交联聚乙烯电力电缆耐压试验方法分析

煤矿现代化　２００８年第５期　总第８６期　交联聚乙烯电　电　耐莲试验ｊ｝；　山东华聚能源股份有限公司　李济生　刘　波　摘要　阐述了影响交联电缆绝缘的主要因素以及对交联聚乙烯电缆的直流耐压试验、工频耐压试　验、谐振耐压试验和０．１Ｈｚ超低频耐压试验四种破坏性试验进行研究，探讨能够有效发现、判别交联聚乙烯　电力电缆运行故障隐患的试验方法。　关键词　交联聚乙烯电缆　直流耐压试验　谐振耐压试验０．１Ｈｚ超低频耐压试验　ｌ概述　交联聚乙烯电力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，容易弯曲、附件接头制作简单，　安装敷设方便，不受高度落差限制，因此受到广泛应用。　但是，近年来的运行和研究表明，交联聚乙烯电缆的绝缘　在运行中易产生树枝化放电，造成绝缘老化破坏，严重地影响　了交联聚乙烯绝缘电力电缆的使用寿命。因此，充分认识交联　电缆的绝缘特性，及时有效地发现和预防绝缘中存在的某些　缺陷，对保障设备乃至系统的安全运行具有十分重要的意义。　预防性试验是判断电缆能否投入运纯的重要措施。交联聚乙　烯电力电缆耐压试验有以下几种试验：直流耐压试验、工频、　谐振耐压和０．１Ｈｚ超低频耐压，以下就各种试验进行分析，阐　明各种试验方法的特点并对各种方法进行比较分析。　２影响绝缘的主要因素　交联电缆内部存在的绝缘缺陷易产生树枝化放电现象，　其结果影响电缆的绝缘性能。树枝化放电据其形态和生成机　理不同主要分为电树枝和水树枝。　２．１电树枝　主要是由于绝缘内部放电产生的细微开裂，形成细小的　通道，其通道内空，管壁上有放电产生的碳粒痕迹。分枝少而　清晰，呈冬天的树枝状。电树枝按产生的机理分为以下几种类　型：　（１）由于机械应力的破坏使交联聚乙烯绝缘产生应变造　成气隙和裂纹，引发电树枝放电。　（２）气隙放电造成电树枝的发展。现代的生产工艺尽管可　以消除交联电缆生产线中某些宏观的气隙，但仍有１—１０　ｍ　或少量的２０—３Ｏ　ｍ的气隙形成的微观多孔结构。多孔结构　中的放电形式主要以电晕放电为主。通道中的放电所产生的　气体鹾力增加，导致了树枝的扩展和形状的变化。　（３）场致发射效应导致树枝性放电。在高电场作用下，电　极发射的电子由于隧道效应注入绝缘介质，电子在注入过程　中获得足够的动能，使电子不断地与介质碰撞引起介质破坏，　导致树枝放电。　（４）缺陷。缺陷主要是导体屏蔽上的节疤和绝缘屏蔽中的　毛刺以及绝缘内的杂质和空穴。　２．２水树枝　主要是由于水分浸入交联聚乙烯绝缘，在电场作用下形　成树枝状物。水树枝的特点是引发树枝的空隙含有水分，且在　较低的场强下发生。一般认为，水树枝的发展过程有以下几种　形式：　（１）剩余应变使水树枝增长。当电缆在外加电压下，若绝　・６３・　缘中含有水分，导体附近的绝缘材料中剩余的应变就会增加，　而应变较大的局部区域便会生成水树枝。　（２）电场下的化学作用发展了水树枝。　（３）电泳与扩散力的作用使水树枝生长。介质电泳可以认　为是不带电荷的，但是已经极化的粒子或分子在畸变的电场中　运动，若绝缘中含有带水分的杂质，这些杂质会向导电线芯附　近的高电场区聚集。这一区域的温度相对偏高，水分因此而膨　胀，形成较大的压力，使间隙扩大，引起水树枝的扩大和发展。　电树枝往往在绝缘内部产生细微开裂，形成细小的通道，　并在放电通道的管壁上产生放电后的碳化颗粒。水树枝的产　生，将会使介质损耗增加，绝缘电阻和击穿电压下降。