橡塑绝缘电力电缆交流耐压试验分析

胡晓东（湖南省送变电工程公司调试分公司，湖南 长沙 410007）



橡塑绝缘电力电缆交流耐压试验分析

胡晓东（湖南省送变电工程公司调试分公司，湖南 长沙 410007）

本文分析了电力电缆故障产生的原因和故障分类，同时分析了0.1Hz交流耐压试验和串（并）联谐振交流试验的优点及工作原理，以期能够为橡塑绝缘电力电缆交流耐压试验提供借鉴。

橡塑绝缘电力电缆；交流耐压试验；优点；工作原理

引言

近些年来，中低压系统普遍采用橡塑绝缘电力电缆，且多集中于35kV、10kV、6kV这3种电压等级的电力电缆。研究表明，交联聚乙烯（XLPE）电缆在运行过程中容易产生树枝化放电，导致绝缘老化破坏，大大的降低了XLPE电缆的使用寿命。因此，全面了解橡塑电力电缆的绝缘特性和及预防电缆绝缘故障，在保证输电设备和电力安全等方面具有十分重要的作用。与传统电缆相比，橡塑电力电缆绝缘故障缺陷发展具有一定的隐蔽性和迅速性，同时橡塑电力电缆对传统电缆直流耐压试验敏感程度较低等，导致常常难以提前检测出来绝缘故障。由于橡塑电缆在很大程度上不同于传统油纸绝缘电缆的电气特性，许多研究人员提出了各种新的试验方法来检验橡塑电力电缆的早期绝缘故障。然而，这些新的试验方法存在设备沉重、需求电源容量大、不适合现场检测以及没有形成规程规范等缺点，导致其难以作为现场检测的定性试验。目前，用于橡塑电力电缆交流耐压试验的方法主要有0.1Hz交流耐压试验以及串（并）联谐振交流耐压试验。笔者根据实践经验，对上述两种方法进行初步的分析和研究。

1　电力电缆产生故障的原因及故障分类

1.1故障原因

1.1.1绝缘老化变质

在电磁作用下长期工作，电力电缆绝缘势必受到因电磁作用而产生的化学作用、热作用和机械作用的影响，导致介质物理化学性质产生改变，继而降低介质的绝缘性能，这是一种客观存在的电力电缆老化过程。但是，一般情况下，电力电缆的自然老化过程均会经过测试，且预期使用寿命可以长于107h。

1.1.2过 热

过热主要是指由于电力电缆绝缘内部气隙游离，电缆绝缘局部温度升高，导致绝缘炭化。同时，电力电缆过负荷也会引起电力绝缘温度升高。另外，电缆密集区的电缆、电缆隧道的电缆、电缆沟中的电缆、干燥管中的电缆以及与热力管道距离较近的电缆，均会因电缆绝缘温度升高而减少使用寿命。

1.1.3机械损伤

机械损伤主要是指在施工过程成中由于不合理挖掘等因素导致的电缆绝缘受损。这种电缆故障也很常见，施工人员对电缆走向不明，或根本没有意识到要保护电缆，往往造成这种事故。在城区或厂区改造施工中更容易发生这类事故。除此之外，电缆在安装时拉扯，也会留下隐蔽缺陷，尤其是电缆头位置，而且这种缺陷很难当时发现，往往成为电缆绝缘加速损坏乃至绝缘击穿的诱引。

1.1.4护层的腐蚀

护层腐蚀主要是指土壤酸、碱以及其他因素等对埋地电缆护层的腐蚀。由于绝大多数电力电缆埋于土壤之中，这是一种难以避免的腐蚀。即使有特定的电缆隧道，也只能减慢护层被腐蚀的速度。

1.1.5绝缘受潮

绝缘受潮主要是由中间接头或终端头的结构不密封或安装质量较差而引起的，不但与安装电缆的环境条件密切相关，而且在很大程度上受到电缆终端头、中间接头等附件质量的影响。

1.1.6过电压

大气过电压、系统内部过电压是过电压的主要类型。其中，大气过电压是导致户外终端接头故障的主要因素。另外，在大气过电压的条件下，电缆自身的不足也会引起绝缘故障。1.1.7材料缺陷

电缆材料缺陷主要包括电缆制造缺陷、附件制造质量较差、绝缘材料维护管理不到位等，这在很大程度上导致电缆内部产生气泡，从而使电缆在电压作用下出现故障。另外，不同的工艺技术会有很大差别，不同厂家差别很大。通常情况下，电缆附件的制作工艺更能决定电缆的使用寿命。

1.2故障分类

1.2.1开路故障

如果电缆相间或相对地绝缘电阻值符合规范值，而工作电压未能传输至电缆终端或电缆终端存在电压，但是电缆终端负载能力不强。就对引起电缆故障。A相A点存在有电阻Rk，当Rk=∞，即为断线故障（图1）。实际上，此类故障均发生于电缆中间接头处或者是因电缆被施工挖断而产生。

