高電壓直流耐壓試驗對電纜壽命的影響

摘要：

本文主要通過分析高電壓直流耐壓試驗對發(fā)現(xiàn)紙絕緣電纜缺陷的有效性， 發(fā)現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜缺陷的局恨性，通過分析直流耐壓試驗、泄漏電流來判斷電力電纜主絕緣缺陷的方法。

關(guān)鍵詞：直流耐壓試驗 絕緣缺陷 交聯(lián)聚乙烯 泄漏電流

引言

電力電纜作為一種輸電設(shè)備，具有占地少，供電可靠，有利于提高電力系統(tǒng)功率因素，運(yùn)行、維護(hù)工作簡單方便，有利于美化城市，具有保密性等優(yōu)點。在城市配網(wǎng)及城網(wǎng)改造和新興的現(xiàn)代化企業(yè)中的作用正日益突出，由于進(jìn)行直流耐壓的種類較多，接線方式各異，試驗結(jié)果差別很大，即對同一電纜用不同試驗設(shè)備，不同接線測取泄漏電流，也會得到相差各異的數(shù)值。隨著交聯(lián)電纜的廣泛使用，對油浸紙絕緣電纜和交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜都采用直流耐壓試驗是否合適，如何正確判斷電纜的試驗結(jié)果，能否投入運(yùn)行，這些都是我們在工作中遇到的實質(zhì)性問題，需要我們正確地判斷并得出正確的結(jié)論，為電纜的安全運(yùn)行提供可靠的依據(jù)。

一、直流耐壓試驗對發(fā)現(xiàn)紙絕緣電纜缺陷的有效性

直流耐壓試驗用來判斷紙絕緣電纜的好壞已有幾十年的經(jīng)驗，實踐證明效果良好，可獲取其內(nèi)部缺陷的可靠數(shù)據(jù)。首先要從電纜直流耐壓與泄漏電流測量意義上來說，電纜在直流電壓的作用下，電纜絕緣中的電壓按絕緣電阻分布，當(dāng)電纜絕緣存在著有發(fā)展性局部缺陷時，直流電壓將大部分加在與缺陷串聯(lián)的未損壞的部分上，所以直流耐壓試驗比交流耐壓試驗更容易發(fā)現(xiàn)電纜的局部缺陷。電纜的直流耐壓試驗和直流泄漏電流測量在其意義上是不同的，直流耐壓試驗和直流泄漏電流測量同時進(jìn)行，是因為在實際工作中，兩者在接線和使用設(shè)備測試等方面是完全相同的。在一般情況下直流耐壓試驗是用來檢查絕緣干枯、氣泡、紙絕緣中的機(jī)械損傷和工藝包纏缺陷等有效辦法；泄漏電流的測試是檢查絕緣老化、受潮的有效辦法。
直流耐壓試驗的目的在于檢驗電纜的耐壓強(qiáng)度，它對發(fā)現(xiàn)紙絕緣介質(zhì)中的受潮，機(jī)械損傷等局部缺陷比較有效，因為在直流電壓下絕緣介質(zhì)中的電壓按電阻系數(shù)分布，當(dāng)介質(zhì)有缺陷時，電壓主要被與缺陷部分串聯(lián)的未損介質(zhì)的電阻承受，使缺陷更容易暴露。較有利于發(fā)現(xiàn)介質(zhì)缺陷。電纜紙絕緣在直流電壓下的擊穿強(qiáng)度約為交流電壓下的二倍，以上所以可施加更高的直流電壓對絕緣介質(zhì)進(jìn)行耐壓強(qiáng)度的考驗。在許多情況下，用搖表測量電纜的絕緣良好，而在直流耐壓試驗中發(fā)生絕緣被擊穿，因此直流耐壓是檢測紙絕緣中、高壓電纜缺陷的有效手段。

