地之间连接由交流方波单元串接检测电阻R的电路，在检测电阻R两端连接微电流仪，微电流仪通过串行总线与计算机连接。本发明可更彻底的将由重复频率脉冲诱导出的预脱陷电荷转变成泄漏电流，使测量结果更真实的反映水树枝老化程度。

说明书

技术领域

本发明属于交联聚乙烯电缆绝缘老化检测装备技术领域，特别是一种10kV交联聚乙烯 电缆水树枝老化检测系统。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，电力行业、供电及用电企业自动化建设和改造在不断发展完 善，人们对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻的要求。城市电网的电缆化程度是衡量城市 电网技术经济水平的重要标志，也是促进城市文明化进程和改善人类生活环境的重要手段。 近年来，交联聚乙烯绝缘电力电缆已在国内各大城市获得广泛应用，其安全性也备受重视。

交联聚乙烯电力电缆的故障发展过程通常需要较长的时间，而长期老化的结果最终会导 致电缆击穿。国际上，日本有关部门曾对1963年到1979年的6.6kV电压等级交联聚乙烯电 力电缆的事故原因进行了较为全面的调查分析。结果发现：1970年以前敷设的电缆事故较多， 而附件中的故障总体分布比较均匀。从使用时间看，运行8年后电缆事故激增。从事故种类 看，水树、自然老化和浸水可占总事故比例的50%。于是，可以看出，若去除由于终端、接头 不良等早期故障和外力破坏事故，水树枝老化是引发电缆事故的主要原因。1968年，直埋式 交联聚乙烯电缆绝缘中发现“水树枝”，此后人们一直没有停止过水树枝引发、生长机理、结 构特性的相关研究。近年来，由水树枝老化导致的交联聚乙烯电缆绝缘击穿停电事故呈逐年 上升态势，水树枝现象已经成为电力电缆安全运行的重大隐患，这迫使人们不断加强开展水 树枝检测和老化评估工作。此外，随着新技术的涌现，特别是有关绝缘中空间电荷测量技术 及研究成果，将水树枝机理及检测技术推向新阶段。

水树枝是指在交联聚乙烯绝缘中存在缺陷、微孔和水分的前提下，由于缺陷或微孔处的 电场畸变，会导致在较低的电压下出现的材料降解现象，引发水树枝。水树枝的生长十分缓 慢，但伴随水树枝生长，水树枝尖端的电场将严重畸变，局部高电场强度最终会导致水树枝 尖端产生电树枝。电树枝形成即可造成电缆绝缘层在短期内被击穿。电力系统中发生过交联 聚乙烯电力电缆在线路遭到雷击后短时间即发生击穿停电事故，其原因即为在水树枝尖端有 不同程度的电树枝出现。当水树枝生长到一定程度时，恰遇到电力线路遭到雷击，大气过电 压会在水树枝尖端形成较大瞬态电流，此电流在树枝中的损耗造成水树枝微孔内水分温度的 急剧上升甚至气化，产生较大压力会使水树枝尖端处的交联聚乙烯分子链断裂引发电树枝。 雷电流导致含水树枝电缆绝缘层在短时间内即可能击穿。可见水树枝的引发和不断生长是交 联聚乙烯电力电缆绝缘老化的最重要原因之一，针对交联聚乙烯电缆开展水树枝老化检测与 评估，对于保障电力系统安全具有重要意义。

从微观结构上看，交联聚乙烯电缆绝缘在运行过程中所形成的水树枝基本是由沿电场方 向排列的一系列含水微孔组成，微孔之间可由更细微的微小通道相连。微孔尺寸约为零点几 到几微米数量级。微孔之间的细微通道尺寸更小，可达到几十纳米以下。在外加电场作用下， 水树枝表现出许多特殊的物理特性，也成为水树枝检测的基础。目前，水树枝检测的方法已 有直流分量法、直流叠加法、介质损耗法、接地电流法、交流叠加法、低频叠加法、谐波分 量法、电致发光法和残留电荷法多种。其中，残留电荷法由于设备结构简单、特征量明显、 测量结果重复性高而受到了广泛的关注。