1.2.2低阻故障

低阻故障（图1）主要是指因电缆相间或相对地绝缘受损而导致其电阻值可以通过低压脉冲法测量的一类故障。这也是一种比较常见的故障。当B相B点对地电阻Rg=0时，即为短路故障，这是低阻故障的典型例子。

1.2.3高阻故障

高阻故障是相对于低阻故障而言的，主要有泄漏性高阻故障、闪络性高阻故障，是指因电缆相间或相对地绝缘受损而导致其绝缘电阻变大，但是不能采用低压脉冲法测量。这种类型的故障具有很强的隐蔽性，往往难以通过普通试验来进行判断。

2　橡塑绝缘电力电缆交流耐压试验方法

2.10.1Hz交流耐压试验

0.1Hz超低频耐压属于交流耐压，且能大大降低交流耐压试验设备的容量和质量以适于现场试验。从理论上来讲，0.1Hz交流耐压可以降低500倍，由于结构原因，实际下降50～100倍，比较适于现场使用（见图1）。

0.1Hz交流耐压的基本原理（图1）为：①通过整流和滤波将50Hz电源变成直流电压，然后再由逆变电路将直流电压变成1kHz电压。②通过0.1Hz正弦振荡器对1kHz电压进行调幅，使其等幅波变成0.1Hz的变化调幅波。这个调制电压通过两个高压变压器和电压倍增电路产生按照0.1Hz正弦波变化的正、负高电压。③通过压敏电阻器VDR1和VDR2的解调，负载上便可输出0.1Hz高压正弦电压波形。

图1　0.1Hz发生器基本原理

电缆介质树枝状老化或进潮是XLPE绝缘电缆最常见的早期绝缘性能劣化现象，而该方法非常适合于作为XLPE绝缘电力电缆的预防性试验方法。同时，目前开发出的超低频试验设备最高输出电压较低，不能满足较高电压电缆的试验要求，而超低频试验设备在中低压电介损测量上实现了较好的应用。因此，在0.1Hz电压下检测电缆的介损已成为中低压XLPE绝缘电缆的一种有效方法。

2.2串（并）联谐振交流耐压试验

工频串联谐振原理是通过并联补偿电容器组Cn与被试品电容Cx，之后再串联电抗器L（L1+L2），从而形成谐振电器（图2）。

图2　串联谐振试验基本原理图

串联谐振试验主要优点表现为：①串联谐振实际上属于谐振式电流滤波器，能使被试品上电压波形畸变率＜0.5%，获得最佳正弦电压波形，从而有效防止谐波峰值对被试品产生误击穿。②在全谐振状态下串（并）联谐振耐压，如果被试品的绝缘弱点被击穿，则电路立刻脱谐，短路电流在瞬间大幅度下降。因此，串联谐振耐压不但能有效地检测出电缆绝缘弱点，而且还能有效的避免过高的短路电流烧伤故障点。③闪络击穿会致使谐振条件丧失，这不但会导致短路电流和高电压立即下降消失，而且会使电弧也立即熄灭，同时由于恢复电压再建立周琦较长，极易在再次达到闪络电压之前引起人为断开电源。现阶段，工频串联谐振试验设备均使利用调感来实现调谐，大容量的高压电抗器利用机械装置来调节气隙长度，从而改变电抗值，其变化和所带的容性负载均有一定的范围，而且质量大，可移动性差，主要用于大型发电机的耐压试验和实验室工作。然而，现场XLPE电缆长度和容量大小不等，从数十米到数千米均有，容量有大有小，因此，工频串联谐振试验设备无法满足实际的试验需求。因此，调频串联谐振试验便产生了。④调频串联谐振试验回路由高压串联谐振主回路、调频调压回路两部分组成，与工频调谐相比，该试验主要是多了一个调频电源（图3）。

调频串联试验系统的主要优点表现为：调频串联谐振耐压与工频耐压等效性好；工作效率高；设备重量小；方便携带；试品容量范围广等，是现阶段最为有效的现场交流耐压试验方法。

图3　调频串联谐振试验原理图

目前，国内部分城市对XLPE电缆的试验标准进行了修改，以变频交流耐压试验代替直流耐压试验，取得了良好的效果。标准如表1所示。

表1　XLPE电缆交接及预防性耐压试验交流电压试验标准（kV）

3　结语

作为电力系统主要输电设备之一，电力电缆具有不容忽视的作用和地位。近些年来，随着电力电缆的不断发展，橡塑电缆凭借自身良好的绝缘特性和经济性能而被广泛的应用。然而，橡塑绝缘电力电缆缺陷发展具有隐蔽性和迅速性，同时其对传统的电缆直流耐压试验敏感度较低，从而导致绝缘故障也逐步增多。但是，有理由相信，随着交流耐压试验的方法和理论的不断进步与发展，橡塑绝缘电力电缆的故障将能够被快速有效的检测出来，为电力输送提供非常可靠的保障。

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胡晓东（1983-），男，工程师，本科，主要从事电气调试工作。

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2095-2066（2016）17-0034-02

2016-6-1