高电压直流耐压试验对电缆寿命的影响

高电压直流耐压试验对电缆寿命的影响

摘要：

本文主要通过分析高电压直流耐压试验对发现纸绝缘电缆缺陷的有效性， 发现交联聚乙烯绝缘电力电缆缺陷的局恨性，通过分析直流耐压试验、泄漏电流来判断电力电缆主绝缘缺陷的方法。

关键词：直流耐压试验 绝缘缺陷 交联聚乙烯 泄漏电流

引言

电力电缆作为一种输电设备，具有占地少，供电可靠，有利于提高电力系统功率因素，运行、维护工作简单方便，有利于美化城市，具有保密性等优点。在城市配网及城网改造和新兴的现代化企业中的作用正日益突出，由于进行直流耐压的种类较多，接线方式各异，试验结果差别很大，即对同一电缆用不同试验设备，不同接线测取泄漏电流，也会得到相差各异的数值。随着交联电缆的广泛使用，对油浸纸绝缘电缆和交联聚乙烯绝缘电缆都采用直流耐压试验是否合适，如何正确判断电缆的试验结果，能否投入运行，这些都是我们在工作中遇到的实质性问题，需要我们正确地判断并得出正确的结论，为电缆的安全运行提供可靠的依据。

一、直流耐压试验对发现纸绝缘电缆缺陷的有效性

直流耐压试验用来判断纸绝缘电缆的好坏已有几十年的经验，实践证明效果良好，可获取其内部缺陷的可靠数据。首先要从电缆直流耐压与泄漏电流测量意义上来说，电缆在直流电压的作用下，电缆绝缘中的电压按绝缘电阻分布，当电缆绝缘存在着有发展性局部缺陷时，直流电压将大部分加在与缺陷串联的未损坏的部分上，所以直流耐压试验比交流耐压试验更容易发现电缆的局部缺陷。电缆的直流耐压试验和直流泄漏电流测量在其意义上是不同的，直流耐压试验和直流泄漏电流测量同时进行，是因为在实际工作中，两者在接线和使用设备测试等方面是完全相同的。在一般情况下直流耐压试验是用来检查绝缘干枯、气泡、纸绝缘中的机械损伤和工艺包缠缺陷等有效办法；泄漏电流的测试是检查绝缘老化、受潮的有效办法。
直流耐压试验的目的在于检验电缆的耐压强度，它对发现纸绝缘介质中的受潮，机械损伤等局部缺陷比较有效，因为在直流电压下绝缘介质中的电压按电阻系数分布，当介质有缺陷时，电压主要被与缺陷部分串联的未损介质的电阻承受，使缺陷更容易暴露。较有利于发现介质缺陷。电缆纸绝缘在直流电压下的击穿强度约为交流电压下的二倍，以上所以可施加更高的直流电压对绝缘介质进行耐压强度的考验。在许多情况下，用摇表测量电缆的绝缘良好，而在直流耐压试验中发生绝缘被击穿，因此直流耐压是检测纸绝缘中、高压电缆缺陷的有效手段。

二、直流耐压试验对交联聚乙烯绝缘电缆的局限性

交联聚乙烯绝缘电缆，由于它的电性能优良，制造工艺简单，安装方便，得到了广泛的采用。已成为纸绝缘电缆的替代品。高压试验的一个通用原则，被试品上所施加的试验电压场强应模拟高压电器的运行状况。而直流耐压试验对发现纸绝缘电缆缺陷十分有效，但对交联聚乙烯绝缘电缆则未必有效，而且还可能产生负作用，主要表现在以下几个方面：

1、交联聚乙烯绝缘电缆在交、直流电压下的电场分布不同交联聚乙烯绝缘层是采用聚乙烯经化学交联而成，属整体型绝缘结构，其介电常数为2.1--2.3受温度变化的影响较小。在交流电压下，交联聚乙烯电缆绝缘层内的电场分布是由介电常数决定的，即电场强度是按介电常数反比例分配的，这种分布比较稳定。在直流电压作用下其绝缘层中的电场强度是按绝缘电阻系数正比例分配的。而绝缘电阻系数分布是不均匀的，这是因为在交联聚乙烯电缆处于交联过程中不可避免地溶入一定量的副产品，它们具有相对小的绝缘电阻系数但在绝缘层径向分布是不均匀的，所以在直流电压下交联聚乙烯电缆绝缘层中的电场分布不同于理想的圆柱体绝缘结构，与材料的不均匀性有关。