二、直流耐壓試驗對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的局限性

交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，由于它的電性能優(yōu)良，制造工藝簡單，安裝方便，得到了廣泛的采用。已成為紙絕緣電纜的替代品。高壓試驗的一個通用原則，被試品上所施加的試驗電壓場強(qiáng)應(yīng)模擬高壓電器的運(yùn)行狀況。而直流耐壓試驗對發(fā)現(xiàn)紙絕緣電纜缺陷十分有效，但對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜則未必有效，而且還可能產(chǎn)生負(fù)作用，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜在交、直流電壓下的電場分布不同交聯(lián)聚乙烯絕緣層是采用聚乙烯經(jīng)化學(xué)交聯(lián)而成，屬整體型絕緣結(jié)構(gòu)，其介電常數(shù)為2.1--2.3受溫度變化的影響較小。在交流電壓下，交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層內(nèi)的電場分布是由介電常數(shù)決定的，即電場強(qiáng)度是按介電常數(shù)反比例分配的，這種分布比較穩(wěn)定。在直流電壓作用下其絕緣層中的電場強(qiáng)度是按絕緣電阻系數(shù)正比例分配的。而絕緣電阻系數(shù)分布是不均勻的，這是因為在交聯(lián)聚乙烯電纜處于交聯(lián)過程中不可避免地溶入一定量的副產(chǎn)品，它們具有相對小的絕緣電阻系數(shù)但在絕緣層徑向分布是不均勻的，所以在直流電壓下交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層中的電場分布不同于理想的圓柱體絕緣結(jié)構(gòu)，與材料的不均勻性有關(guān)。

2、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜在直流電壓下會積累單極性電荷，一旦有了由于直流耐壓試驗引起的單極性空間電荷需要很長時間才能將這種電荷釋放，電纜如果在直流殘余電荷未完全釋放之前投入運(yùn)行，直流電壓便會疊加在工頻電壓峰值上，使得電纜上的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其額定電壓，它將加速絕緣老化縮短使用壽命，嚴(yán)重的會發(fā)生絕緣擊穿。

3、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的半導(dǎo)體凸出處和污穢點等處容易產(chǎn)生空間電荷，但如果在試驗時電纜終端頭發(fā)生表面閃絡(luò)或電纜附件擊穿，會造成電纜芯線中產(chǎn)生波振蕩，對其他正常的電纜和接頭的絕緣造成危害。交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜一個致命弱點是絕緣內(nèi)容易產(chǎn)生水樹枝，一旦產(chǎn)生水樹枝在直流電壓下，會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌渲?，并形成放電，加速了絕緣水劣化，以至于在運(yùn)行工頻電壓作用下形成擊穿。

4、直流耐壓試驗不能有效發(fā)現(xiàn)交流電壓作用下的某些缺陷，如在電纜附件內(nèi)，絕緣若有機(jī)械損傷等缺陷在交流電壓下絕緣最易發(fā)生擊穿的部位，在直流電壓下往往不能發(fā)生擊穿。直流電壓下絕緣擊穿處往往發(fā)生在交流工作條件下絕緣平時不發(fā)生擊穿的部位。因此直流耐壓試驗不能模擬高壓交聯(lián)電纜的運(yùn)行工況，試驗效果差，并且有一定的危害性，所以直流耐壓試驗對檢測交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜缺陷有明顯的不足。

三、交流耐壓試驗

既然直流耐壓試驗不能模擬交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的運(yùn)行場強(qiáng)狀態(tài)不能達(dá)到我們所期望的試驗效果，因此就應(yīng)該考慮用交流耐壓試驗來檢測電纜敷設(shè)和附件的安裝質(zhì)量。應(yīng)采用以下幾種交流試驗方法：

