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在线监测XLPE电缆水树老化状态过程中的安全保护

文档作者：朱义东余翔高建季宏梁红军郑晓泉文档来源： 1．西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 2．驻马店供电公司 3．西安交大科技园博源电气有限公司		点击数：	更新时间： 2025年02月21日
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2006年第5期
No．5 20o6
电线电缆
Electric Wire＆ Cable
2006年10月
Oct．，2006
在线监测XLPE电缆水树老化状态
过程中的安全保护
朱义东 ， 余 翔 ， 高 建 ， 季 宏 ， 梁红军 ， 郑晓泉
(1．西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安710049；
2．驻马店供电公司，河南驻马店463000；3．西安交大科技园博源电气有限公司，陕西西安710054)
摘要：介绍了叠加法交联聚乙稀(XLPE)绝缘电力电缆绝缘在线监测中的接地保护措施，包括放电管、大电流
放电间隙保护器、继电保护器等。对它们使用的特点，如动作时间、保护范围和通流能力等进行了分析和比
较。
关键词：交联聚乙烯绝缘电力电缆；水树；在线监测；接地；安全保护
中图分类号：TM247．1；TM206 文献标识码：A 文章编号：1672．6901(2006)05 0036—04
Protection for Online Monitoring of Water-Treeing in XLPE Cables
ZHU Yi—dong．et al
(Xi’an Jiaotong Umvemi~，State Key Laboratory of Electrical
Insulation for Electric Power Equipment，Xi’aJ1 710049，China)
Abstract：Several safety grounding measures used for the online monitoring of water-treeing in XLPE cables Using the voltage
supposition method，such as discharge tube，large-current discharge gap and relay pmtectlon，are presented．The operating
characteristics of these methods such as response time． scope of protection an d capability of current are an alysed an d
compared with．
Key words：XLPE po wer cab le；water-treeing；online monitoring；grounding；safety protection
1 引 言
利用叠加法进行交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力
电缆水树枝老化状态的在线监测，原理是将运行的
电缆屏蔽层接地线断开并接入测量仪器，通过测量
在线流过的微小直流电流(nA级)，来判断电缆水树
老化的严重程度，原理早已被大家所认识，本文不再
赘述。但无论在国内还是国外都没有得到较大范围
的推广，主要原因在于监测的过程中，需要对电缆接
地线进行安全保护，如果没有在保护上做得很到位，
在线监测反而给电力系统和企业、单位造成安全上
隐患。而随着当前电能的应用越来越普遍，对电力
设备，包括电缆运行稳定性的要求也越来越高，同时
负荷的增大必然导致XLPE电缆比以住老化速度更
快，而相关的研究表明，XLPE电缆的损坏的一个很
重要的因素便是水树老化，甚至最终引起电缆事
故¨。j。在这种情况下，我们开发了一套基于叠加法
收稿日期：2006．03．21
作者简介：朱义东(1982一)。男。辽宁葫芦岛人。硕士研
究生．
作者地址：陕西西安市咸宁西路28号[710049]．
原理的XLPE电缆绝缘在线监测系统，并针对安全
保护措施作了大量工作。
2 安全保护问题与要求
本系统通过计算机系统进行控制，可实现全自
动测量，测量装置见图1，图中A／D为数模转换；DSP
为数字信号微处理器；GPRS为基于中国移动通信网
的无线数据传输系统。绝大多数时间里，系统不测
量时，电缆屏蔽层接地线不断开而接地，即使此时电
缆出现故障也不会对人(或设备)造成危险，如图2a
所示，其中r为测量设备采样电阻。测量时，接地线
断开(如图2b所示)，这个时候如果一旦电缆发生如
电缆击穿，造成单相接地等故障时，会导致屏蔽层对
地电压很高，显然会给测量设备甚至人员安全造成
重大威胁，必须避免这种情况的出现。为此我们设
计了一套过电压保护装置，确保人员和设备的安全。
该装置可使图2b中1、2点间一旦发生电压过高时，
立即将1，2两点短路，恢复到如图2a所示的接地状