因此，电缆　中的电树枝和水树枝对电缆的电气性能将会带来严重的隐患。　３试验方法比较　３．１直流耐压试验　直流耐压试验由于具有以下特点，长期以来～直是检查　电缆绝缘的关键试验项目：　（１）可以用较轻便的设备对长电缆进行耐压试验。　（２）对电缆良好绝缘的破坏较小。　（３）在进行直流耐压试验时，兼做泄漏电流测量，容易发　现交流电压作用下不易发现的局部缺陷。　然而，交联聚乙烯电缆不宜采用直流耐压试验，有以下原　因：　（１）交联聚乙烯电缆绝缘层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，且一般不受温度　变化影响。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而反比例　分配的。　在直流电压作用下，交联聚乙烯电缆绝缘层中的电场强　度是按绝缘电阻系数正比例分配的。绝缘层的绝缘电阻系数　受温度和场强影响可用下公式表示：　ｎ　ｑ　０　ｐ＝　一（公式１）　Ｌ～　式中Ｅ一工作或试验场强；　０一温度；　０【一温度系数，取为０．１５，　；　一系数，取为２．１—２．４。　绝缘电阻系数分布不是均匀的，在交联聚乙烯电缆交联　过程中不可避免地溶入一定量的副产品，如甲烷、乙酰苯、聚　乙醇等，他们具有相对小的绝缘电阻系数，且在绝缘层径向的　分布不均，因此在直流电压作用下，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，而与材料的不均　匀性有关。　煤矿现代化　２００８－ｒ第５期　并联　振的条件　总第８６期　（２）商流高电　试验能容易造成高电　电缆在交流电压　作用下某些不会发生问题的地方。此外，直流高ｌ　式验有累积　效虚，它会加速绝缘老化，减少交联聚乙烯电缆使用寿命。　（３）一般情况下，交联聚乙烯电力电缆受湖或俘在水树枝　早期劣化缺陷时不容易用短时问的试验来判别，采用直流耐　压试验和测齄直流泄漏电流方法判断。由于表面泄漏电流往　往极大于绝缘介质极化电流和电导电流，因此，时常掩盖了电　缆实际绝缘状态真相而不能及时发现绝缘缺陷。这些现象在　交联聚乙烯电力电缆直流耐　试验时经常发生，如直流耐　试验合格的电缆线路正常送电后不久就发生击穿故障。　３．２工频耐压试验　工频电压试验由于试验状况接近电缆的运行工况，耐压　电压值较低，而且，耐压时间适当加长，更能反映电缆绝缘的　状况以及发现绝缘中的缺陷，当然是理想的试验方法。但是，　由于交联聚乙烯电力电缆的电容量较大，特别是高压电缆试　验，要求：【频试验设备的容量较大，设备的体积和重量很大，　不便于进行现场试验。　３．３谐振交流耐压试验　谐振交流耐压试验分为串联谐振和并联谐振。　３．３．１　串联谐振　图１（ａ）为串联谐振装置的工作原理图，图中Ｔ１为调压器，　为励磁变压器，Ｌ为调压电感，Ｃ为负荷电容（包括被试品　电容、高压试验回路电容及电容分压器电容）。（。　一　ｂ）为等值电路，　图中Ｒ为整个高压试验回路中损耗的等值电阻，Ｌ包括可调　电感器的电感及励磁变压器的高压绕组漏感，ｕ为ｒＩ１２空载时　输出电压。由图可得：　当串联谐振时，ＸＬ＝）．．（ｃ；Ｕ　：ＵＸｄＲ＝ＵＸＩ／Ｒ　假设谐振回路的品质因数为Ｑ，．．．一　一　ｒ　—一　Ｑ＝、／－　　／Ｒ－－－　ｉｘ　＝　—　百，则ＵＣ＝Ｑｕ，即被试电缆上获得的电压为励磁电压的　ｍ乙ｎ　Ｑ倍，也就是说，可以利用额定电压较低的试验变压器得到较　高的输出电压。　