高電壓直流耐壓試驗(yàn)對(duì)電纜壽命的影響

摘要：

本文主要通過(guò)分析高電壓直流耐壓試驗(yàn)對(duì)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(guò)分析直流耐壓試驗(yàn)、泄漏電流來(lái)判斷電力電纜主絕緣缺陷的方法。

關(guān)鍵詞：直流耐壓試驗(yàn) 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(jiǎn)單方便，有利于美化城市，具有保密性等優(yōu)點(diǎn)。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(yàn)結(jié)果差別很大，即對(duì)同一電纜用不同試驗(yàn)設(shè)備，不同接線測(cè)取泄漏電流，也會(huì)得到相差各異的數(shù)值。隨著交聯(lián)電纜的廣泛使用，對(duì)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(yàn)是否合適，如何正確判斷電纜的試驗(yàn)結(jié)果，能否投入運(yùn)行，這些都是我們?cè)诠ぷ髦杏龅降膶?shí)質(zhì)性問(wèn)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(yàn)對(duì)發(fā)現(xiàn)紙絕緣電纜缺陷的有效性

直流耐壓試驗(yàn)用來(lái)判斷紙絕緣電纜的好壞已有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)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(cè)量意義上來(lái)說(shuō)，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(shí)，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(yàn)比交流耐壓試驗(yàn)更容易發(fā)現(xiàn)電纜的局部缺陷。電纜的直流耐壓試驗(yàn)和直流泄漏電流測(cè)量在其意義上是不同的，直流耐壓試驗(yàn)和直流泄漏電流測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，是因?yàn)樵趯?shí)際工作中，兩者在接線和使用設(shè)備測(cè)試等方面是完全相同的。在一般情況下直流耐壓試驗(yàn)是用來(lái)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(cè)試是檢查絕緣老化、受潮的有效辦法。
直流耐壓試驗(yàn)的目的在于檢驗(yàn)電纜的耐壓強(qiáng)度，它對(duì)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?yàn)樵谥绷麟妷合陆^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(shí)，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(duì)絕緣介質(zhì)進(jìn)行耐壓強(qiáng)度的考驗(yàn)。在許多情況下，用搖表測(cè)量電纜的絕緣良好，而在直流耐壓試驗(yàn)中發(fā)生絕緣被擊穿，因此直流耐壓是檢測(cè)紙絕緣中、高壓電纜缺陷的有效手段。

二、直流耐壓試驗(yàn)對(duì)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(jiǎn)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(yàn)的一個(gè)通用原則，被試品上所施加的試驗(yàn)電壓場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)模擬高壓電器的運(yùn)行狀況。而直流耐壓試驗(yàn)對(duì)發(fā)現(xiàn)紙絕緣電纜缺陷十分有效，但對(duì)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(gè)方面：

1、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜在交、直流電壓下的電場(chǎng)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(chǎng)分布是由介電常數(shù)決定的，即電場(chǎng)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(chǎng)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?yàn)樵诮宦?lián)聚乙烯電纜處于交聯(lián)過(guò)程中不可避免地溶入一定量的副產(chǎn)品，它們具有相對(duì)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(chǎng)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(huì)積累單極性電荷，一旦有了由于直流耐壓試驗(yàn)引起的單極性空間電荷需要很長(zhǎng)時(shí)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(huì)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(guò)其額定電壓，它將加速絕緣老化縮短使用壽命，嚴(yán)重的會(huì)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(diǎn)等處容易產(chǎn)生空間電荷，但如果在試驗(yàn)時(shí)電纜終端頭發(fā)生表面閃絡(luò)或電纜附件擊穿，會(huì)造成電纜芯線中產(chǎn)生波振蕩，對(duì)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(gè)致命弱點(diǎn)是絕緣內(nèi)容易產(chǎn)生水樹(shù)枝，一旦產(chǎn)生水樹(shù)枝在直流電壓下，會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌?shù)枝，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(yàn)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(shí)不發(fā)生擊穿的部位。因此直流耐壓試驗(yàn)不能模擬高壓交聯(lián)電纜的運(yùn)行工況，試驗(yàn)效果差，并且有一定的危害性，所以直流耐壓試驗(yàn)對(duì)檢測(cè)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(yàn)

既然直流耐壓試驗(yàn)不能模擬交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的運(yùn)行場(chǎng)強(qiáng)狀態(tài)不能達(dá)到我們所期望的試驗(yàn)效果，因此就應(yīng)該考慮用交流耐壓試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)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(yàn)方法：

