高電壓直流耐壓試驗對電纜壽命的影響

摘要:分析了高電壓直流耐壓試驗可有效發現紙絕緣電纜缺陷， 但在發現交聯聚乙烯絕緣電力電纜缺陷方面有局限性。介紹了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

0 引言

泄漏電流電力電纜作為一種輸電設備，不但具有占地少、供電可靠性高、運行和維護簡便、可保密等優點，而且有利于提高電力系統功率因數，有利于美化城市。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，由于進行直流耐壓試驗的方法種類較多，接線方式各異，試驗結果差別很大。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。

1直流耐壓試驗對發現紙絕緣電纜缺陷的有效性

直流耐壓試驗可判斷紙絕緣電纜的好壞，并可獲取其內部缺陷的可靠數據。避免交流高電壓對紙絕緣的永久性破壞作用。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。電纜直流耐壓試驗時，電纜導體接負極。這時電纜絕緣中有水分存在，將會因電滲透作用使水分子從表層移向導體，發展成為貫穿性擊穿缺陷，易于在試驗電壓下擊穿，因而有利于發現電纜絕緣缺陷。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，電壓主要由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。電纜紙絕緣在直流電壓下的擊穿強度約為交流電壓下的2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，用遙表測量電纜的絕緣良好，而電纜的絕緣在直流耐壓試驗中被擊穿。因此，直流耐壓試驗是檢驗電纜耐壓強度、發現紙絕緣介質受潮、機械損傷等局部缺陷的有效手段。

2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電性能優良、制造工藝簡單、安裝方便，被廣泛采用，已成為紙絕緣電纜的替代品。按高壓試驗的通用原則，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。這對檢驗交聯聚乙烯絕緣電纜效果不明顯，而且還可能產生負作用，主要表現在以下幾個方面:

2.1 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，其介電常數小于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。這是因為交聯聚乙烯電纜在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。

2.2 交聯聚乙烯絕緣電纜在直流電壓下會積累單極性電荷，釋放由直流耐壓試驗引起的單極性空間電荷需要很長時間。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，電纜上的電壓值將遠遠超過其額定電壓。這會導致電纜絕緣老化加速，使用壽命縮短，嚴重的會發生絕緣擊穿。

2.3 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接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，危害其他正常的電纜和接頭的絕緣。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，在直流電壓下，水樹枝會迅速轉變為電樹枝，并形成放電，加速了絕緣水劣化，以致于在運行工頻電壓作用下形成擊穿。

2.4 直流耐壓試驗不能有效發現交流電壓作用下電纜的某些缺陷。如在電纜附件內，在交流電壓下，絕緣機械損傷等缺陷處最易發生擊穿，在直流電壓下則不會。直流耐壓試驗模擬高壓交聯電纜的運行狀況，其試驗效果差，并且有一定的危害性。

3交流耐壓試驗

直流耐壓試驗模擬交聯聚乙烯絕緣電纜的運行場強狀態不能達到所期望的試驗效果，可以考慮用交流耐壓試驗來檢測電纜敷設和附件的安裝質量。

3.10.1Hz超低頻電壓 根據試驗容量(試驗容量公式S=wCU

s2=2∏fUs2 kVA，式中的C為被試電纜電容量;Us為試驗電壓;f為工頻頻率)，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。因此，原來為大型旋轉式電機進行試驗而開發的超低頻電壓設備可為塑料絕緣電纜直流電壓試驗所用。在基礎調查研究中，首先針對各種模擬配置求出在0.1Hz和50Hz時試驗電壓(U0的2倍)等值的對絕緣施加的電壓負荷。在經電纜現場試驗試用后，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變快。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。

3.2 振蕩電壓脈沖 振蕩電壓脈沖源于國際大電網21-09/2工作組的推薦標準，該組在20世紀80年代進行可替代塑料絕緣高壓電纜設施直流電壓試驗選擇方案的調查研究。按照有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，采用這種電壓波形，在現場可用相對比較簡單的方法產生很高的試驗電平。與低頻方法不同，它適用于高壓電纜設施。目前，這些試驗方法在我國還沒有普及，無論硬件還是軟件，尚處于研究階段。為了掌握電纜各部分的絕緣狀況并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做以上測量，必須改變電纜附件安裝工藝中金屬層的接地方法。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25mm2，鎧裝層接地線截面不應小于10mm2。中間頭內銅屏蔽層的接地線不得和鎧裝層連在一起，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。主絕緣交流耐壓試驗的電壓波形應為正弦波形，頻率應為20～300Hz。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。即當電源頻率變化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，在電抗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公司《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:對于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。)

4 試驗結果的分析與判斷

一般可認為通過直流耐壓試驗而未被擊穿的電纜的絕緣是合格的，該電纜可以投入系統運行。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。判斷電力電纜線路絕緣優劣的標準如下:①電纜經直流耐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，或者電纜在試驗電壓穩定后泄漏電流急劇上升，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若泄漏電流值很不穩定(排除電源電壓波動等外界因素)，則可能是電纜絕緣內部微小氣隙的局部放電引起的。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(不平衡系數不大于2)，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的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個月后復試;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，需做復試并且復試結果無明顯惡化趨勢的電纜，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顯惡化趨勢，則應找出原因并予以修復。

5結束語

直流耐壓試驗不能有效地發現高壓交聯聚乙烯主絕緣電纜的缺陷，在直流電壓下，由于溫度和電場強度的變化，交聯聚乙烯絕緣層的電阻系數會隨之發生變化，絕緣層各處電場強度分布因溫度不同而各異，在同樣厚度下的絕緣層，因為溫度升高而擊穿水平降低，由于高壓交聯聚乙烯絕緣層厚，因此不宜用于直流試驗測試;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。