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現紙絕緣電纜缺陷的有效性， 發現交聯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。

關鍵詞：直流耐壓試驗 絕緣缺陷 交聯聚乙烯 泄漏電流

引言

電力電纜作為一種輸電設備，具有占地少，供電可靠，有利于提高電力系統功率因素，運行、維護工作簡單方便，有利于美化城市，具有保密性等優點。在城市配網及城網改造和新興的現代化企業中的作用正日益突出，由于進行直流耐壓的種類較多，接線方式各異，試驗結果差別很大，即對同一電纜用不同試驗設備，不同接線測取泄漏電流，也會得到相差各異的數值。隨著交聯電纜的廣泛使用，對油浸紙絕緣電纜和交聯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果，能否投入運行，這些都是我們在工作中遇到的實質性問題，需要我們正確地判斷并得出正確的結論，為電纜的安全運行提供可靠的依據。

一、直流耐壓試驗對發現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驗，實踐證明效果良好，可獲取其內部缺陷的可靠數據。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，當電纜絕緣存在著有發展性局部缺陷時，直流電壓將大部分加在與缺陷串聯的未損壞的部分上，所以直流耐壓試驗比交流耐壓試驗更容易發現電纜的局部缺陷。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行，是因為在實際工作中，兩者在接線和使用設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度，它對發現紙絕緣介質中的受潮，機械損傷等局部缺陷比較有效，因為在直流電壓下絕緣介質中的電壓按電阻系數分布，當介質有缺陷時，電壓主要被與缺陷部分串聯的未損介質的電阻承受，使缺陷更容易暴露。較有利于發現介質缺陷。電纜紙絕緣在直流電壓下的擊穿強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進行耐壓強度的考驗。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聚乙烯絕緣電纜的局限性

交聯聚乙烯絕緣電纜，由于它的電性能優良，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應模擬高壓電器的運行狀況。而直流耐壓試驗對發現紙絕緣電纜缺陷十分有效，但對交聯聚乙烯絕緣電纜則未必有效，而且還可能產生負作用，主要表現在以下幾個方面：

1、交聯聚乙烯絕緣電纜在交、直流電壓下的電場分布不同交聯聚乙烯絕緣層是采用聚乙烯經化學交聯而成，屬整體型絕緣結構，其介電常數為2.1--2.3受溫度變化的影響較小。在交流電壓下，交聯聚乙烯電纜絕緣層內的電場分布是由介電常數決定的，即電場強度是按介電常數反比例分配的，這種分布比較穩定。在直流電壓作用下其絕緣層中的電場強度是按絕緣電阻系數正比例分配的。而絕緣電阻系數分布是不均勻的，這是因為在交聯聚乙烯電纜處于交聯過程中不可避免地溶入一定量的副產品，它們具有相對小的絕緣電阻系數但在絕緣層徑向分布是不均勻的，所以在直流電壓下交聯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構，與材料的不均勻性有關。

2、交聯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遠超過其額定電壓，它將加速絕緣老化縮短使用壽命，嚴重的會發生絕緣擊穿。

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

4、直流耐壓試驗不能有效發現交流電壓作用下的某些缺陷，如在電纜附件內，絕緣若有機械損傷等缺陷在交流電壓下絕緣最易發生擊穿的部位，在直流電壓下往往不能發生擊穿。直流電壓下絕緣擊穿處往往發生在交流工作條件下絕緣平時不發生擊穿的部位。因此直流耐壓試驗不能模擬高壓交聯電纜的運行工況，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聚乙烯絕緣電纜的運行場強狀態不能達到我們所期望的試驗效果，因此就應該考慮用交流耐壓試驗來檢測電纜敷設和附件的安裝質量。應采用以下幾種交流試驗方法：

1、0.1Hz超低頻電壓
根據試驗容量(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于后者的1/500，因而，它可以毫無問題的生產出便攜式設備在現場使用。由于這種原因原來為對大型旋轉式電機進行試驗而開發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。
在基礎調查研究中，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荷。在經電纜的現場試驗中試用后，開始考慮在現行的關于中壓電纜的VDE標準中采納超低頻技術。0.1Hz的推薦試驗電平為3U0。與用50Hz的試驗相比，引發在薄弱點上的擊穿明顯快。60min的試驗持續時間是必要的，以便在試驗中使可能存在的薄弱點發生擊穿。由此可見，超低頻試驗設備是可行有效的。