1、0.1Hz超低頻電壓
根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)電壓，f-工頻頻率，我國(guó)為50HZ)，由此可見(jiàn)，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(wú)問(wèn)題的生產(chǎn)出便攜式設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)使用。由于這種原因原來(lái)為對(duì)大型旋轉(zhuǎn)式電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)而開(kāi)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(yàn)的選擇方案。
在基礎(chǔ)調(diào)查研究中，首先針對(duì)各種模擬配置求出在使用0.1Hz頻率時(shí)與在50Hz時(shí)試驗(yàn)電壓(U0的2倍)等值的對(duì)絕緣施加的電壓負(fù)荷。在經(jīng)電纜的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中試用后，開(kāi)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(yàn)電平為3U0。與用50Hz的試驗(yàn)相比，引發(fā)在薄弱點(diǎn)上的擊穿明顯快。60min的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間是必要的，以便在試驗(yàn)中使可能存在的薄弱點(diǎn)發(fā)生擊穿。由此可見(jiàn)，超低頻試驗(yàn)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(guó)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(yàn)的選擇方案的調(diào)查研究。按照有或無(wú)極性變換的電路變形，這種電壓波形因其隨時(shí)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(chǎng)使用相對(duì)比較簡(jiǎn)單的方法可以產(chǎn)生很高試驗(yàn)電平的優(yōu)勢(shì)。與其低頻方法不同，它適用于高壓電纜設(shè)施。
這些試驗(yàn)方法在我國(guó)目前還沒(méi)有普及無(wú)論從硬件還是軟件上我們尚處于研究階段。為了減少對(duì)交聯(lián)聚乙烯電力電纜的直流耐壓試驗(yàn)可按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中電力電纜線路的橡塑絕緣電力電纜試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行：(1)測(cè)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(yàn)。
為了交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜作為以上四項(xiàng)測(cè)量就必須對(duì)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(duì)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(guò)上述的這些試驗(yàn)項(xiàng)目，以此來(lái)掌握電纜各部分的絕緣狀況。
主絕緣交流耐壓試驗(yàn)的電壓波形應(yīng)為實(shí)際正弦波形，頻率應(yīng)為20Hz到300Hz之間。當(dāng)電抗器固定時(shí)，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(shuō)，當(dāng)電源頻率變化n倍時(shí)，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(gè)數(shù)或者電感量不變時(shí)，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(gè)數(shù)或者電感量不變時(shí)，試品電容量最大可以變化100倍。試驗(yàn)電壓按照中國(guó)南方電網(wǎng)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》修編說(shuō)明的規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)間為1h。或者試驗(yàn)電壓采用電纜U0值，試驗(yàn)時(shí)間為24h，兩者任選一種。
注：對(duì)曾經(jīng)運(yùn)行過(guò)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(yàn)電壓或縮短試驗(yàn)時(shí)間。試驗(yàn)電壓值應(yīng)經(jīng)協(xié)商確定，此時(shí)考慮電纜運(yùn)行年數(shù)、環(huán)境條件、過(guò)去擊穿歷史以及此次試驗(yàn)?zāi)康牡纫蛩亍?

四、試驗(yàn)結(jié)果的分析與判斷

電纜通過(guò)直流耐壓試驗(yàn)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(shuō)，通過(guò)直流耐壓試驗(yàn)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(wú)外力損傷的情況下安全運(yùn)行數(shù)十年無(wú)事故．下面，將一般對(duì)電力電纜線路絕緣優(yōu)劣的判斷標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介如下：
(1)電纜經(jīng)直流酬壓試驗(yàn)后絕緣擊穿者，不能投入系統(tǒng)運(yùn)行，應(yīng)立即測(cè)尋故障點(diǎn)并進(jìn)行搶修。
(2)泄漏電流隨試驗(yàn)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(yàn)電壓將電纜擊穿，然后測(cè)尋故障點(diǎn)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(dòng)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(shí)可延長(zhǎng)耐壓持續(xù)時(shí)間或提高試驗(yàn)電壓，觀察泄漏電流的變化情況．如果在延時(shí)或提高電壓的情況下，泄漏電流惡化趨勢(shì)不大，可以投入系統(tǒng)運(yùn)行，3個(gè)月后再?gòu)?fù)試．
(4)泄漏電流不平衡系數(shù)超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(shí)，應(yīng)采取上述第(3)條中的延時(shí)或提高試驗(yàn)電壓的方法進(jìn)行考核、判斷與處理．
(5)泄漏電流隨時(shí)間延長(zhǎng)有上升趨勢(shì)，且泄漏電流值比上次顯著增大時(shí)，可采取上述第3條中的延時(shí)或提高試驗(yàn)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(shí)，可投入系統(tǒng)運(yùn)行。但應(yīng)在6個(gè)月后進(jìn)行復(fù)試。
(7)直流耐壓試驗(yàn)中有少數(shù)閃絡(luò)現(xiàn)象，但在延時(shí)或提高試驗(yàn)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(diǎn)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(wú)明星惡化趨勢(shì)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(shì)，則應(yīng)找出原因并予以修復(fù)。

結(jié)束語(yǔ)

直流耐壓試驗(yàn)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(yàn)是檢驗(yàn)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(yàn)規(guī)程
·［德］L.Heinhold,R.Stubbe(hrsg)著,門(mén)漢文、崔國(guó)璋、王海譯，《電力電纜及電線》，中國(guó)電力出版社，2001
·李宗廷、王佩龍、趙光庭、劉進(jìn)國(guó)編著，《電力電纜施工手冊(cè)》，中國(guó)電力出版社，2001
·于景豐、趙鋒編著，《電力電纜實(shí)用技術(shù)》，中國(guó)水利水電出版社，2003
·中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》―修編說(shuō)明，2005