电气自动化毕业论文-煤矿6kv电缆对地绝缘参数检测技术的研究

电气自动化毕业论文-煤矿6kv电缆对地绝缘参数检测技术的研究内容摘要：

，甚至造成树枝状放电或直接贯穿性击穿，导致电缆出现故障。 另外，在大气过电压和电力系统内部过电压的作用下，使电缆绝缘层击穿，形成故障，这种情形下击穿点一般是由于存在材料缺陷。 (3)护层的腐蚀。 由于地下酸碱腐蚀、杂散电流的影响，使电缆铅包外皮受到腐蚀出现麻点、开裂 或穿孔，致使水分进入电缆也可以造成故障。 电力电缆故障的分类方法比较多，通常有以下几种方法： (1)从故障形式上可分为串联与并联故障。 串联故障是指电缆一个或多个导体 (包括铅、铝外 皮 )断开；并联故障是指导体对外皮或导体之间的绝缘下降，而不能承受正常运行电压。 导体断路往往是电缆故障电流过大而烧断的，这种故障一般伴有并联接地或相间绝缘下降的情况。 实际发生的故障绝大部分是单相对地绝缘下降故障。 电缆故障点可用 图 21 所示 的电路来等效。 Rf 代表故障点处绝缘电阻， G 是击穿电压为 Ug的击穿间隙， Cf 代表局部分布电容，上述 3个数值随不同的故障情况变化很大，并且相互之问并没有必然的联系。 间隙击穿电压 Ug的大小取决于放电通道的距 离，电阻 R 的大小取决于电缆介质的碳化程度，电容 C 的大小取决于电缆绝缘材料的 性质和故障点受潮的程度，数值很小，一般可忽略。 13 图 21 电缆故障等效电路图 [8] (2)根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻、高阻与闪络性故障。 ①开路 (断路 )故障：电缆的各线芯绝缘良好，但有一芯或数芯导体断开。 具体表现为电缆相间或相对地绝缘电阻达到所要求的范围值，但工作电压不能传送到终端，或终端有电压，但负载能力很差 (低压脉冲测试时，故障有反射且反射波与发射波同相 )。 ②低阻绝缘故障：按照过去工程惯例，凡是电缆故障点的残余绝缘电阻小于 10倍电缆特性阻抗的电缆绝缘 故障称为低阻绝缘故障。 有时把故障点残余绝缘电阻接近零的故障称为短路故障 (低压脉冲测试时，故障有反射且反射波与发射波反相 )。 ③高阻故障：按照过去工程惯例，把电缆故障点的残余绝缘电阻大于 10 倍电缆特性阻抗的故障均称为高阻故障 (低压脉冲测试时反射不明显 )。 ④闪络性故障：试验电压升至某值时，泄漏电流突然升高，监视泄漏电流的表针间歇性摆动。 电压稍下降时，此现象消失，但电缆绝缘仍有极高的阻值。 闪络性故障多是在进行预防性试验时发生，并多出现于电缆中间接头或终端头内。 绝缘老化的原因及类型 对于固体绝缘材料在使用一 定的年限以后，绝缘性能都会呈现一定程度的劣化，这被称为“绝缘老化”。 这些损坏和劣化主要是由于机械力的作用、热的作用、电场的 作用、化学腐蚀等因素综合作用产生的。 由于绝缘层的介质损耗，可能造成电缆过热，进而加速了绝缘层老化。 电缆过负荷或散热不良，安装于电缆密集区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处的电缆，穿在干燥管中的电缆以及与热力管道接近的电缆，都会因过热而使绝缘加速老化。 绝缘材料老化的表现主要有绝缘电阻下降、介质损耗增大等，对老化了的绝缘材料进行显微观察，可以发现树枝状结构存在。 绝缘材料的老化原因是多样的、复 杂的，最具代表性的主要有 :热老化、机械老化、电压老化等。 [9] 热老化 热老化指的是绝缘介质的化学结构在热量的作用下发生变化，使得绝缘性能下降的 14 现象。 热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化，所以热老化也被称为化学老化。 一般情况下，化学反应的速度随着环境温度的升高而加快。 用于绝缘的高分子有机材料会在热的长期作用下发生热降解，主要是氧化反应，这种反应也被称为自氧化游离基连锁反应，如聚乙烯的氧化反应就是从 CH 键中 H 的脱离开始的。 