态。同时按实际工作需要实现了装置具有能耐受大
的接地电流的能力。
系统安装在变电站10 kV系统中，主变压器1O
kV侧绕组为△接法，采用专用接地变压器，产生人
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2006年第5期
No．5
电线电缆
Electric W ire＆ Cable
2006年10月
Oct．。
三相高压架空线
图1 测量装置整体框图
电缆屏蔽 电缆屏蔽
a) b)
图2 非测量(a)与测量(b)状态系统接地示意图
工中性点，并通过消弧线圈进行接地，为小电流接地
系统，通过消弧线圈的补偿，起到补偿故障点单相接
地电流的作用(规定10 kV系统，含架空线路的单相
接地故障电流大于10 A，并且需要在接地故障条件
下运行时应采用消弧线圈接地) J，能保证单相接地
时95％的相电压加到消弧线圈上，因此作为人工中
性点接人消弧线圈是非常合适。其原边采用z型结
线，以达到与消弧线圈配合的目的，其副边采用星形
结线，单相接地电流基本不会超过几十安培(30 A
以内)。但由于电缆在变电站站内，所以发生单相接
地事故的电流可能会比上述电流要大，所以我们所
设计的电流保护装置至少可以流过30 A以上的电
流才可能达到要求；而短路动作电压不能过高，否则
仍会对仪器和人员造成损伤。
3 保护措施
图3为系统的安全保护装置，其中保护与滤波
模块安装在测量单元的输入端，为低通滤波保护电
路，其主要功能：一是保证仪器设备和操作者在万一
发生电缆绝缘击穿事故时的安全，二是对XLPE电
缆进行直流成分法和直流叠加法进行绝缘监测时，
滤除交流电流干扰；在监测工频泄漏电流时，采用较
高频段带宽对交流电流进行滤波。下面我们对安全
保护部分的装置进行逐一说明。
图3 系统的安全保护部分
3．1 接地电容
接地电容是为了保证电缆在任何情况下都有可
靠的交流接地通路(同时直流对地为断路，满足测量
要求)。
该接地电容的大小一般是几十微法，对接地电
容的具体要求是耐压性能好、直流绝缘电阻大(R>
1000 MQ)，交流接地阻抗小。
3．2 快速熔丝(速熔保险)
快速熔丝用以保证人身及仪器的绝对安全的需
要。当电缆发生事故的时候，保护单元两端电压迅
速上升，在其它保护装置不动作的情况下，熔丝通过
的电流必然急剧增大，熔丝在毫秒级时间内快速熔
融并断路，自动断开测试回路。因为正常测量状况
下通过快速熔丝的电流非常小，所以我们在进行保
护部分的设置时采用的保险丝的容量很小，一般电
缆绝缘破损等事故的出现必然带来很大的电流，这
个比保险丝的允许通过电流将大很多倍，因此，能使
保险丝在数微秒的时间内迅速熔断。
3．3 陶瓷气体放电管
该系统采用的陶瓷气体放电管是国内市售的产
品，里面装有特殊电气材料，正常情况下管两端等效
电阻接近无穷大，当两端电压加到超过阀值电压(70
v左右)时，才发生放电，管子两端接近短路，起到降
低测量仪器两端电压的作用，保护了测量仪器和操
作人员的安全(参数见表1)。
表1 陶瓷气体放电管主要电气参数
① 测量时电压为直流25 Vo
3．4 自动保护开关
图4为自动保护开关电路工作原理图。从图4
可知，通过控制回路可以控制接地和测量回路的通
断。在测量过程中，如果发生意外情况，出现过电
压，继电器会迅速接地，保护仪器和人员安全。例
如，出现过电压时，该保护电路会自动控制主电路，
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No．5 20o6
电线电缆
Electric Wire＆ Cable
2006年10月
Oct．，2006
迅速实现“零电阻”硬接地，确保人员和仪器的安全，
但该装置缺点是动作时间稍长。
图4 自动保护开关电路工作原理
3．5 大电流接地放电间隙
以上保护装置动作比较灵敏，但遇到电缆单相
(测量相)接地时候(流过接地线的故障电流至少为
几十安培)，可能会因为电流过大导致装置彻底烧坏
并失去保护作用，这样就会导致测量仪器两端所加
的电压很高，对设备和人员造成威胁。在装置的改
进过程中我们自行制作了一种简单可行的大电流放
电间隙。而这里的放电间隙不同于高压防雷所用的
放电间隙，因为必须要在间隙两端电压不是很高的
情况下(100 V以内)发生放电，正常状况下绝缘电
阻即要足够大，不会影响到测量数据的准确性，并有
意将装置间隙两端铜导体的截面积选取较大(通流
能力优于电力系统中相应的接地铜扁线)，以能通过
上百安培的电流，然后再通过接地线接地。因此我
们所研制的大电流放电间隙，能保证在电缆单相绝
缘击穿情况，即使屏蔽层电压迅速升高的情况下，也
能顺利进行屏蔽的接地，避免造成重大危险。该装
置一般这样的动作的机会非常小，但一旦动作后，需
要停电换新。
图5 锋利刀片状-平板电极放电模型
大电流放电间隙利用有锋利刀刃电极(曲率半
径很小)和一个平板电极，通过特殊工艺在其电极间
夹紧薄膜绝缘材料，再通过有机材料浇注封装制成，
压紧的电极间由于尖端效应，在很小的电压下就可
以发生放电并击穿中间绝缘材料，产生一个放电通
路，在电流过大的时候，绝缘材料会进一步烧穿，但
由于电极宽度足够大，其通流能力就可以达到很大。
其计算模型如图5所示。通常，锋利刀刃电极和平
