毕业论文-电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究.doc

CHENGNAN


COLLEGE


OF


CUST

毕业设计（论文）

题目：电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究

学生姓名：


学

班

专

号：

级:

业：


电气工程及其自动化

指导教师：


2011 年 6 月

电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究

学生姓名：


学

班


号：

级：


所在院(系):

指导教师：

完成日期 :


电气与信息工程系

周力行

2011 年 6 月 7 日

毕业设计（论文）任务书

电气与信息工程


学院 电气工程及其自动化 专业


班

题


目


电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究

任务起止日期：2011 年 2 月 20


日～ 2011 年


6


月 20


日

学 生 姓 名




学 号


指 导 教 师

教研室主任



2011 年 2 月 20 日审查

院

长

2011 年 2 月 23 日批准

一、毕业设计（论文）任务

课题内容

本课题在熟悉电力电缆绝缘常规试验与检测方法的基础上，掌握水树概念及水

树枝放电现象及其放电机理，根据故障类型提出相应的在线监测方法，提出电缆故

障定位方法，具体内容如下：

⑴ 分析电缆故障的原因、故障性质和分类；

⑵ 电缆故障常规试验内容和原理，电力电缆故障点的测距方法；

⑶ 电缆故障测试中误差分析；

⑷ 深刻理解水树放电机理，根据水树枝引起的 XLPE 绝缘老化特征，提出有效

的电缆绝缘在线检测及诊断方法；

⑸设计电力电缆在线检测系统，对故障检测波形分析算法进行仿真。

课题任务要求

⑴ 分析电缆故障的原因、故障性质和分类；

⑵ 电缆故障检测与故障测距方法；

⑶ 提出有效的电缆绝缘在线检测及诊断方法；

⑷设计电力电缆在线检测系统，对故障检测波形分析算法进行仿真。

总结课题，完成毕业设计论文的写作，并通过毕业论文答辩。

课题完成后应提交的资料（或图表、设计图纸）

1. 论文文档（纸质）；

2. 论文文档（电子版）；

3. 相关仿真计算程序、图纸等。

主要参考文献与外文翻译文件（由指导教师选定）

[1]

[2]

[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]

李卫国、屠志健. 电气设备绝缘试验与检测[M]. 北京：中国电力出版社, 2006：132～
136，165～170.
王伟，李云武. 交联聚乙烯（XLPE）绝缘电力电缆技术基础[M]. 西安：西北工业大学出
版社, 2005.
李景禄. 高电压技术[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2007.
肖登明. 电力设备在线监测与故障诊断[M]. 北京：中国电力出版社, 2005.
蔡丹宙. 交联电缆绝缘热线诊断的一些问题[J]. 电网技术, 1997： 154～156.
周志成等. 交流叠加法带电测试 XLPE 电缆绝缘性能的研究[M]. 2005 40～41.
王昌长、李福祺. 电力设备的在线检测与故障诊断[M]. 北京：中国电力出版社， 1996.
鹿洪刚. 35KV 电力电缆在线故障测距仿真研究[J]. 电网技术, 2008： 19～22

同组设计者

注：1. 此任务书由指导教师填写。如不够填写，可另加页。
2. 此任务书最迟必须在毕业设计（论文）开始前一周下达给学生。
3. 此任务书可从教务处网页表格下载区下载

二、毕业设计（论文）工作进度计划表

注：1. 此表由指导教师填写；
2. 此表每个学生人手一份，作为毕业设计（论文）检查工作进度之依据；
3. 进度安排请用“一”在相应位置画出。序
号
毕 业 设 计（论 文）工 作 任 务
工 作 进 度 日 程 安 排
周
次
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
1
阅读资料，分析电缆故障的原因、故障性质和分
类；了解电缆故障常规试验内容和原理，电力电
缆的测距方法。