／　］ｌ　Ｔ　ｌ　：（）　－－－－・－—・－－－－・—－－・－－－－—－—・－—－－－—－　：Ｊ丁　－　主Ｌ　（ａ）原蛙圈　（ｂ，等值电路　图１　串联谐振原理图　ｕ　Ⅸｃ＝　赫）（ｃ　公式２）　３　３．２并联谐振　图２为并联谐振装置的工作原理图，由图可得：　ｉ　＝　（Ｊ．ｊ　ｕ（／公式　）　ｉ　０３ｃ０（公式４）　因谐振时电容支路的电流．５－电感支路电流的无功分量相　等。因此有　：ｔｏＣ，又Ｒ＜＜∞：Ｌ２，所以（Ｉ）Ｌ＝　，即为　Ｈ　＋（１）　ｌ　０３　ＬＪ　原理图　Ｉ｝　向量图　图２　并联谐振原理图　ｉ＝ｉＩ十ｉｃ＝　。一ｊ　ｕ＋ｊ　ｃ　＝　Ｉ＝『忪式５）　由公式５得电压与电流同相。电感支路电流和电容支路　电流的无功分量即为：　，　ｕ＝　一　＝　＝ＱＩ忪式６）　ｋ：ｕ∞Ｃ＝　Ｉ＝　Ｉ＝ＱＩ忪式７）　式中Ｑ一品质因数。即电感支路和电容支路电流均为电源　电流的Ｑ倍。　如被试电缆的试验电压为ＵＳ，被试电缆中留过电流为　ＩＳ＝ＩＣ＝ＵＳｏ）Ｃ，试验变压器的二次电流ｉ为　Ｉｃ，那么试验变压　器容量为　Ｐｖ＝ｕＩ＝￣－（ｏ　ｃＵ２－￣。－－Ｐｓ忪式７）　式中ＰＹ～试验变压器取用容量；　ＰＳ～被试电缆试验容量。　直流电场的空间电荷畸变绝缘介质局部电场已是不争的　事实，当总空间电荷ｑ集中分布在介质中ｘ处时，符合泊松方　程：　Ｅ旷Ｅ＝—　一　式８）　８　ｏＳ　其中ＥＣＴ为介质中ｘ处局部场强，Ｅ为介质中性体场强。　空间电荷ｑ可由空间电荷聚集率　ｄｑ／ｄｔ＝　Ｅ（公式９）　式中　一为介质电导率；　Ｔｌ一为介质放电前的传输电荷分数。　当ＥＣＴ大于介质局部击穿场强时，介质绝缘性能将明显　下降。　介质交变电场击穿电压受缺陷的影响较大。设介质的弹　性模量为Ｙ，对介质施加交变电场Ｅ时，介质中麦克斯韦应力ｆ　为：　ｆ．￡０￡Ｅ４２（公式１Ｏ）　当电场应力ｆ引起介质的形变△ｈ大于介质弹性范围时，　该介质发生机械疲劳直至电机械击穿。电机械击穿的临界条　件为：　ＥＢ。Ｃ　（８。８）】　（公式ｌ１）　（下转第６６页）　・６４・　煤矿现代化　２００８年第５期　总第８６期　２ｋＶＡ单相调　器一台，０～３０Ｖ、０．５级交流电　表一只，０　芯线对地故障，应用此方法测量简便精确，不需要精密仪器和　１００ｍＡ、０．５级交流毫安表一只。　复杂计算，测量原理为：将电缆故障　线　等长的比较导线并　联，在两端加电压Ｅ时，相　于在两个并联的均匀电阻丝两端　接了电源，此时，一条电阻丝　的任何一点和另一条电阻丝卜　的对应点之间的电位差必然为零。反之，电位差为零的两点必　然是对应点。因为微伏表的负极按地，与电缆故障点等电位，　所以，当微伏表的正极在比较导线　移动至指示值为零时的　点与故障点等电位，即故障点的对应点。　测量步骤如下：　（１）先在ｂ和ｃ相芯线上接上电池Ｅ，再在地面ｊ二敷设一　图３电容电流测量电路　根与故障电缆长度相等的比较导线Ｓ，该导线要用裸铜线或裸　测量步骤：　铝线，其截面应相等，不能有中间接头。　（１）首先在电缆首端分别测出每相芯线的电容电流（应保　（２）将微伏表的负极接地，正极接一根较长的软导线，导　持施加电压相等）Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ的数值。　线另一端要求在敷设的比较导线上滑动时能充分接触。　（２）在电缆的末端再测量每相芯线的电容电流Ｉａ，、Ｉｂ　、　（３）合上闸刀开关Ｋ，将软导线的端头在比较导线上滑动，　Ｉｃ　的数值，以核对完好芯线与断线芯线的电容之比，初步可　当微伏表指示为零时的位置即为电缆故障点的位置。　判断出断线距离近似点。　