2、振蕩電壓脈沖
振蕩電壓脈沖源出于國際大電網21-09/2工作組的推薦標準，該組在80年代進行可替代塑料絕緣高壓電纜設施直流電壓試驗的選擇方案的調查研究。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。此外，這種電壓波形具有在現場使用相對比較簡單的方法可以產生很高試驗電平的優勢。與其低頻方法不同，它適用于高壓電纜設施。
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。為了減少對交聯聚乙烯電力電纜的直流耐壓試驗可按照《電力設備預防性試驗規程》中電力電纜線路的橡塑絕緣電力電纜試驗項目進行：(1)測量電纜主絕緣電阻；(2)電纜外護套絕緣電阻；(3)電纜內襯層絕緣電阻；(4)銅屏蔽電阻和導體電阻比；(5)電纜主絕緣直流耐壓試驗。
為了交聯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行改變。終端的鎧裝層和銅屏蔽層應分別用帶絕緣的絞合導線單獨接地，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小于10平方毫米。
中間頭內銅屏蔽層的接地線不得和鎧裝層連在一起，對接頭兩側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套，而且具有與電纜外護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為實際正弦波形，頻率應為20Hz到300Hz之間。當電抗器固定時，諧振頻率的平方與電容量成反比，其表達式為：W2C＝1/L。也就是說，當電源頻率變化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《電力設備預防性試驗規程》修編說明的規定，試驗時間為1h。或者試驗電壓采用電纜U0值，試驗時間為24h，兩者任選一種。
注：對曾經運行過的電纜或其附件設備，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。試驗電壓值應經協商確定，此時考慮電纜運行年數、環境條件、過去擊穿歷史以及此次試驗目的等因素。

四、試驗結果的分析與判斷

電纜通過直流耐壓試驗而未擊穿者，一般可認為該電纜的絕緣是合格的，可以投入系統運行．但并不是說，通過直流耐壓試驗的電纜質量就是好的。具有優良質量的電纜線路應在合理運用及無外力損傷的情況下安全運行數十年無事故．下面，將一般對電力電纜線路絕緣優劣的判斷標準簡介如下：
(1)電纜經直流酬壓試驗后絕緣擊穿者，不能投入系統運行，應立即測尋故障點并進行搶修。
(2)泄漏電流隨試驗電壓的增高而急劇上升者，不能投入系統運行，應人為提高試驗電壓將電纜擊穿，然后測尋故障點并進行搶修。
(3)泄漏電流值很不穩定(排除電源電壓波動等外界因素)．這可能是電纜絕緣內部微小氣隙的局部放電引起。這時可延長耐壓持續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，可以投入系統運行，3個月后再復試．
(4)泄漏電流不平衡系數超過規定的標準時，應首先排除外界因素造成的影響，當確認是由電纜絕緣內部缺陷而引起的泄漏電流不平衡時，應采取上述第(3)條中的延時或提高試驗電壓的方法進行考核、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定、平衡時，可投入系統運行。但應在6個月后進行復試。
(7)直流耐壓試驗中有少數閃絡現象，但在延時或提高試驗電壓情況下，閃絡現象不再出現者，允許投入系統運行，但需6十月后復試；如果仍有閃絡現象出現，一般應找出故障點并予以排除。
以上各條中，需做復試的電纜，凡復試結果無明星惡化趨勢的電纜，均可投入系統運行，并不再列入復試范圍；如果復試結果具有明星惡化趨勢，則應找出原因并予以修復。

結束語

直流耐壓試驗不能有效的發現高壓交聯聚乙烯主絕緣電纜的缺陷，因此不宜用于預試。交流耐壓試驗是檢驗交聯電纜絕緣質量的有效手段。準確有效的掌握電纜各部位的運行狀況有利于提高電纜的安全運行，減少電纜在運行中的故障。

參與文獻：

·DL/T596—1996電力設備預防性試驗規程
·［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》，中國水利水電出版社，2003
·中國南方電網有限責任公司，《電力設備預防性試驗規程》―修編說明，2005