残留电荷法利用了水树枝的非线性电阻特性，即当外施电压升高到一定阈值时，水树枝 的等效电阻减小，此时对应的泄漏电流值会陡然增大。残留电荷法意在测量由水树枝俘获的 “残余”的电荷量，并依此评估水树枝老化的程度。其实现方法为：首先，通过直流电压向 电缆绝缘充电，此时，空间电荷会注入水树枝内；其次，将导体接地一定时间，使浅层电荷 泄漏掉；之后，再施加交流三角形波，使水树枝呈现非线性电阻特性，同时通过精密电流测 量仪测量泄漏电流波形，经过积分可计算得到残余的电荷量。此电荷量越高，表明电缆水树 枝老化程度越严重，反之则老化程度较轻。

尽管残留电荷法有诸多优点，但是其在应用是问题依然很多。其中，由于残留电荷泄放 速度较慢，导致测量时间长的问题尤为突出。欲使残留电荷法更好的发挥作用，应当试图开 发一种可使残余电荷加快泄漏的办法。

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10kV交联聚乙烯电缆水树枝老化检 测系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种10kV交联聚乙烯电缆水树枝老化检测系统，该系统包括：10kV交联聚乙烯待测电 缆、开关模块，重频脉冲单元、直流电源单元、交流方波单元、检测电阻、微电流仪及计算 机单元，所述10kV交联聚乙烯待测电缆外部绝缘层接地，电缆芯线与开关模块输入端S0连 接，开关模块输出端分为S1、S2、S3及S4四端，在S1端与地之间连接直流电源单元，S2 端直接接地，在S3端与地之间连接重频脉冲单元，在S4端与地之间连接由交流方波单元串 接检测电阻R的电路，在检测电阻R两端连接微电流仪，微电流仪通过串行总线与计算机连 接。

而且，当所述开关模块的S0与S1接通时，所述直流电源单元用以向待测10kV交联聚乙 烯电缆绝缘注入电荷，直流电源的负直流电压V_dc的大小及施加时间为：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设置为-3.5kV，施加时间为2min。

而且，当所述开关模块的S0与S3接通时，所述重频脉冲单元用以向注入电荷的电缆绝 缘施加与所加直流电压异极性的重复频率脉冲；此重复频率脉冲为低压脉冲，对于投运时间 5年以内的电缆，此低压脉冲的频率为50-100Hz,幅值为2kV，施加时间为60s；对于投运时 间5年以上的电缆,此低压脉冲的频率为30-50Hz，幅值为1kV，施加时间为60s。

而且，当所述开关模块的S0与S4接通时，所述交流方波单元串接检测电阻R的电路接 通，交流方波单元用以将预脱陷电荷彻底释放，形成泄漏电流，并通过检测电阻R送至微电 流仪,对于投运时间5年以内的电缆，此交流方波单元输出的交流方波的频率为150Hz，幅值 为12kV，施加时间为60s；对于投运时间5年以上的电缆，此交流方波电源输出的交流方波 的频率为150Hz，幅值为8-10kV，施加时间为60s。

而且，所述微电流仪用以对释放电荷形成的电流进行测量，微电流仪采用Keithley6514 型微电流仪，工作时参数设置为采样率0.1s，最低量程档(10^-15A)。

而且，在所述开关模块与计算机之间进一步连接有开关控制单元，该开关控制单元具体 可采用MSP430单片机实施，该开关控制单元植入四选一控制程序，其输出端与开关模块的 触发端连接，该开关控制单元的输入端与计算机的串行接口连接，通过在计算机内对MSP430 控制逻辑及延时时间进行控制，由开关控制单元对直流充电时间、重复脉冲预激励、交流方 波激励序列进行控制。