2
翻译英文文献、写出开题报告。

3
理解水树放电机理，分析水树枝引起的XLPE 绝缘
老化特征，提出有效的电缆绝缘在线检测方法。

4
初步设计电力电缆在线检测系统。

5
对故障检测波形分析算法进行仿真。

6
总结所做工作，撰写论文。

7

8

9

三、学生完成毕业设计（论文）阶段任务情况检查表

注：1. 此表应由指导教师认真填写。阶段分布由各学院自行决定。
2. “组织纪律”一档应按《长沙理工大学学生学籍管理实施办法》精神，根据学生具体执行情况，如实填写。
3. “完成任务情况”一档应按学生是否按进度保质保量完成任务的情况填写。包括优点，存在的问题与建议
4. 对违纪和不能按时完成任务者，指导教师可根据情节轻重对该生提出忠告并督促其完成。时间
第 一 阶 段
第 二 阶 段
第 三 阶 段
内容
组织纪律
完成任务情况
组织纪律
完成任务情况
组织纪律
完成任务情况
检
查
记
录

教师
签字
签字 日期
签字 日期
签字 日期

四、学生毕业设计（论文）装袋要求：

1. 毕业设计（论文）按以下排列顺序印刷与装订成一本（撰写规范见教务处网页）。

(1) 封面

(3) 毕业设计（论文）任务书

(5) 英文摘要

(7) 正文

(9) 致谢

(11) 附件 1：开题报告（文献综述）

(2) 扉 页

(4) 中文摘要

(6) 目录

(8) 参考文献

(10) 附录（公式的推演、图表、程序等）

(12) 附件 2：译文及原文影印件

2. 需单独装订的图纸（设计类）按顺序装订成一本。

3. 修改稿（经、管、文法类专业）按顺序装订成一本。

4.《毕业设计(论文)成绩评定册》一份。

5．论文电子文档[由各学院收集保存]。

学生送交全部文件日期

学生（签名）

指导教师验收（签名）

电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究

电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究

摘 要

随着电网的发展和扩大，电缆在电力系统中应用越来越广泛。但是，电缆一旦发生

故障，查找困难,延迟恢复供电，为了保证电缆运行安全和快速诊断、修复故障，对电

缆进行故障诊断与监测具有重要意义。

本课题论述了电缆线路故障发生的原因及其特征，电缆线路故障的分类，电缆线路

故障判断的一般步骤与方法，电力电缆故障离线检测；电力电缆在线测距进展等。电力

电缆离线故障测距技术已经基本成熟，但是电力电缆在线故障测距技术还不成熟。本课

题通过对电力电缆故障测距的常用方法及新的故障测距技术进行系统分析和比较，实现

电力电缆的在线故障测距。

关键词： 电力电缆；绝缘；故障检测；在线检测

电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究

POWER CABLE FAULT DETECTION AND DIAGNOSIS

Abstract

With the development and expansion of network, cable in the power system more and

more widely. However, the cable in the event of failure to find difficulties, delayed

resumption of power supply cables in order to ensure the safe operation and rapid diagnosis,

and repair faults on the cable fault diagnosis and monitoring of great significance.

This topic discusses the causes of cable failure and characteristics of the cable line fault

classification, cable line fault to determine the general steps and methods, off-line power

cable fault detection; power cable-line distance, including the progress. Off-line power cable

fault location technology has matured, but the power cable line fault location technology is

not mature. Through this project the common power cable fault location fault location

methods and new technology analysis and comparison of systems to achieve power cable fault

