电力电缆漏电流检测.pdf

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1、第一章绪论 2 1.1 研究背景 . 2 1.2 电力电缆漏电流检测重要性 3 1.3 测试注意事项 错误！未定义书签。 1.4 本文的研究内容 4 第二章 原理分析 4 2.1 在线检测 tg的电桥法： 4 2.2 电压跟随器 8 第一章绪论 1.1 研究背景 随着我国城市电网改造和升级的计划的实施，使得电力电缆越来越多的应用 于各种电压等级的输电线路和配电网中。据不完全统计，已投入运行的110kV 及以上的高压电缆线路达数百公里，而35kV 及以下电压等级多达50 万公里之 多，最高电压等级已达500kv。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。 电力电缆的导电线

2、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。电力电缆按导电线芯的数量和形状 可分为：单芯结构、三相圆芯电缆、三相扇形电缆、四芯扇形电缆等在电力系统 中常将电力电缆按绝缘材料分为：油纸绝缘电缆、橡塑绝缘电缆、充油电缆、充 气电缆等。其中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近年来已经成为中高压输电系统中的主

3、要品种。 泄漏电流的检测是考核电缆电气性能优劣的一项重要指标,其测试目的是为了鉴 别电缆绝缘的品质和发现绝缘中的缺陷。当被测试样的导电线芯与绝缘层外金属 护套之间加上直流电压时,会有微量泄漏电流Iv 从导线 ,经绝缘层流向金属护套 (屏蔽接地层 ),这种电流称为电缆的泄漏电流。与其相对应的绝缘体积电阻(或绝 缘电阻 )Rv=U/Iv 。因此,电缆的绝缘电阻越小 ,其泄漏电流越大 ,说明其绝缘性能越 差。电缆在实际运用中 ,如果泄漏电流过大 ,电缆输送的工作电流会减小,损耗会增 大。这将会使绝缘发热损耗 ,既限制了电缆的载流量 ,又加速了绝缘的老化 ,最终造 成电缆热或电击穿。因此,电缆的泄漏电

4、流是考核电缆绝缘的电气性能重要指标 之一,电缆制造厂通常以绝缘电阻的指标来加以考核。根据国家标准 GBJ23282 “电气装置安装工程施工及验收规范”的规定:电缆长度为 250m,其泄漏电流 Iv 50A;三相泄漏电流的不平衡系数不大于2(即任意二相的泄漏电流之比)。电 线电缆制造厂一般按国家产品标准 GB1297691的规定 :只对电缆的绝缘电阻进行测试,并以绝缘电阻值作为考核指 标,而对产品的泄漏电流及其不平衡系数均不作规定。从上述可知,使用部门在电 缆线路开通之前都要进行泄漏电流试验,而电缆制造厂的产品出厂试验却只对其 绝缘电阻进行测量和考核。 1.2 电力电缆漏电流检测重要性 电缆是电

5、力系统中使用最为广泛的设备，在各类电气事故波及的设备中， 与电缆 有关的占了几乎50%，其中大部分又是因为泄漏电流会导致供电末端会抬高电 压，对绝缘有影响。 还有对地短路保护的要求高损坏所致。高压电力电缆在区域 间传输大量电能的重要作用， 是国民经济的动脉， 人们对的它的绝缘检测非常重 视，已经做了很多研究。在我国随着经济的发展，人们生活水平的提高，居民、 厂矿用电量近几年在飞速的增加， 但是对人们对低压配电网绝缘状况的监测却还 没得到足够的重视， 并因此造成了相当的人员伤亡和财产损失，给人民群众的生 产、生活带来了很大的负面影响。其中，由于低压电缆老化引起的火灾、触电等 安全事故在厂矿、企业

6、、住宅区尤其多见。据统计，19922001年我国共发生 电气火灾18.3 万余起，电气火灾年平均起数占火灾年平均总起数的26%， 年均 损失占火灾损失的36%，其中 2001 年发生电气火灾30594 起，是 1992 年的 2.7 倍。在这些电气火灾中， 由于电气绝缘所引起的火灾又占近50%。很多电气 重特大火灾令人触目惊心， 如 1999 年 12 月 19 日发生的呼和浩特宾馆特大火 灾就是因电气线路短路所致。 而据发达国家资料介绍， 英国每年电气火灾起数占 火灾总起数17%以下，日本为13%以下，美国为10%以下。此外，在我国不论 是对于电力电缆还是对于低压配电网，正在应用当中的漏电流