热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减 少，但是最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。 例如 ,XLPE 材料被认为当拉伸率从初始的 400%～ 600%降低到 100%时寿命终止。 [9] 一般地区，大气的温度对热老化的作用不明显，炎热高温的地区作用相对大些，但不是主要因素，热老化主要是电力设备自身产生的比较大的热量所致，如电能损耗、局部放电等引起的较大的温升。 为了防止绝缘材料被氧化，减缓连锁反应的速度，一般都是采用添加抗氧化剂的方法。 聚乙烯的抗氧化剂常使用苯酚系化合物，其主要作用是提供 H，与氧化老化连锁反应中产生的 ROO 结合，以阻止连锁反 应继续进行。 大量实践经验的积累表明绝缘材料的热老化寿命与温度的关系服从 Arrhenius 定律，即式 : （ ） f(T):表示老化状态的物理量 ； EA:引起老化所必须的能量； T:热力学温度； fC, k:常数，式中 ,fC, k 和 k 由材料的特性决定。 由上式可以看出 T 越高，对材料的绝缘要求也越高，相同绝缘材料的使用寿命成指数下降。 热氧化老化是热和空气中氧长期联合作 用所引起的一种老化形式。 由于应用中的绝缘材料大部分都是要和空气接触 (空气中氧对氧化机理有很大影响 )，热氧化老化是有机绝缘材料老化的一种主要形式，习惯上又称为热老化。 机械老化 机械老化是固体绝缘系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发生的老化。 这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷，这些微小的缺陷随着时间的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化，形成微小裂缝并逐 渐扩大，直至引起局部放电等破坏绝缘的现象，这种现象也被称为“电 机械击穿”。 它对绝缘老化的速度有很大的影响。 电老化 电老化指的是在电场长期作用下，电力设备绝缘系统中发生的老化。 电老化机理很复杂，它包含因为绝缘击穿产生的放电引起的一系列物理和化学效应。 一般可以用绝缘( ) e x p ( )Ac Ef T f kT 15 材料的本征击穿场强表示绝缘材料耐强电场的性能。 各种高分子材料的本征击穿场强都在 MV/cm 的数量级。 但是，实际中绝缘材料的绝缘击穿强度比本征击穿强度要小很多。 这其中的原因是多种的，比如厚度效应、杂质的混入、制造时产生的气孔、材料的不均匀形成的凸起产生的电极效应等等。 总之，本征击穿强度表征的是理想情况下材料的击穿场强。 [9] 固体绝缘材料的绝缘击穿机 理主要有以下两种理论 : (1).达到一定电场时，电子数量急剧增加，使得绝缘材料遭到击穿破坏，由于击穿破坏的主要原因是电子，因而称为“电击穿” ； (2).在绝缘体上加上电压后，有微电流通过，由这一电流产生的焦耳热导致材料击穿破坏， 这被称为“热击穿”。 此外，还有上文提到的“电 — 机械击穿”，也是原因之一。 和热老化寿命类似，绝缘材料的电老化寿命 t与电场强度 E的关系满足“ n 次方法则”，如式 2. 2 所示： （ ） 前已提及，介质电老化的主要原因是介质中的局部放电。 固体介质耐受局部放电的性能是有差别的，例如有机高分子聚合材料的短时击穿场强很高，但因耐受局部放电的性能差，因此长时间击穿场强并不高。 在绝缘设计时必须将工作场强选得比局部放电起始场强低，以保证电气设备有足够长的寿命。 其它类型 其它类型还包括光氧化，臭氧氧化，生物氧化，高能辐射氧化等。 当然绝缘老化是电场、热、机械力、环境 (水分、阳光等 )等众多因素综合作用的结果，是一个非常复杂的过程，在推算绝缘材 料使用寿命时应该尽量综合以上因素考虑。 绝缘介质在电场作用下的 特性 绝缘介质在电场作用下， 会呈现出极化、电导、损耗等其它重要特性。 任何不同的绝缘材料，都可以认为是置于电极之间的电介质，并呈现电介质的特性，极化现象就是其一。 