2、交联聚乙烯绝缘电缆在直流电压下会积累单极性电荷，一旦有了由于直流耐压试验引起的单极性空间电荷需要很长时间才能将这种电荷释放，电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行，直流电压便会叠加在工频电压峰值上，使得电缆上的电压值远远超过其额定电压，它将加速绝缘老化缩短使用寿命，严重的会发生绝缘击穿。

3、交联聚乙烯绝缘电缆的半导体凸出处和污秽点等处容易产生空间电荷，但如果在试验时电缆终端头发生表面闪络或电缆附件击穿，会造成电缆芯线中产生波振荡，对其他正常的电缆和接头的绝缘造成危害。交联聚乙烯绝缘电缆一个致命弱点是绝缘内容易产生水树枝，一旦产生水树枝在直流电压下，会迅速转变为电树枝，并形成放电，加速了绝缘水劣化，以至于在运行工频电压作用下形成击穿。

4、直流耐压试验不能有效发现交流电压作用下的某些缺陷，如在电缆附件内，绝缘若有机械损伤等缺陷在交流电压下绝缘最易发生击穿的部位，在直流电压下往往不能发生击穿。直流电压下绝缘击穿处往往发生在交流工作条件下绝缘平时不发生击穿的部位。因此直流耐压试验不能模拟高压交联电缆的运行工况，试验效果差，并且有一定的危害性，所以直流耐压试验对检测交联聚乙烯绝缘电缆缺陷有明显的不足。

三、交流耐压试验

既然直流耐压试验不能模拟交联聚乙烯绝缘电缆的运行场强状态不能达到我们所期望的试验效果，因此就应该考虑用交流耐压试验来检测电缆敷设和附件的安装质量。应采用以下几种交流试验方法：

1、0.1Hz超低频电压
根据试验容量(的公式S=wCUs2=2∏f Us2KVA，式中的C-被试电缆电容量，Us –为试验电压，f-工频频率，我国为50HZ)，由此可见，0.1Hz交流电压与50Hz电压相比，前者需要的功率相当于后者的1/500，因而，它可以毫无问题的生产出便携式设备在现场使用。由于这种原因原来为对大型旋转式电机进行试验而开发的超低频电压是一种可能替代塑料绝缘电缆直流电压试验的选择方案。
在基础调查研究中，首先针对各种模拟配置求出在使用0.1Hz频率时与在50Hz时试验电压(U0的2倍)等值的对绝缘施加的电压负荷。在经电缆的现场试验中试用后，开始考虑在现行的关于中压电缆的VDE标准中采纳超低频技术。0.1Hz的推荐试验电平为3U0。与用50Hz的试验相比，引发在薄弱点上的击穿明显快。60min的试验持续时间是必要的，以便在试验中使可能存在的薄弱点发生击穿。由此可见，超低频试验设备是可行有效的。

2、振荡电压脉冲
振荡电压脉冲源出于国际大电网21-09/2工作组的推荐标准，该组在80年代进行可替代塑料绝缘高压电缆设施直流电压试验的选择方案的调查研究。按照有或无极性变换的电路变形，这种电压波形因其随时间的变化避免了空间电荷效应。此外，这种电压波形具有在现场使用相对比较简单的方法可以产生很高试验电平的优势。与其低频方法不同，它适用于高压电缆设施。
这些试验方法在我国目前还没有普及无论从硬件还是软件上我们尚处于研究阶段。为了减少对交联聚乙烯电力电缆的直流耐压试验可按照《电力设备预防性试验规程》中电力电缆线路的橡塑绝缘电力电缆试验项目进行：(1)测量电缆主绝缘电阻；(2)电缆外护套绝缘电阻；(3)电缆内衬层绝缘电阻；(4)铜屏蔽电阻和导体电阻比；(5)电缆主绝缘直流耐压试验。
为了交联聚乙烯绝缘电力电缆作为以上四项测量就必须对电缆附件安装工艺金属层的接地方法进行改变。终端的铠装层和铜屏蔽层应分别用带绝缘的绞合导线单独接地，铜屏蔽层接地线的截面不得小于25平方毫米，铠装层接地线截面不应小于10平方毫米。
中间头内铜屏蔽层的接地线不得和铠装层连在一起，对接头两侧的铠装层必须用另一根接地线相连，而且还必须与铜屏蔽层绝缘。连接铠装层的地线外部必须有外护套，而且具有与电缆外护套相同的绝缘和密封性能。通过上述的这些试验项目，以此来掌握电缆各部分的绝缘状况。
主绝缘交流耐压试验的电压波形应为实际正弦波形，频率应为20Hz到300Hz之间。当电抗器固定时，谐振频率的平方与电容量成反比，其表达式为：W2C＝1/L。也就是说，当电源频率变化n倍时，试品的电容量变化n2倍；选用频率为45～65HZ段，频率可以变化1.44倍，在电搞器个数或者电感量不变时，试品电容量最大可以变化2.07倍；选用频率为20～300HZ段，频率可以变化十几倍，在电抗器个数或者电感量不变时，试品电容量最大可以变化100倍。试验电压按照中国南方电网《电力设备预防性试验规程》修编说明的规定，试验时间为1h。或者试验电压采用电缆U0值，试验时间为24h，两者任选一种。
注：对曾经运行过的电缆或其附件设备，在重新安装、部分更新或重新制作后，可采用较低的试验电压或缩短试验时间。试验电压值应经协商确定，此时考虑电缆运行年数、环境条件、过去击穿历史以及此次试验目的等因素。