location online

Key words: Power cable; Fault location; Detection; Diagnosis

电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究

目 录

1 绪论 .................................................................. 1

1.1 课题背景及目的 ..................................................... 1

1.2 本文的研究内容..................................................... 2

2 电力电缆绝缘结构与其故障............................................... 3

2.1 电力电缆绝缘结构 ................................................... 3

2.2 电力电缆线路故障原因 ............................................... 3

2.2.1 机械损伤....................................................... 3

2.2.2 绝缘受潮 ....................................................... 4

2.2.3 绝缘老化 ....................................................... 4

2.2.4 过电压 ......................................................... 4

2.2.5

过热 ......................................................... 5

2.2.6 产品质量缺陷................................................... 5

2.2.7 设计不良 ....................................................... 5

2.3. 电力电缆故障类型及分类 ............................................ 5

2.3.1 接地故障 ....................................................... 6

2.3.2 短路故障 ....................................................... 6

2.3.3 断线故障 ....................................................... 6

2.3.4 闪络性故障 ..................................................... 6

2.3.5 混合性故障 ..................................................... 6

3 电力电缆绝缘预防性试验 ................................................ 6

3.1 绝缘电阻测量 ....................................................... 7

3.2 直流耐压试验 ....................................................... 7

3.3 泄漏电流试验 ....................................................... 8

3.4 其它试验方法 ....................................................... 8

3.4.1 残余电压法 ..................................................... 8

3.4.2 反向吸收电流法 ................................................. 9

电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究

4 电力电缆绝缘老化 .................................................. 10

4.1 电缆绝缘老化原因 .................................................. 10

4.1.1 电老化 ........................................................ 10

4.1.2 热老化 ........................................................ 10

4.1.3 机械老化 ...................................................... 11

4.1.4 环境老化 ...................................................... 11

4.2 绝缘老化主要表现----树枝化 ........................................ 11

4.2.1 电树枝 ........................................................ 11

4.2.2 水树枝 ........................................................ 12

5

电力电缆故障在线检测方法 ............................................ 13

5.1 直流分量法........................................................ 13

5.2 直流叠加法........................................................ 14

5.3 交流叠加法........................................................ 14

5.4 差频法............................................................ 15

6 电力电缆的故障测距与定点方法 ......................................... 17

6.1 确定故障性质 ...................................................... 17

6.2 粗测距离.......................................................... 17

6.2.1 经典法（电桥法） .............................................. 17

6.2.2 现代法（脉冲反射法） .......................................... 19

6.2.3 低压脉冲反射法 ................................................ 19

6.2.4 脉冲电压法 .................................................... 20

6.2.5 脉冲电流法 .................................................... 20

6.2.6 二次脉冲法 .................................................... 21

6.3 探测路径或鉴别电缆 ................................................ 22

6.4 精测定点.......................................................... 22

6.4.1 声测定点法 .................................................... 22

6.4.2 听测方法 ...................................................... 23

6.4.3 感应法 ........................................................ 24

电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究
6.5 裸露电缆故障的特殊定点方法 ........................................ 25