极化是指置于电场中的电介质，沿着电场方向产生偶极矩、在电介质表面产生束缚电荷的现象。 根据形成极化机理的不同，介质极化可以分为以下四种 : （ 1）电子和离子的位移极化；（ 2） 热离子位移极化 ；（ 3） 偶极子极化 ；（ 4） 夹层极化。 * nt k E 16 电导 对于理想绝缘介质而言，不 含任何自由的带电粒子，电导率 ζ 等于 0，介质是不导电的。 但是实际上， ζ 总会呈现一个很小的值，就是说，介质中有少量自由的带电粒子存在。 带电粒子在电场的作用下会定向运动，形成微弱的电流，这就是平时所说 的 绝缘漏电流。 介质中的载流子一般是自由离子，它们来源于介质本身，也有的来自外部杂质。 外部温度越高，分子热运动就越剧烈，对自由离子的约束也越小，形成的电导电流越大，这一点和金属的导电特性是完全相反的。 此外，介质在外加高压电场的作用下，会形成一定程度的电离，使得载流子数目增多， ζ 下降。 当然，介质受潮后 ζ 也会下降。 表征 电导的参数是电导率 γ，在高电压工程中一般常用电阻率 ρ（ ρ=1/γ）来表征介质的绝缘电阻。 电介质电导主要是离子电导，其电导随温度的变化规律与属于电子电导的金属材料是相反的。 损耗 绝缘介质在电场的作用下会产生电能的损耗，这些损耗主要来自以下三个方面 ：（ 1）电导损耗 ；（ 2） 极化损耗 ；（ 3） 游离损耗。 [9] 如 图 22 所示， 介质两端施加交流电压 U 时，由于介质中有损耗，所以电流 I 不是电容电流，而是包含有有功和无功两个分量 Ir 和 Ic。 图 22 介质在交流电压作用下的电流相量图 由 图 23所示，介质在交流电压作用下的功率三角形可见，介质损耗 P=Qtanδ=U2ωCtanδ （ ） 17 图 23 介质在交流电压作用下的功率三角形 用介质损耗 P 表示介质品质好坏是不便的，因此 P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难以相互比较，所以改用介质损失角的正切 tanδ（介质损失角 δ 是功率因数角 θ 的余角）来判断介质的品质。 tanδ 同 εr 一样，是仅取决于材料的特 性而与材料的尺寸无关的物理量。 有损介质可用电阻、电容的串联或并联等效电路来表示。 如果损耗主要是电导引起的，则常用并联等效电路；如果损耗主要由介质极化及连接导线的电阻等引起，则常用串联等效电路。 绝缘介质的吸收现象 许多电气设备的绝缘都是多层的，多层介质的特性可以粗略地用双层介质来分析，如下图 24所示。 18 图 24（ a） 双层介质的等效电路 图 24(b) 吸收曲线 C C2介质 2 的等效电容 R R2介质 2 的绝缘 电阻 当开关 Q 合上，直流电压加到绝缘介质上后，电流表 A 的读数变化 如图 24(b)中曲线所示。 直流电压加上瞬间，电流很大，回路电流主要由电容电流分量组成。 而加压时间很久之后，电容 C1 和 C2 相当于开路，回路电流为泄露电流 Ig，此时 Ig 取决于绝缘电阻R1 与 R2 之和，这就出现了由最初的电容电流到最终的泄露电流之间的过渡过程。 当试品电容量较大时，这一过渡过程进行得很慢，甚至达数分钟或更长。 图 24(b)中 阴影部分的面积为绝缘在充电过程中逐渐“吸收”的电荷 Qa。 这种逐渐“吸收”电荷的现象叫作“吸收现象”，对应的电流 Ia 称为吸收电流。 它是由于介质中偶极子逐渐转向，并沿电场方向排列而产生的。 [9] 当开关合上时，绝缘两端突然有一个很大的电压变化，在极短的时间内（ t=0+）介质上的电压按电容分压，此时 （ ） （ ） 当达到稳态后，介质上的电压将按电阻分压，此时回 路电流 （ ） 而 （ ） （ ） 由 t=0+至电压达到稳态一般有一个过渡过程，例 如，当式（ ）中 U1 比式（ ）中的 U1 小时，在过渡过程中 C1 要放电，同时 C2 要进一步充电。 这个过渡过程的快慢取决于时间常数 η 2112CUUCC 1212CUUCC 12gUII RR 1112RUURR 2212RUURR  19。