电力电缆的现场试验与诊断.pdf

2 0 0 1 年第 6 期 No6 2 001 电 线 电 缆 E l e c I rtj cWi r e Ca b l e 2 0 0 1年 1 2月 Dec + 20 01 电力电缆的现场试验与诊断 史志侠 ( 北京兴迪仪 器有限公司 ， 北 京 1 0 0 1 0 1 ) 摘要 ： 本文舟绍电力电缆现场试验和诊断的现状 和发展 。直 流电压试验柞为一种对油浸纸绝缘 电境非常有效 的方法应 用至夸 但它对 塑料 绝缘 电缆是 无效而且有害 的 文中讨 论 了近 几年 以来开发 的 0 1m VL F法、 CDA 法 、 OWTS法 咀噩 变箭 谐 振 试 验 系统 。 用 主 频谐 振 试 验 系统 进 行 的 2 0 3 0 0Hz交 流 电 压 试 验 已鞋 I EC 确认为 高压和超高 电力 电统 的主要试验方法 关键词 ： 电力电境； 现场试验 ； 诊 断； 变颤谐振 试验 系统 中圈分 类号 ： T M2 4 7 1 ； 2 0 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 3 1 1 3 9 2 ( 2 0 0 1 ) 0 6 0 0 3 3 0 4 On s i t e t e s t i ng a nd d i a gn os t i c s o f po we r c ab l e s SHI Z hi xi a ( X i n d a I n s t r u m e n t C o ， L t d 、 B e i j i n g t B e i j i n g 1 0 0 1 0 1 t C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e s t a t u s q u o a n d f u t u r e d e v e l o p me n t o f o n s i t e t e s t i n g a n d d i a g n o s i t i c s o f p o we r c a b l e s a r e p r e 一 5 e n t e d Th e DC t e s t whi c h i s a n e f f e c t i v e n l e a n s f o r t h e d i a g n o s t i c s o f o i l i mp r e g n a t e d p a p e r i n s u l a t e d c a b l e ， i s s t i l l u s e d e v e n n o w +b u t i t i s i n e f f e c t i v e a n d h a r mf u l f o r t h e p l a s t i c n s u l a t e d c a b l e Th e 0 1 Hz VLF me t h o d，CDA ，OW TS a n d f r e qu e n c y t u n e d r e s o n a n c e t e s t s y s t e m t wh i c h h a v e b e e n d e v e l o p e d i n r c e n t y e a r s +a r e d i s c u s s e d Th e t e s t wi t h 2 0 3 0 0 Hz AC v o l t a g e u s i n g f r e q u e n c y t u n e d r e s o n a n c e t e s t s y s t e m h a s b e e n a p p r o v e d b y I EC a s t h e p r i n c i p a l t e s t me t h o d f o r HV a n d UHV p o we r c a b l e s Ke y wo r d s ：p o we r c a b l e ；o n s i t e t e s t i n g；d i a g n o s t i c s ；f r e q u e n c y t u n e d r e s o n a n c e t e s t s y s t e m 1 引 言 电力电缆的现场试验包括敷设后的试验 ， 以检 验电缆的敷设和电缆附件 的安装质量 ； 大修后 的试 验 ， 以验证修复工作 的效果 ， 检验故障是否完全排 除； 以及对运行中的电缆进行 的诊断性试验， 以了解 电缆绝缘当前 的状态 ， 以便采取必要的措施。 