四、试验结果的分析与判断

电缆通过直流耐压试验而未击穿者，一般可认为该电缆的绝缘是合格的，可以投入系统运行．但并不是说，通过直流耐压试验的电缆质量就是好的。具有优良质量的电缆线路应在合理运用及无外力损伤的情况下安全运行数十年无事故．下面，将一般对电力电缆线路绝缘优劣的判断标准简介如下：
(1)电缆经直流酬压试验后绝缘击穿者，不能投入系统运行，应立即测寻故障点并进行抢修。
(2)泄漏电流随试验电压的增高而急剧上升者，不能投入系统运行，应人为提高试验电压将电缆击穿，然后测寻故障点并进行抢修。
(3)泄漏电流值很不稳定(排除电源电压波动等外界因素)．这可能是电缆绝缘内部微小气隙的局部放电引起。这时可延长耐压持续时间或提高试验电压，观察泄漏电流的变化情况．如果在延时或提高电压的情况下，泄漏电流恶化趋势不大，可以投入系统运行，3个月后再复试．
(4)泄漏电流不平衡系数超过规定的标准时，应首先排除外界因素造成的影响，当确认是由电缆绝缘内部缺陷而引起的泄漏电流不平衡时，应采取上述第(3)条中的延时或提高试验电压的方法进行考核、判断与处理．
(5)泄漏电流随时间延长有上升趋势，且泄漏电流值比上次显著增大时，可采取上述第3条中的延时或提高试验电压的方法进行考核、判断与处理。
(6)短电缆或其他有微弱缺陷的电缆，泄漏电流偏大而泄漏电流值稳定、平衡时，可投入系统运行。但应在6个月后进行复试。
(7)直流耐压试验中有少数闪络现象，但在延时或提高试验电压情况下，闪络现象不再出现者，允许投入系统运行，但需6十月后复试；如果仍有闪络现象出现，一般应找出故障点并予以排除。
以上各条中，需做复试的电缆，凡复试结果无明星恶化趋势的电缆，均可投入系统运行，并不再列入复试范围；如果复试结果具有明星恶化趋势，则应找出原因并予以修复。

结束语

直流耐压试验不能有效的发现高压交联聚乙烯主绝缘电缆的缺陷，因此不宜用于预试。交流耐压试验是检验交联电缆绝缘质量的有效手段。准确有效的掌握电缆各部位的运行状况有利于提高电缆的安全运行，减少电缆在运行中的故障。

参与文献：

·DL/T596—1996电力设备预防性试验规程
·［德］L.Heinhold,R.Stubbe(hrsg)著,门汉文、崔国璋、王海译，《电力电缆及电线》，中国电力出版社，2001
·李宗廷、王佩龙、赵光庭、刘进国编著，《电力电缆施工手册》，中国电力出版社，2001
·于景丰、赵锋编著，《电力电缆实用技术》，中国水利水电出版社，2003
·中国南方电网有限责任公司，《电力设备预防性试验规程》―修编说明，2005