本发明的优点和积极效果是

（1）利用了与水树枝老化程度相关的空间电荷释放量作为评价水树枝老化程度的特征参 量，可直观反映老化程度。

（2）通过预加重复频率脉冲，可使更多被深能级陷阱束缚电荷释放，使得测量的特征量 更明显，对老化程度的区分度更好，测量过程大为缩短。

（3）通过施加交流方波电压波形，可更彻底的将由重复频率脉冲诱导出的预脱陷电荷转 变成泄漏电流，使测量结果更真实的反映水树枝老化程度。

（4）上位机分析软件功能强大，包含数据库和分析模块，可查阅历史信息并从各个角度 分析局部放电特征，并进行模式识别。

（5）完全数字化显示，界面更直观、简洁，功能全面。

（6）与现有检测技术相比，本发明检测安全、迅速、准确，便于工作人员操作。水树枝 老化特征量更加明显，易于诊断。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为重复频率脉冲波形示意图；

图3为交流方波示意图。

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10kV交联聚乙烯电缆水树枝老化检测系统，如图1所示，该系统包括有：10kV交 联聚乙烯待测电缆、开关模块，重频脉冲单元、直流电源单元、交流方波单元、检测电阻、 微电流仪及计算机单元，所述10kV交联聚乙烯待测电缆外部绝缘层接地，电缆芯线与开关 模块输入端S0连接，开关模块输出端分为S1、S2、S3及S4四端，在S1端与地之间连接直 流电源单元，S2端直接接地，在S3端与地之间连接重频脉冲单元，在S4端与地之间连接由 交流方波单元串接检测电阻R的电路，在检测电阻R两端连接微电流仪，微电流仪通过串行 总线与计算机连接。

在本发明的具体实施中，当所述开关模块的S0与S1接通时，所述直流电源单元用以向 待测10kV交联聚乙烯电缆绝缘注入电荷，直流电源的负直流电压V_dc的大小及施加时间均根 据电缆使用情况而定，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，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。

在本发明的具体实施中，当所述开关模块的S0与S3接通时，所述重频脉冲单元用以向 注入电荷的电缆绝缘施加与所加直流电压异极性的重复频率脉冲，诱发被水树枝俘获电荷释 放；此重复频率脉冲为低压脉冲，如图2所示，对于投运时间较短的电缆(5年以内)，此低 压脉冲的频率为50-100Hz,幅值为2kV，施加时间为60s；对于投运时间较长电缆(5年以上), 此低压脉冲的频率为30-50Hz，幅值为1kV，施加时间为60s。

在本发明的具体实施中，当所述开关模块的S0与S4接通时，所述交流方波单元串接检 测电阻R的电路接通，交流方波单元用以将预脱陷电荷彻底释放，形成泄漏电流，并通过检 测电阻R送至微电流仪,如图3所示，对于投运时间较短的电缆(5年以内)，此交流方波单元 输出的交流方波的频率为150Hz，幅值为12kV，施加时间为60s；对于投运时间较长的电缆 (5年以上)，此交流方波电源输出的交流方波的频率为150Hz，幅值为8-10kV，施加时间为 60s。

在本发明的具体实施中，所述微电流仪用以对释放电荷形成的电流进行测量，微电流仪 采用Keithley6514型微电流仪，工作时参数设置为采样率0.1s，最低量程档(10^-15A)。

在本发明的具体实施中，所述计算机内部安装有专用的Excel-link软件和常规的Matlab 软件，该Excel-link软件对微电流仪采集的采样率、存储位置进行设置，最终可以通过Matlab 对电流信号积分获得残留电荷量结果。

在本发明的具体实施中，在所述开关模块与计算机之间进一步连接有开关控制单元，该 开关控制单元具体可采用MSP430单片机实施，该开关控制单元植入四选一控制程序，其输 出端与开关模块的触发端连接，该开关控制单元的输入端与计算机的串行接口连接，通过在 计算机内对MSP430控制逻辑及延时时间进行控制，由开关控制单元对直流充电时间、重复 脉冲预激励、交流方波激励序列进行控制。