由于 现 场试 验 是在 安 装 地点 进 行 的 ， 所 以对于 现场试验设备有特殊要求 ， 尤其要求重量轻、 便于运 输、 易安装 、 操作简便 、 可靠性高。 从物理观点出发 ， 4 5 6 5 Hz的工频试验电压 是最有效 的， 因为它与电缆的运行条件相符。 但是 由 于电力 电缆的电容负荷相当大 ， 为 了试验十多公里 长 的高压和超高压电力 电缆， 所需要的电源容量可 达数十兆伏安。 这样大的工频试验电源造价高 ， 而且 运输也 困难 。所以油浸纸绝缘电力电缆的现场试验 从 一开始就采用易于宴验而且便于运输的直流 电 源。随着 P E和 XL P E等塑料绝缘电缆应用的不断 增多， 直流电压试验巳不再完全有效 。 因此人们又研 收冀 日期 ： 2 0 0 1 0 4 1 1 作者 简舟 ： 史 志侠 ( 1 9 3 8 一 ) ， 男 ， 陕西户 县人 ， 高级工程 师 作者地址 ： 陕西省西安 市土门惠民坊 1号明 日新概 念楼 3 0 1 宣 7 1 0 0 7 7 3 发 了各 种替 代方法 ， 例 如 0 1 Hz 甚低 频 ( VL F) 试 验 法， 综台放 电分析法 C D A( C o mp l e x d i s c h a r g e a n a l y z i n g ) ， 振荡波试验系统 ( O WTS ) 以及变频谐振交 流试 验 系统等 。本 文简要 介绍 以上各 种试 验方 法 。 2 直流耐压试验 直流耐压试验已经应用了许多年 ， 特别是对于 油浸纸绝缘 电力电缆是非常行之有效的。它 巳作为 一 种标准 的试验方法， 这在国际标准 和国家有关标 准 中都可找 到 ，例如 I E C 5 0 2 1 9 8 3 l 1 ，I E C 8 4 0 - l 9 9 8 一 和 TG1 1 0 1 7 等 长 期 的试 验 实 践 已经 证 明 ， 对 于 P E 和 X L P E 等塑料绝缘电缆 直流电压试验是不适用的。 这是因 为： ( 1 ) 直流电压下的场强分布与交流电压下不同； ( 2 )在很高的直流电压下仍不能有效地发现已经存 在 的缺 陷 ， 例如在 2 0 k V XL P E 电缆 的主 绝缘 中插 入一金属尖， 使 5 0 的绝缘短路 ， 在 1 O 下仍不能 导致击穿， 接头 中的金属尖端或终端 中的较大缺陷 用 1 2 1 6 Un 也 不 能 发 现 ( 3 )由 于 塑料 绝 缘 的 绝缘电阻很大 ， 因此直流 电压试验时积累的空间电 荷能存在很长时间， 而这些空间电荷可能导致电缆 在 以后 的运行 中过早发生击穿 。由于 上原 因， 人们一直在努力寻求新的试验方法 。 维普资讯 2 0 0 1 年第 6 期 No 6 2 00 1 电 线 电 缆 E【 e c t r i c W i r e Ca b 【 e Z 0 0 1 年 l 2月 De e 2 0 0I 3 0 1 Hz甚低频 ( VL F ) 交流电压试 验 由于容性电流髓试验电压 的频率的降低成正比 减小 。 所 以降低试验电压频率可使试验电源容量减 小 。因此 ， 0 1 Hz 时试 验 电源 的容 量 仅 为 5 0 Hz 时 的 O 2 这就使试验电源的重量大大减轻 ， 非常有 利于 现场 应用 0 1 Hz VL F交流 电压试验 系统 是 由奥地 利 B AUE R公司研制成功的。 它在德国、 荷兰和 比利时 等欧洲 国家得到 了广 泛采用 ， 并被纳入相应的国家 标准 。例如德国标准 VDE DI N 0 2 7 6 一 l 9 9 5规定“， 对于 P VC和油 浸 纸绝 缘 ， 用 0 1 Hz 交 流 电压 试 验 时试 验电压 为 3 U ， 要求 3 O分 钟 内不 击穿 ； 对 于 XL P E绝缘电缆试验 电压仍为 3 U。 ， 但要求 6 0分钟 内不击 穿 。 0 1 Hz VL F交流电压试验系统 的优点是 ， 除 了进行耐压试验 以外还可进行诊断性测量 ， 例如介 质损 耗和 局部 放 电测量 。为了得 到利 用 t 测 量结 果判断电缆绝缘状态的依据 ， 已经对大量 电缆试样 以及运行中老化电缆进行了 t 测量 。