6.5.1 局部过热法 .................................................... 26

6.5.2.偏芯磁场法.................................................... 26

6.5.3、跨步电压法................................................... 26

6.6 电力电缆外护层绝缘故障的测寻 ...................................... 27

6.6.1 测距............................................................ 27

6.6.2 定点............................................................ 28

6.7 低压电力电缆故障探测 .............................................. 29

6.8 超高压电力电缆故障的探测 .......................................... 29

7 电力电缆故障仿真 ..................................................... 32

7.1 电力系统仿真软件介绍 .............................................. 32

7.2 电缆故障检测波形算法仿真 .......................................... 33

7.2.1 短路性故障仿真 ................................................ 33

7.2.2 开路性故障仿真 ................................................ 34

7.2.3 首段及其附近故障点的仿真 ...................................... 36

7.3 电缆故障波形仿真 .................................................. 37

7.3.1 短路性故障叠加波形仿真 ........................................ 37

7.3.2 开路性故障叠加波形仿真 ........................................ 38

8 结论 ................................................................. 39

参考文献 ............................................................... 40

致谢................................................................... 41

电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究

1


绪论

1.1 课题背景及目的

随着社会经济的发展和现代化建设步伐的加快，工农业以及人民生活的用电量日益

增加，对电力的需求量越来越大，要求电网的安全运行也越来越高。而作为连接各种电

气设备、传输和分配电能的电力电缆，已经逐渐取代了架空线的位置。

电力电缆是在电力系统中用于传输和分配电能的电缆。电力电缆是导体外包有优质

绝缘材料，并有各种保护层的电缆。它的主要功能与架空导线一样，在电力系统中传输

和分配大容量的电用能。与架空线的区别是电力电缆可在各种环境下敷设，安全隐蔽、

不受外界气候变化的干扰；以及可以较少维护，经久耐用（一般要求 40 年以上）。但

电力电缆的结构比较复杂，制造工序多，产品价格要比较空导线高出几十倍；因此一般

应用不适应采用架空线路的场合，如城市中暑配电线路和工矿企业的动力引入与厂区的

主干电力线路中；以及跨越江河铁路战场，贯穿地下隧道等。实际上电力线路是架空导

线与电力电缆共同组成的，架空导线侧重于产生电源的输、变、配电部分，而电力电缆

侧重使用于配电、用电端，因此，中低压电力电缆的生产量占 98％以上。

电力电缆经常用作发电厂、变电所以及工矿企业的动力引入（或引出）线，当线路

在过江、过近海、过铁路处，也常采用电力电缆。电力电缆与架空线路相比，优点是受

气候的影响小，安全可靠，隐蔽耐用，但成本较高。
1957 年美国 GE 公司率先开发了交联聚乙烯（XLPE）电力电缆，1959 年和 1960 年

日本的住友公司和昭和公司采用美国专利，也先后研制出这种电缆。随后北欧的瑞典等

国，以及法国、意大利等也先后开发了这项技术 XLPE 电缆。上世纪 80 年代末，沈阳电

缆厂用 2+2 悬链工艺制造出我国第一根 100KV 交联电缆，90 年代初，上海电缆厂开始用

立式交联土艺生产 110KV 交联电缆，郑州电缆（集团）股份有限公司在试制成功 110KV

交联电缆后，1996 年首次用立式全干法工艺生产的 220KV 交联电缆通过两部鉴定，填补

国内空白，相继已有十一多条生产线具备冶，获交联电缆的生产条件。实际上国内高压

交联电缆的应用还要超前于电缆的制造。可以说高压交联电缆的批量使用促进了制造行

业的技术进步，而制造技术和工艺装备的发展又不断满足了电力工业的需要。目前，国

产 110KV 和 220KV 高压交联电缆的制造技术已基本接近当代世界先进水平。在进一步加

强企业内部管理，稳定产品质量，合理选择电缆种类和参数，提高与整个线路相关的技
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电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究
术水平的前提下，高压交联电缆线路的安全性、可靠性、经济性就会不断提高。XLPE

电缆以其良好的性能，成为各种电压等级的主要电缆产品。目前 XLPE 电缆已被广泛使

用于中高压配电线路中，并且随着城网改造的深入发展，呈现出快速增长的趋势。

随着电缆数量的的增多以及运行时间的延长，电缆故障越来越频繁。根据国家电网

2003 年的的运行经验表明，随着电网改造进入一定的阶段，电缆运行了一定的年限，故

障率有逐年升高的趋势。2002 年电缆故障跳闸率为 2.90 次/百公里年，2003 年电缆故

障跳闸率为 3.21 次/百公里年。电缆发生故障时，由于埋在地下，查找比架空线困难，

若故障测距不准，电缆路径不清楚，耽误了大量时间，造成无法估量的损失。2005 年某

供电局军区的电缆出现故障，造成连续两次停电，造成了一定政治影响。

传统的电缆绝缘老化的诊断方法有绝缘电阻试验，直流耐压泄漏电流试验，介质损

耗角正切试验，局部放电试验，耐压试验，直流放电试验，残余电荷等方法。以上传统

方法，统称为离线检测方法，其共同缺点是要求在停电状态下试验。而随着社会对电力

需求的日益增大和电气设备规模的扩大，尤其是现代大型计算机的发展，要求尽量减少

停电次数，甚至不能停电。这就要求供电部门能在运行状态下对电缆的绝缘状态进行预

测，保证电缆的可靠运行，避免突发性停电事件。显然，这种在运行状态下对绝缘老化

的检测(称为在线检测)具有很大的优越性，它不但可以保证了供电的连续性，同时由于

它检测到的实验数据是设备运行状态下的信息，因而更具有合理性。所以，这就注定了

电力电缆，以及其它各种电气设备(包括变压器、电机等)的在线检测是今后绝缘老化诊

断技术的发展方向。

1.2 本文的研究内容

本课题在熟悉电力电缆绝缘常规试验与检测方法的基础上，理解水树概念及水树枝

放电现象及其放电机理，根据故障类型提出相应的在线监测方法，提出电缆故障定位方

法，具体内容如下：

⑴ 分析电缆故障的原因、故障性质和分类；

⑵ 电缆故障常规试验内容和原理，电力电缆的测距方法；

⑶ 电缆故障测试中误差分析；

⑷提出有效的电缆绝缘在线检测及诊断方法；

⑸设计电力电缆在线检测系统，对故障检测波形分析算法进行仿真。

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电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究