7、检测技术多是停电 状态下进行的预防性试验， 在线式检测技术还没有得到充分的重视。因此，为了 更加准确、 可靠、方便的测量到反映电缆安全系统劣化程度的特征量，及早发现 隐患，避免事故的发生， 不断研究先进的漏电流在线检测技术和开发出合适的漏 电流检测装置是十分必要和迫切的。 在测量时我们还要注意一下几点： 1、在工作温度下测量泄漏电流时，如果被测电器不是通过隔离变压器供电，被 测电器应彩绝缘性能可靠的物质绝缘垫与地绝缘。否则将有部分泄漏电流直接流 经地面而不经过泄漏电流测试仪，影响测试数据的准确性。 2、泄漏电流测量是带电进行测量的，被测电器外壳是带电的。因此，试验人员 必须注意安全， 各式各样

8、试验室应制订安全操作规程，在没有切断电流前， 不得 触摸被测电器。 3、应尽量减少环境对测试数据的影响，测试环境的温度、湿度和绝缘表面的污 染情况，对于泄漏电流有很大影响，温度高、湿度大，绝缘表面严重污染，测定 的泄漏电流值较大。 1.4 本文的研究内容 电力电缆漏电流会导致供电末端会的电压抬高，而且对绝缘有影响。还有对地短路保护 的要求高损坏所致。 第二章 测量原理分析 在线检测 tg的电桥法： 在直流电场作用下， 由于介质没有周期性的极化过程，介质中的损耗仅仅由电导 引起。 在交流电压下，除了电导有耗损之外， 还纯在于周期性的极化而引起的能量损耗， 因此血药介入行的物理量加以描述。 回路电

9、流 Cr III， 视在功率 Cr jUIUIjQPS 介质损耗P =Qtg=tgu 2 使用介质损耗 P 表示绝缘介质的品质好坏是不方便的，因为P 值与试验电压， 介质尺寸等因素有关，不同的设备之间很难去进行比较。 所以改用介质损耗角正切tg来判断。 tg与相类似，是仅仅取决于材料的特 性和材料的尺寸无关的物理量。 90 并联等值电路 tgCU R U P RCCU R U tg P PP 2 2 1 cr III 串联等值电路 2 2 22 2 22 22 2 2 1)()1 (tg tgCU rCr rrCU Cr rU rIP C C I I tg S S S S r S r 在停电实

10、验中用电桥法测量tg是一种常用的，高精度的测量方法。如果在 运行状态下进行检测，则有性更高。 电桥工作电压一般为10kv； 正接法由于调节部分处于低压臂，操作比较安全； 当被测设备必须处于一端接地时，则须要采用反接法。 此时要注意电桥调节部分 处于高压侧。 由此可知，由于本文研究的是电力电缆的在线检测，所以我们应该选择电桥法的 反接法。 无论正接法还是反接法，电桥平衡时G 中的电流 IG = 0， 所以： IDA = IAC=IX, IDB=IBC =I0 UDA=UDB,UAC = UBC =UX 反接法： 00 403 ZIZI ZIZI XX X 4 0 3 Z Z Z ZX 4 0 4

11、 4 4 4 4 4 33 1 1 1 1 C jZ C jRZ C jR C jR Z RZ XX 3 4 4 4 4 4 4 4 0 3 1 1 1 ) 1 ( R C jR C jR C jR C j Z Z Z Z X X 上式虚实部分别相等， 44 0 44 3 4 0 RCRCtg C RC R R R CC XX X X 通常取 4 4 10 R, f HZ50 则 44 6 4 4 10 10 100CCCtg 在线电桥法消除干扰方法 采用电桥法检测的时候， 现场的电场以及磁场常常会影响到电桥的平衡以及准确 的读数，消除干扰的方法有： （1）可以采用改变试验电源极性的做法：如进

12、行正、反相两次测量等。 （2）采用加移相器的方法。 （3）采用 45 或 55HZ 异频电源的方法，这样可以避开50HZ 的频率的干扰。 （4）磁场干扰往往对电桥检流记回路的影响明显，可将检流计移出磁场干扰区， 或采用更好的磁屏障措施。 在线电桥法的困难 (1)需要耐压等级比运行电压更高的标准电容器。 (2)由于设备运行的电压时非常的高的，在电桥调节过程中， 4 R上会出现比较高 的电压。 (3)在测量中电桥难以平衡。 (4)可能出现流经设备的电流 X I过大，从而导致 3 R过热的情况。 第三章硬件设计 3.1 电压跟随器 电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低。一般来说，输入

13、阻抗可以达到几兆欧姆，而输出阻抗低，通常只有几欧姆，甚至更低。 在电路中， 电压跟随器一般做缓冲级 (buffer)及隔离级。因为，电压放大器的输出 阻抗一般比较高， 通常在几千欧到几十千欧， 如果后级的输入阻抗比较小，那么 信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随 器进行缓冲。 起到承上启下的作用。 电压跟随器还可以提高输入阻抗，可以大幅 度减小输入电容的大小，为应用高品质的电容提供保证。 电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在HI-FI 电路中，关于负反馈的争议已经 很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，绝大多数的放大电路是不能很好地 工作的。但是引入了大环路