新 X L P E电 缆 的 t ( 2 U。 ) 总是小于 0 1 1 0 - 。而对运行中老 化电缆可采用如下表 中的依据来判断电缆当前的绝 缘状态L 1 “ 。 襄 1 判断电啦绝缘状态的依据 表中左 右两行 屙时存在条件下应采取的相应措施 这就是说 ， 当在 2 时测得的 t 值大于 2 2 1 0 且 t g ( 2 U。 ) g 8 ( 1 Uo ) 大于 1 X1 0 时， 电缆被 判定为坏电缆 ， 这时电缆已经严重水树老化 ， 应立即 更换； 当在 2 U。 时测得 的 t g 6值小 于 1 2 1 0 且 g 8 ( 2 U。 ) t ( 1 U 。 ) 小 于 0 6 l 0 时 ， 电缆 被判 定 为好电缆， 还可继续运行。 但 由于 t 测量是判断电 缆整体绝缘状态的一种方法， 即使电缆中存在严重 的局部缺陷 ， 用 t g 8 测量也不能发现 ， 所以只能认为 目前暂不更换 ， 更详细的绝缘状态还需要利用局放 测量； 当 1 2 X 1 0 g 8 ( 2 U。 ) 0 6 1 0 I 时 电缆 中的缺陷已 不是局部性的 ， 而可能是整体性或多发性的， 这种电 缆已经不宣进行修复， 因而应考虑以后更换 0 1 Hz VL F试验 装置除 了能提供 0 1 Hz交 流试 验 电压外 ， 还 可提供 直流 电压 和方 波 电压 ， 电压 的高低与装置型号有关， 最高可达 8 0 k V 为了能进 一 步对绝缘状态作出详细判断 ， 除 了 t 测量装置 以外 ， 还可提供局放测量装置。 4综 合 放 电 分 析 系 统 C D A 法 ( C o mp l e x Di s e h a r g e An a l y z i ng) 0 1 Hz VL F试验技术克服了直流电压试验的 缺点 ， 同时还可根据 t g 6和局放测量 对电缆进行绝 缘状态诊断 ， 以便对运行中老化的电缆进行分级 ， 因 而使中压电缆的现场试验向前迈进了一大步 但是 0 1 Hz VL F交流电压试验相对于 5 0 Hz交流电压 的等价性却是值得怀疑的 因为它变化非常缓慢 ， 所 以电缆绝缘中的场强分布受电阻 的影响较大， 而不 象在工频交流电压下那样是按 电容分布 的。 因此缺 陷周围的电场强度减小 ， 使局放的起始条件发生变 化， 需要较高的电压水平才能引发局部放电 。基 于这个原 因。 人们又开发了专门用于 中压电缆现场 试验的其它方法。C DA法就是其中之一 产生 C D A试验电压 的原理图如图 l所示 。 首 先直流电源 G通过连接电缆 A 向被试 电缆的电容 c 充电， 与 c x并联的支撑电容 cs 也同时充电。当 充 电电压达 到试验 电压 ur时 ， 使 放 电开 关 E s闭 合 。 这时 电容 c x +c s 通过放 电电感 L E 放电 ， 从 而 产生振荡的瞬态 电压 ， 如图 2所示。 渡前时间即充电 时 间 “取为 1 0 s 左 右 ， 这 和 0 1 Hz的一 个 周 期 相 应 ， 因而所需电源容量与 0 1 Hz VL F试验相似 ； 波 尾时间 t 即放电时间约取为 1 0 I l l s ， 即可 与 5 0 Hz 工频电压的半渡时间相 比， 局放 测量就在这段时间 内进行 。局放测量线路图如图 3所示， 局放信号 由 c c和 M 组成 的耦合 单元 提取 。通过模数转 换器 AD C转换为数字信号 。 用计算机支 持的分析系统 AS进行分析处理和定位 周 1 产 生 C D A 试验 电压的原理 围 在渡前时间 t 测量局放是设有意义的， 因为这 一 段时间与 V L F试验相似。而在渡尾阶段 ， 径 向场 强的分 布与工频 电压下相似 ， 所 以应保证 只有在 t 这一段时间才打开局放测量窗口， 并进行 局放测量 故障定位采用众所周知的行波反射原理， 即测 量 直接到达的局放脉冲和反射脉冲之间的时间差。 维普资讯 2 0 0 1 年第 6 期 No6 2 001 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 0 1年 I 2月 De c， 200 1 八一 占 J 一 。