1、0.1Hz超低頻電壓
根據(jù)試驗容量(的公式S=wCUs2=2∏f Us2KVA，式中的C-被試電纜電容量，Us –為試驗電壓，f-工頻頻率，我國為50HZ)，由此可見，0.1Hz交流電壓與50Hz電壓相比，前者需要的功率相當(dāng)于后者的1/500，因而，它可以毫無問題的生產(chǎn)出便攜式設(shè)備在現(xiàn)場使用。由于這種原因原來為對大型旋轉(zhuǎn)式電機(jī)進(jìn)行試驗而開發(fā)的超低頻電壓是一種可能替代塑料絕緣電纜直流電壓試驗的選擇方案。
在基礎(chǔ)調(diào)查研究中，首先針對各種模擬配置求出在使用0.1Hz頻率時與在50Hz時試驗電壓(U0的2倍)等值的對絕緣施加的電壓負(fù)荷。在經(jīng)電纜的現(xiàn)場試驗中試用后，開始考慮在現(xiàn)行的關(guān)于中壓電纜的VDE標(biāo)準(zhǔn)中采納超低頻技術(shù)。0.1Hz的推薦試驗電平為3U0。與用50Hz的試驗相比，引發(fā)在薄弱點上的擊穿明顯快。60min的試驗持續(xù)時間是必要的，以便在試驗中使可能存在的薄弱點發(fā)生擊穿。由此可見，超低頻試驗設(shè)備是可行有效的。

2、振蕩電壓脈沖
振蕩電壓脈沖源出于國際大電網(wǎng)21-09/2工作組的推薦標(biāo)準(zhǔn)，該組在80年代進(jìn)行可替代塑料絕緣高壓電纜設(shè)施直流電壓試驗的選擇方案的調(diào)查研究。按照有或無極性變換的電路變形，這種電壓波形因其隨時間的變化避免了空間電荷效應(yīng)。此外，這種電壓波形具有在現(xiàn)場使用相對比較簡單的方法可以產(chǎn)生很高試驗電平的優(yōu)勢。與其低頻方法不同，它適用于高壓電纜設(shè)施。
這些試驗方法在我國目前還沒有普及無論從硬件還是軟件上我們尚處于研究階段。為了減少對交聯(lián)聚乙烯電力電纜的直流耐壓試驗可按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中電力電纜線路的橡塑絕緣電力電纜試驗項目進(jìn)行：(1)測量電纜主絕緣電阻；(2)電纜外護(hù)套絕緣電阻；(3)電纜內(nèi)襯層絕緣電阻；(4)銅屏蔽電阻和導(dǎo)體電阻比；(5)電纜主絕緣直流耐壓試驗。
為了交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜作為以上四項測量就必須對電纜附件安裝工藝金屬層的接地方法進(jìn)行改變。終端的鎧裝層和銅屏蔽層應(yīng)分別用帶絕緣的絞合導(dǎo)線單獨(dú)接地，銅屏蔽層接地線的截面不得小于25平方毫米，鎧裝層接地線截面不應(yīng)小于10平方毫米。
中間頭內(nèi)銅屏蔽層的接地線不得和鎧裝層連在一起，對接頭兩側(cè)的鎧裝層必須用另一根接地線相連，而且還必須與銅屏蔽層絕緣。連接鎧裝層的地線外部必須有外護(hù)套，而且具有與電纜外護(hù)套相同的絕緣和密封性能。通過上述的這些試驗項目，以此來掌握電纜各部分的絕緣狀況。
主絕緣交流耐壓試驗的電壓波形應(yīng)為實際正弦波形，頻率應(yīng)為20Hz到300Hz之間。當(dāng)電抗器固定時，諧振頻率的平方與電容量成反比，其表達(dá)式為：W2C＝1/L。也就是說，當(dāng)電源頻率變化n倍時，試品的電容量變化n2倍；選用頻率為45～65HZ段，頻率可以變化1.44倍，在電搞器個數(shù)或者電感量不變時，試品電容量最大可以變化2.07倍；選用頻率為20～300HZ段，頻率可以變化十幾倍，在電抗器個數(shù)或者電感量不變時，試品電容量最大可以變化100倍。試驗電壓按照中國南方電網(wǎng)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》修編說明的規(guī)定，試驗時間為1h?；蛘咴囼炿妷翰捎秒娎|U0值，試驗時間為24h，兩者任選一種。
注：對曾經(jīng)運(yùn)行過的電纜或其附件設(shè)備，在重新安裝、部分更新或重新制作后，可采用較低的試驗電壓或縮短試驗時間。試驗電壓值應(yīng)經(jīng)協(xié)商確定，此時考慮電纜運(yùn)行年數(shù)、環(huán)境條件、過去擊穿歷史以及此次試驗?zāi)康牡纫蛩亍?