板电极之间的电场可以简化成经典的圆柱对大平面
的电场模型。
· 38 ·
根据文献[4，5]可知，这个电极之间形成的最大
电场强度发生在圆柱体的最靠近平面的一处，其大
小约为：
U 9 ，．、
max ■ ×一10 l
’In 。。。。。。。。——
r
式中，E一为电极间最大场强(kV／mm)；U为加在电
极之间的工频电压(kV)；r为圆柱电极的曲率半径
(mm)；d为圆柱电极到平板电级最小距离(mm)。
当场强均匀系数P=(r+d)／r接近1的时候，
圆柱体和平面电极间的平均电场和最大电场的比值
均匀系数非常接近，约为0．8左右，几乎可以看成是
均匀电场，并以此来考虑薄膜的击穿问题。而事实
上，如果在间隙间夹一层微米级厚度的绝缘薄膜，则
在计算薄膜的击穿电压的时候，可以认为薄膜上加
的电场为均匀电场，并以此来简化计算。我们在实
验中使用的薄膜的厚度大约为几个微米，而圆柱电
极的曲率半径大约为几十个微米，相对来说薄膜厚
度比较小，这种简化是合理的。
通过显微镜观察刀刃电极的锋利程度，可以测
量其尖端的曲率半径的大小。原理是在同样的条件
下同时观测记录一根已知直径的均匀金属针来进行
对比而获得刀刃曲率半径的大小，如图6所示。
图6 显微镜F对比观察电极曲率
图6中，针的直径经过螺旋测微器测量为0．35
mm，电极曲率半径约为10 m。再根据薄膜的厚度
和耐击穿强度来估算薄膜的工频击穿电压。我们通
过实验已经验证了击穿电压和平板电极边缘的曲率
半径(即不同的锋利程度)的关系，同时通过改变参
数能将击穿电压控制在100 V左右，而击穿后的电
阻接近零。但一些具体的参数仍需要大量实验验证
后才能得到成熟应用。
此外，本系统需要对运行中的电缆的导体上叠
加24 V的低压直流电源，我们利用三相电压互感器
来实现这个要求，而一旦电压互感器出现高低压两
侧间短路等问题，电缆线芯上的高压就有可能烧毁
直流叠加电源，甚至与直流叠加源供电的交流220 V
电源直接相连，对站内交流220 V系统造成威胁。
(下转第41页)
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电线电缆
Electric Wire&amp;amp; Cable
2006年lO月
Oct．．20o6
所规定任何电气连接方法，但事后应修补绝缘，保证
接续处的绝缘强度并实现密封，防止潮气浸入。
(2)若在田边林旁遇不可回避的接续亦应引出
地表。引出管若处于无依靠的野外时应采用钢管，
并做适宜的安全可靠性防护，防止人触畜撞。
(3)线路上如需要铝线与铜线接续时，应选用
铜铝双金属接续头，不得用两线直接接续。当铝线
要接入任何电器(如开关、电度表等)铜端子时，应先
用铜铝双金属直接头接入一段铜线，再使铜线与铜
端子相接。导体截面较小时，也可以用一段截面相
当的铜线与铝线直接接续，后将铜线接入电器的铜
端子，这样运行中可能出现的故障被转移到铝铜线
的接续处，避免了烧伤电器上的铜端子。
5 结束语
实现任何目的的途径一般都不是唯一的和不可
改变的。对农用直埋电缆产品性能、结构的开发和
改进是市场经济条件下满足客户需求和期望的技术
(上接第38页)
为此采用了专门的电压互感器保护用的0．5 A
熔断器，串联在互感器高压侧来保证安全，此时需将
叠加电源单元进行充分接地，以达到更好的保护作
用。电压互感器和附加保险的安装见图7。
图7 电压互感器和附加保险的安装
4 结 论
通过分析，交流电容可以起到基本的开通交流
及隔绝直流的作用，但是其交流阻抗也较大，不能保
证系统直接接地；放电管动作较为灵敏，但通流能力
不强；大电流保护器动作反应能力相对较慢；继电保
进步，然而敷设及接续找不到科学的、实用的、经济
的方法必然会制约产品的推广应用。本文仅是对其
敷设及接续浅识的论述。
农用直埋电缆线路具有造价低、少维修、易管
理、利环保的优势。这一切都必需依赖优势的产品
质量和合理的、高质量的施工来共同保证。
参考文献：
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缆，2006，(1)：1-3．
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绝缘塑料护套电线[S]．
[5] Q／WTL 11．1-2000(备案号4601100．22-2000)，额定电压lkV及
以下农用直埋电缆[S]．
[6] 印永福．电线电缆手册(第三册)[M]．北京：机械工业出版社，
2o02．
护设备特点位于两者之中。如果能把各个保护措施
综合使用，优势互补，则对几十伏到上万伏的电压都
能起到降压作用；通流能力也可以达到几百安培；快
速反应时间仅为数毫秒，这样就完全可以满足应用
的要求。目前已将上述装置安装在驻马店电业局辖
区某变电站，至今运行情况良好，但还需要更长时间
的考验。
参考文献：
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冯慈璋，马西奎．工程电磁场导论[M]．北京：高等教育出版社，
2o00．

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