（３）根据电容量计算公式ｃ＝１／２　ｆＩＪ可知，在电压Ｕ、频率　３结论　ｆ不变时Ｃ与Ｉ成正比。因为工频电压的　频率）不变，测量时　电缆故障检测的方法要根据电缆故障的类型来确定，对　只要保证施加电压不变，电容电流之比即为电容量之比。设电　于高压电缆来说，一般辐射的路径比较容易确定，但高压电缆　缆全长为Ｌ，芯线断线点距离为ｘ，则Ｉａ／Ｉｃ＝ＩＪＸ，Ｘ＝（Ｉｃ／Ｉａ１Ｌ。　却需要填沙加砖深埋，故障点的查找相对低压电缆难度较大，　测量过程中，只要保证电压不变，电流表读数准确，电缆总长　而低压电缆虽然辐射长度较短，但却因为辐射的随意性较大，　度测量精确，其测定误差比较小。　路径不能十分的清楚，因此在电缆故障点的实际查找上，还应　２．４零电位法　根据具体情况来选择方法。　零电位法也就是电位比较法，它适应于长度较短的电缆　（收稿日期：２００８—６２０）　（上接第６４页）　流往往极大于绝缘介质极化电流和电导电流，因此，时常掩盖　即介质击穿的临界条件ＥＢ与介质的弹性模量Ｙ成正比　了电缆实际绝缘状态真相而不能及时发现绝缘缺陷。这些现　变化，而交联聚乙烯介质的弹性模量相对较低，由此可以推　象在交联聚乙烯电力电缆直流耐压试验时经常发生，如直流　论，较低的工频电压能有效地发现绝缘介质缺陷。　耐压试验合格的电缆线路正常送电后不久就发生击穿故障，　在电缆介质中，直流电场按电阻率分布，交变电场按介电　不再推荐直流耐压试验。　系数分布。振荡波电压试验能够较全面地发现电缆介质缺陷　工频电压试验能够全面、真实地发现交联聚乙烯电缆缺　并与工频电压试验的等效性相对较好。振荡波电压试验设备　陷和运行故障隐患，可应用于交联聚乙烯电力电缆交接试验　相对较容易实现，采用现有的直流电源和能够调节电感量的　和预防性试验，特别是１１０　ｋＶ及以上电压等级的交联聚乙烯　电抗器即可完成现场试验。　绝缘电力电缆交接试验和预防性试验。但是，工频电压发生器　３．４　０．１Ｈｚ超低频耐压试验　的体积较大、重量大，不适宜运行单位的现场预防性试验。　国内外都在研究使用０．１Ｈｚ超低频耐压试验电压及　振荡波电压试验能够在较低的电压下有效地发现交联聚　０．１Ｈｚ发生装置。０．１Ｈｚ超低频耐压试验由于具有以下特点，可　乙烯绝缘电力电缆制造质量缺陷和施工质量缺陷，推荐作为　以满足电缆试验要求。　交联聚乙烯绝缘电力电缆交接试验方法。　（１）试验设备容量小。　０．１　Ｈｚ超低频电压试验能够在较低的电压下有效地发现　（２）在绝缘内部的电压分布与５０Ｈｚ时基本相同。　交联聚乙烯绝缘电力电缆受潮和存在水树枝运行缺陷，可以　（３）电缆绝缘局部放电明显减少。　作为配电系统交联聚乙烯绝缘电力电缆预防性试验方法。　超低频电压试验工频电压试验的等效性还有待作更深入　参考文献　的研究。但该试验方法的突出特点是能够有效地发现电缆介　…　陈化刚．电力设备预防性试验方法及诊断技术，北京：中国　质的进潮和水树枝缺陷，而实际运行中的交联聚乙烯绝缘电　科学技术出版社。２００１　缆最常见的早期绝缘性能劣化现象就是电缆介质树枝状老化　ｆ２　李建明．２１高压电气设备试验方法，北京：中国电力出版社，　或进潮。　２００５　４结论　作者简介　李济生（１９８０一），男，主要研究方向为工程技术管理。　综上所述，一般情况下，交联聚乙烯电力电缆受潮或存在　刘波（１９８２一），男，主要研究方向为电气专业。　水树枝早期劣化缺陷时不容易用短时间的试验来判别，采用　直流耐压试验和测量直流泄漏电流方法时，由于表面泄漏电　（收稿日期：２００８—５—３０）　・６６・