四、試驗結(jié)果的分析與判斷

電纜通過直流耐壓試驗而未擊穿者，一般可認(rèn)為該電纜的絕緣是合格的，可以投入系統(tǒng)運(yùn)行．但并不是說，通過直流耐壓試驗的電纜質(zhì)量就是好的。具有優(yōu)良質(zhì)量的電纜線路應(yīng)在合理運(yùn)用及無外力損傷的情況下安全運(yùn)行數(shù)十年無事故．下面，將一般對電力電纜線路絕緣優(yōu)劣的判斷標(biāo)準(zhǔn)簡介如下：
(1)電纜經(jīng)直流酬壓試驗后絕緣擊穿者，不能投入系統(tǒng)運(yùn)行，應(yīng)立即測尋故障點并進(jìn)行搶修。
(2)泄漏電流隨試驗電壓的增高而急劇上升者，不能投入系統(tǒng)運(yùn)行，應(yīng)人為提高試驗電壓將電纜擊穿，然后測尋故障點并進(jìn)行搶修。
(3)泄漏電流值很不穩(wěn)定(排除電源電壓波動等外界因素)．這可能是電纜絕緣內(nèi)部微小氣隙的局部放電引起。這時可延長耐壓持續(xù)時間或提高試驗電壓，觀察泄漏電流的變化情況．如果在延時或提高電壓的情況下，泄漏電流惡化趨勢不大，可以投入系統(tǒng)運(yùn)行，3個月后再復(fù)試．
(4)泄漏電流不平衡系數(shù)超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)首先排除外界因素造成的影響，當(dāng)確認(rèn)是由電纜絕緣內(nèi)部缺陷而引起的泄漏電流不平衡時，應(yīng)采取上述第(3)條中的延時或提高試驗電壓的方法進(jìn)行考核、判斷與處理．
(5)泄漏電流隨時間延長有上升趨勢，且泄漏電流值比上次顯著增大時，可采取上述第3條中的延時或提高試驗電壓的方法進(jìn)行考核、判斷與處理。
(6)短電纜或其他有微弱缺陷的電纜，泄漏電流偏大而泄漏電流值穩(wěn)定、平衡時，可投入系統(tǒng)運(yùn)行。但應(yīng)在6個月后進(jìn)行復(fù)試。
(7)直流耐壓試驗中有少數(shù)閃絡(luò)現(xiàn)象，但在延時或提高試驗電壓情況下，閃絡(luò)現(xiàn)象不再出現(xiàn)者，允許投入系統(tǒng)運(yùn)行，但需6十月后復(fù)試；如果仍有閃絡(luò)現(xiàn)象出現(xiàn)，一般應(yīng)找出故障點并予以排除。
以上各條中，需做復(fù)試的電纜，凡復(fù)試結(jié)果無明星惡化趨勢的電纜，均可投入系統(tǒng)運(yùn)行，并不再列入復(fù)試范圍；如果復(fù)試結(jié)果具有明星惡化趨勢，則應(yīng)找出原因并予以修復(fù)。

結(jié)束語

直流耐壓試驗不能有效的發(fā)現(xiàn)高壓交聯(lián)聚乙烯主絕緣電纜的缺陷，因此不宜用于預(yù)試。交流耐壓試驗是檢驗交聯(lián)電纜絕緣質(zhì)量的有效手段。準(zhǔn)確有效的掌握電纜各部位的運(yùn)行狀況有利于提高電纜的安全運(yùn)行，減少電纜在運(yùn)行中的故障。

參與文獻(xiàn)：

·DL/T596—1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程
·［德］L.Heinhold,R.Stubbe(hrsg)著,門漢文、崔國璋、王海譯，《電力電纜及電線》，中國電力出版社，2001
·李宗廷、王佩龍、趙光庭、劉進(jìn)國編著，《電力電纜施工手冊》，中國電力出版社，2001
·于景豐、趙鋒編著，《電力電纜實用技術(shù)》，中國水利水電出版社，2003
·中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》―修編說明，2005