交流耐压试验在高压XLPE绝缘电力电缆中的应用.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 1 年第4 期 总第1 0 3 期 交流耐压试验在高压 X L P E绝缘电力电缆中的应用 穆玉 兰 ( 淮北矿业集 团，安徽 淮北 2 3 5 0 4 3 ) 摘要X L P E ( 交联聚乙烯) 绝缘电力电缆在电力系统 中已得到广泛使用， 通过何种有 效的手段去检验 电缆 的好坏， 是一直以来探 索的课题。实践证 明： 直流耐压试验 不能有效地 发现交联电缆中的绝缘缺 陷， 甚至造成电缆的绝缘 隐患； 交流耐压试验却能真实反映电缆的 绝缘水平， 有效的发现其绝缘缺 陷。 关键词X L P E； 直流耐压 ； 水树枝； 交流耐压； 调频串联谐振 中图分类号 ： T M2 4 7 1 文献标志码 ： B 文章编号： 1 0 0 9 0 7 9 7 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 4 3 0 2 随着经济的发展以及电力系统供电电压等级 的提高 ， X L P E( 交联 聚乙烯 ) 绝缘 电力 电缆 以其合理 的工艺和结构， 优良的电气性能和安全可靠的运行 特点已得到越来越广泛的使用。尤其在高压输电领 域更取得了巨大的进展。与充油电缆相比， 交联电 缆敷设 安装方便 ， 运行维护 简单 ， 不存 在油 的淌流 问题 。但是 ， 近年来 的运行和研究 表明 ， X L P E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 X L P E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。 近年来 国内外 的试验和现场实践经验证 明 ： 直 流耐压试验用来判断纸绝缘电缆的好坏效果 良好 ， 可 获得内部缺陷的可靠数据； 却不能有效地发现交联电 缆中的绝缘缺陷， 甚至造成电缆的绝缘隐患。多次发 生的电缆事故中， 有相当数量的电缆故障是由于经常 性 的直流耐压试验产生的负面效应引起 的。 l 直 流 耐 压 试 验 对 X L P E绝 缘 电 力 电缆 的 局 限性 ( 1 ) XL P E绝缘 电缆在交 、 直流 电压下 的电场分 布不 同。XL P E绝缘 电缆绝缘层是采用 聚乙烯经化 学交联 而成 ， 属整体绝缘结构 ， 且受 温度影响较小 。 在直流电压下 ， 绝缘层 中的电场强度是按照绝缘 电 阻率的正 比例分 配的 ， 且绝缘 电阻率分布是不均匀 的( 在 X L P E塑料生产过程 中， 因工艺原 因在主料 中 不可避免的有杂质存在， 他们具有较小的绝缘电阻 率 ， 且沿绝缘层径向分布， 分布不均匀 ) ； 在交流电 压下 ， X L P E绝缘 电缆绝缘层 内的电场分布 是介 电 常数决定的，即电场强度是按介电常数反比例分配 的， 这种分布比较稳定 ， 所以 X L P E绝缘在交 、 直流电 压下电场分布是不同的 ， 导致了击穿特征的不一致 。 4 3 ( 2 ) XL P E绝 缘电缆在直流 电压 下会 积累单极 性 电荷 ， 一旦有 了由于直流耐压试验引起的单极性 空 间电荷 ，就需要很长时 间才能将这种 电荷释放 ， 电缆如果在 直流残余 电荷 未完全释放 之前投 入运 行 ， 直流电压便会叠加在工频电压峰值上 ， 使得电 缆上的电压值远远超过其额定电压 ， 它将加剧绝缘 老化 ， 缩短使用寿命 ， 严重的还会发生绝缘击穿。 ( 3 ) X L P E绝缘 电缆 的半导体 凸出处与污秽点 等处容易产生空问电荷 ， 但如果在试验时电缆的终 端头发生表面闪络 或电缆 附件击穿 ， 会造成 电缆 芯 线 中产生波振荡 ， 对其他正常 的电缆和接头 的绝缘 造成危害。X L P E绝缘电缆一个致命的弱点就是绝 缘 内容易产生水树枝 ， 一旦产生水树枝 ， 在直流电 压下 ， 会迅速转变为 电树枝 ， 并形成放 电， 加速 了绝 缘 的水 劣化 ， 以至于在运行工频 电压 的作用下形成 击穿 。 由此可见 ， 直流耐压试验不仅不能有效地发 现 XL P E绝缘材料 中的水树枝 等绝缘 缺陷 ，而且 由于 空间电荷的作用 ， 使原来存在 的绝缘 内部弱点进一 步发展 、 扩 大 ， 使绝缘性 能逐 渐衰减形成 绝缘 内部 劣化 的积累效应 ，容易造 成 电缆 在交流 电压作 用 下 ，某 些不应发 生问题 的地方投运 不久就发 生放 炮。此外 ， 电缆的某些部分 ， 如 电缆头 、 中间头 ， 在交 流 电压下 ， 存 在某些缺 陷 ， 在直 流耐压试验 时却不 会击穿。在交接试验中， 很多电缆按标准进行直流 耐压试验时无异常， 但投运不久就发生绝缘击穿事 故 ； 正 常运行 的电缆被直流耐压试验损坏 的现象也 时有发生 。