2


电力电缆绝缘结构与其故障

2.1 电力电缆绝缘结构

通常电力电缆是由导电线芯、绝缘、护套、屏蔽层、铠装等几部分组成，如图 1,

电力电缆的导电线芯常用铜或铝；电缆的绝缘和护套常用有机绝缘材料，如粘性油纸、

橡胶、塑料、交联聚乙烯等，对于更高电压等级的电缆，可以采用充油或充气绝缘；电

缆的屏蔽层常用半导电材料，在电缆中起到均匀电场的作用；电缆的铠装是为了保护电

缆的绝缘免受外力的损伤，常用钢带、钢丝铅套、铝套等作电力电缆的铠装。

1-导线；2-导线屏蔽层；3-交联乙烯绝缘；
4-绝缘屏蔽层；5-保护带；6-铜线屏蔽；
7-螺旋铜带；8-塑料带；9-中心填芯；
10-填料；11-内护套；12-扁钢带铠装；
13-钢带；14-外护套
图 2.1 电力电缆结构示意图
如今油纸绝缘电缆已经逐步退出运行，橡塑绝缘电缆使用量逐年增加，特别是交联

聚乙烯电缆，由于其电气性能和耐热性能都很好，传输容量较大，结构轻便，易于弯曲，

附件接头简单，安装敷设方便，不受高度落差的限制，特别是没有漏油和引起火灾的危

险，因此受到用户的广泛欢迎。

2.2 电力电缆线路故障原因

2.2.1 机械损伤

机械损伤类故障比较常见，所占的故障率最大，约为 57%，其故障形式比较容易识

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电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究
别，大多造成停电事故。

（1） 安装时损伤：在安装时不小心碰伤电缆，机械牵引力过大而拉伤电缆，或电

缆过度弯曲而损伤电缆；

（2） 直接受外力损伤：在安装后电缆路径上或电缆附近进行城建施工，使电缆受

到直接的外力作用；

（3） 行驶车辆的震动或冲击性负荷会造成地下电缆的铅（铝）包裂损；

（4） 因自然现象造成的损伤：如中间接头或终端头内绝缘胶膨胀而胀裂外壳或电

缆护套因电缆自然行程使装在管口或支架上的电缆外皮擦伤；因土地沉降引

起过大拉力，拉断中间接头或导体。

2.2.2 绝缘受潮

（1） 电缆中间头或终端头密封工艺不良或密封失效；

（2） 电缆制造不良，电缆外护层有孔或裂纹；

（3） 电缆护套被异物刺穿或被腐蚀穿孔。

2.2.3 绝缘老化

电缆绝缘长期在电和热的作用下运行，其物理性能会发生变化，从而导致其绝缘强

度降低或介质损耗增大而最终引起绝缘崩溃为绝缘老化。运行时间特别久（30～40 年以

上）的则称为正常老化，而年份较短则为绝缘过早老化，其主要原因为：

（1） 电缆选型不当，只是电缆长期在过电压下工作。

（2） 电缆线路周围靠近热源，使电缆局部或整个电缆线路长

期受热而过早老化。

（3） 电缆工作在与电缆绝缘起不良化学反应的环境中而过早老化。

2.2.4 过电压

电力电缆因雷击或其它冲击过电压而损坏的情况在电缆线路上并不多见。一般情

况下，3～4 倍的大气过电压或操作过电压对于绝缘良好的电缆不会有太大的影响。从现

场事故分析得知，这些击穿点往往早已存在较为严重的某种缺陷，雷击仅是较早的激发

了它，其缺陷主要有：

（1） 绝缘层内含有气泡、杂质或绝缘油干枯。

（2） 电缆内屏蔽上有节疤或遗漏。

（3） 电缆绝缘已严重老化。
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电力电缆绝缘试验与故障检测方法研究
2.2.5 过热

电缆过热有很多的因素，近几年的统计主要为以下原因：

（1） 电缆长期过负荷工作。

（2