14、负反馈电路， 扬声器的反电动势就会通过反馈电路与 输入信号叠加，造成音质模糊、清晰度下降。所以，有一部分功放的末级采用了 无大环路负反馈的电路， 试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的 弊端。但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。 这种情况下电压跟随器可以很好地工作，把电路置于前级和功放之间， 可以切断 扬声器的反电动势对前级的干扰作用，使音质的清晰度得到大幅度提高。 电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。 共集电路的输入高阻抗， 输出低阻抗的特性， 使得它在电路中可以起到阻抗 匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。举一个应用的典型例子： 电吉他

15、的信号输出属于高阻， 接入录音设备或者音箱时， 在音色处理电路之前加 入电压跟随器， 会使得阻抗匹配， 音色更加完美。 很多电吉他效果器的输入部分 设计都用到了这个电路。 电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态， 对后级电路 呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。 电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。 基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点。 电压跟随器的输入阻抗高、 输出阻抗低特点， 可以极端一点去理解， 当输入阻抗 很高时，就相当于对前级电路开路； 当输出阻抗很低时， 对后级电路就相当于一 个恒压源， 即输出电压不受后

16、级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输 出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，使前、后级电路之间互不 影响。 3.2 差动放大器 差动放大电路又叫做差分电路， 他不仅能够有效的放大直流信号，而且能有效 的减小由于电源波动和晶体管随温度变化多而引起的零点漂移，所以，差动放大 器得到广泛的应用。在我们电力电子技术课程中说明了理想的运算放大器的应 用，其中包含了反相放大器和同相放大器，然后我们将他们组合在一起，构建差 动放大器。 差动放大电路的信号输入有三种类型：1，共模输入2，差模输入3，比 较输入。 差动放大电路的输出的方式有两种类型：1，单端输出2，双端输出。 差动放大电路的优

17、点： (1)采用直接耦合的方式中信号不经过电容，所以频率特性非常的好，可以放 大频率很低的信号和直流信号，而且便于集成。 (2)集成电路极与级之间采用直接耦合，而且直接耦合电路必然产生” 零点漂 移” ，然而为了有的抑制零点漂移，输入级必须采用差动放大 工作原理： 差动放大电路最大的特点就是电路的完全对称，两个三极管的特性完全相同， 原件参数的值也相等。 有两个输入端称为双入， 两个输出端称为双输。 当两个输 入端的信号相同时，由于电路的完全对称性，两管集电极电位相同，则有U=0. 如上图可知： 该电路的输入端是两个信号的输入，这两个信号的差值， 为这个电 路有效的输入信号，电路的输出时对这两

18、个输入信号之差的放大。 该放大器的传递函数为： 1 2 5 2 2 52 43 4 *V R R V R RR RR R VOUT 若 32 RR且 45 RR，则简化公式为： 12 2 5 VV R R VOUT 当温度升高引起三极管集电极电流增加时，由于电路的对称性， 存在导致两管集 电极点位的下降量必然是相等的，所以输出的电压一定仍然为零。 由以上的分析可知， 在理想的情况下， 由于电路的对称性， 对于无论是什么原因 二引起的零点漂移，都可以有效地抑制。 本文采用的是差模信号输入方式，由上图可知： 根据虚断原理：我们可以将 3 R 和 4 R 看成串联，则 3 R 和 4 R 连接点的电

19、压为 A U RR R U 43 3 1 同样根据虚断原理，我们还可以将 2 R 和 5 R 看为串联电路。又根据虚短的原理， 2 R 和 5 R 连接点的电压，与 3 R 和 4 R 连接点的电压相同。 由以上分析我们可知： A AB OUT U RR R R R U RR U U 43 4 5 2 43 4 R 3.3 倍频放大电路 倍频器的工作原理：倍频器是一种将输入信号频率成整数倍（2 倍、3 倍 n 倍）增加 的电路。它主要用于甚高频无线电发射机或其它电子设备。采用倍频器的主要原 因有： (1) 降低设备的主振频率。由于振荡器频率愈高稳定性愈差，一般采用频率较低 而稳定度较高的晶体振荡器， 以后加若干级倍频器达到所需频率。一般基音体频 率不高于 20MHz，具有高稳定性的晶体频率通常不超过5 MHz。所以工作频率 高，要求稳定性又严格的通信设备和电子仪器就需要倍频。 (2) 对于调相或调频发射机， 利用倍频器可以加大相移或频移， 即可增加调制度。 (3) 可以提高发射机的工作频率稳定性。因为采用了倍频器，输入频率与输出频 率不同，从而减弱了寄生耦合。