实践证 明 ， 对 高压 交联绝缘 电力 电缆进 行直流耐压试验是 低效且 有害的 ， 而交 流耐压试 验 的 电压 、 波形 、 频率和 电压在 被试 电缆绝缘 内的分 布 ， 一般 和实际运行状 况相 吻合 ， 能更好 的模拟 电 缆的实际运行状 况 ， 因而能够较有效地发现其绝缘 缺陷；而且 X L P E绝缘电缆绝缘内容易产生的水树 煤矿 现代化 2 0 1 1 年第4 期 总第1 0 3 期 枝 ， 在交流 电压下水树枝 的发展是很 缓慢 的。所 以 交流耐压试验较直流耐压试验更加行之有效 。由于 电缆的电容量较大， 采用传统的工频试验变压器很 笨重 、 庞 大 、 且 大电流的工作 电源现场不易取得 ， 因 此一般都采用串联谐振交流耐压试验设备。其输人 电源的容量能显著降低 ， 重量减轻， 便于使用和运 输。初期多采用调感式串联谐振设备( 5 0 H z ) ， 但存 在 自动化程度差、 噪音大等缺点。因此现在大多采 用 变频谐 振 ， 可 以得 到更 高 的品质 因数 ( Q值 ) ， 并 具有 自动调谐 、 多重保护、 以及降低噪音、 灵活的组 合方式、 单件重量轻等优点。 2 调频 串联谐振交流耐压试验工作原理 电抗 器 L和被试 品电容 C组成 的 串联谐 振都 有一个固定的谐振频率 F = l ( 2 1 T 、 L c ) 当试验频率 等于这个频率时， 该电路发生谐振。通过这个原理 ， 由调频 电源提供 电源 送给励 磁变压器 ， 经过励磁变 压器变压成 中压加上 L和被试 品电容 C上 。 通过改 变调频电源输出频率 ，使 回路处于串联谐振状态 ， 再调节调频电源输出电压 ， 使试品上电压达到所需 要的电压值。试验装置原理图见图 1 。 矗抗 图 1 电缆 耐压试验原 理 图 调频电源 一 既可改变其输出频率 ，又可改变 其输出电压。 励磁变压器 一 起耦合信号及 电压变换 的作 用 ， 并按 自身变化来提升电压。 电抗器 一 与被试 品串联 ， 构成 L C串联谐 振电 路 。 电容分压器 一 测量被试品上的电压 ，并作为 采样信号反馈 给调频 电源 。 补偿 电容器 一 补偿小 电容量被试 品 、调整 被 试 品频率 。 _ = 图 2 串联谐振等效回路图 由等效回路图 2可知 ( 假定励磁变压器无损 耗， 其漏感集中在电感内) ： U c = j X c U 【 R + j ( X L - X C ) 】 式 中U c 一 电容 电压 ； u 励磁变压器输出电压 ； x 一 电抗器 的感抗 ； x c一被试品容抗 ； R 一 系统总损耗。 在谐振状态下 ： XL = XC U c = j X c U R U c = Q U ( 1 ) L R = 1 R( 1 ) C = Q 式 中 一 电源角频率 ； Q 一 品质 因数 。 在谐振状态下 ，谐振 回路 中的电流 I 与励磁变 压器电压 u同相。因此输入功率为纯有功功率 ， 即 P = U I ；电容负载上的无功功率 Wc = U c I = Q U I = Q R I 2。 因此， 馈电回路元件的额定容量将降到了所需无功 功率的 1 Q大大降低了对供电系统的要求。 由此 ， 我们可以得 出串联谐振试验具有优点为 ： ( 1 ) 谐振条件下 ， 仅仅需要供给试验 回路 的有功 损失 ， 其电源容量可减少到一般 回路的十几分之一。 ( 2 ) 串联谐振能够使被试品上电压波形畸变率 很 小 ， 从而 获得最佳 的正 弦电压波形 ， 有效 防止谐 波峰值对被试品产生误击穿。 ( 3 ) 串联谐振 在全谐振 状态 下耐压 ， 当被试 品 中绝缘弱点被击穿时电路立即脱谐 ， 短路电流下降 为试 验 电流 的几十分 之一 ， 所 以 ， 串联谐 振耐压 既 能有效 地找出绝缘 弱点 ， 又不存在过 大的短路 电流 烧伤故障点的隐患。 ( 4 ) 不需要设 置保护 电阻。发生 闪络击穿 时， 因 失 去了谐振条 件 ， 除短路 电流 立 即下 降外 ， 高 电压 也 立 即消失 ， 电弧 即刻熄 灭 ； 且恢 复 电压 再建立过 程很长 ， 很容易在再次达 到闪络 电压之前人 为控 制 断开 电源。 3 结束 语 实践验证， 直流耐压试验 已不能有效发现 X L P E 绝缘 电缆存在 的绝缘 缺陷 ， 交流耐压试验才是能真 实反映 电缆的绝缘水平，又不致对 电缆带来累积性 的损伤的有效方法 。 通过现场实践的不断深入， 积累 了许多经验， 并在提高工作效率上提 出见解， 取得 了 一 定的效果 。 作者简介 穆 玉兰， 女， ( 1 9 7 1 一 ) ， 现工作 于安徽省淮北矿 业 集团。 ( 责任编辑 ： 刘欣；收稿 日期 ： 2 O l 1 1 - 1 8 ) 44