j j 一 图 2 C D A试 验电压的波形 l l 一渡前时间； f 2 一渡 尾时间 uc 一充电电压I ， T 一试 验电压 一 图 3 C DA法的局放 测量 回路 C x 一 被试 中压电境； AD C-模数转 换器 I c c 一 耦合 电害器 ； A 连 接 电境 ； Ar一 计算 机支持 的局 放测量 和 定位 系统 I M一测 量 阻抗 I v T 一丹 压 器 ； L F 一 滤 菠 阻 抗， P A c D A 电 豫 I TE 一局 放 信 号 ； U( t ) 一试 验电压 信号 当存在多个故障时也可进行定位 。整个测量 和数据 处理由计算机 自动进行 ， 使用者可根据需要显示视 在电荷量、 指纹图和缺陷位置分布图等 。 图 4表示电 缆中存在多个局放缺陷时所得到的局放状态图。图 中示出了视在电荷量的大小及其位置。 8 0 0 0 6 0 0 0 善 4 0 0 0 嚣 2 0 0 0 l 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 6 0 0 电埔长度m 图 4 局放缺 陷位 置分布 图 5 振荡波试验 系统 ( O WT S法) E 1 0 7 OWT S ( Os c i l l a t i n g Wa v e T e s t S y s t e m) 的 原理 图如图 5 所示。直流电源在几秒钟内使被试电缆充 电到运行 电压， 在这一瞬 间用特制 的固体开关把一 个空心电抗器和被试电缆相连 ， 接通时间小于 l s ， 于是产生一个振荡渡电压 ， 其谐振频率为 f l 2 “ 式中 工为空心电抗 器的固定 电感 ， C为被试电缆的 电容 。 考虑到被试电缆的电容范围， 设计空心电抗器 时使谐振频率处于 0 1 0 0 0 Hz 之问 由于电缆的 介质损耗很小 ， 谐振回路 的品质因数可达 3 0 i 0 0 以上 ， 因此所 产 生 的振 荡 电压 为一 缓慢 衰 减 的振 荡 波 。 衰减 时 间约为 0 3 I s ， 这 相 当于 5 0 H z的十几 个到几十个周期的时间。 高 压 直 流 电 源 空 i 怎 H 茎 既 耋 1 恐 = 图 5 OWTS测 量 挂 的 原理 圈 利 用 OWT S进 行局 放 测 量 的原 理 线路 图 如 图 5所 示 。由于 在直 流电 压处 于 电缆充 电阶段 时会 产 生干扰 ， 所 以局放测量回路在这期间是闭锁 的。 而在 产生振荡电压期 间直流电源是关闭的， 因此在这一 段时间可进行灵敏的局放测量。局放定位也采用行 波反射原理 同样 ， 如果电缆和接头或终端中存在多 个缺陷 ， 通过对大量数据的统计处理 ， 也能得到故障 位 置分 布图 。图 6表示对一 根 8 4 0 m 长 的油 浸纸绝 缘电力电缆用 OwT S进行测量所得到的结果 噬 ， l 电 轻 长厦 m 图6 与 5 O Hz 交流 电压下的试验结果的比较 已经证 明 ， 对 于 同一 内部 缺陷 两种 方 法得 到的 局 放起 始 电 压 和局放水 平大致 处 于 同一 范围 。 6 变频谐振 试验系统 除 了直流 电 压试 验 外 ， 以上 所 介绍 的方 法仅 适 合于中压电缆 的现场试验， 对于高压和超高压电缆 目前还没有相应 的试验设备。调感式 串联谐振试验 系统因其重量比试验变压器轻许多， 故在高压电缆 现场试验中得到了广泛应用。但是 由于其频率范围 小 ( 4 5 6 5 Hz ) ， 因此能适用 的电缆长度范围也很 小。由于降低频率能使试验 电源 的尺寸和重量大大 减小 ， 而提 高试验电压频率能使系统适 用的范围扩 35 维普资讯 2 0 0 1年第 6期 No6 20 oi 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 0 1年 1 2月 Dec ， 2 0 01 大， 所以近几年变频谐振试验系统在高压和超高压 电缆的现场试验中的应用迅速扩大 。 其原理： 串联谐 振回路的电感保持不变 改变电源的频率 ， 使之达到 串联谐振回路的固有频率 ， 从而使 回路发生谐振 。 在 考虑到放 电机理不发生重大变化的条件下， C I GR E 建议试验 电压频率范围为 3 O 3 0 0 Hz ， 而 2 0 0 0 年发布的 I E C标准草案 I E C6 2 0 6 7 则建议试验电压 频率范 围为 2 0 3 0 0 Hz 。由于试 品最 大电容 和最小 电容之比等于试验频率之 比韵平方 ， 即 案= ( j c l J 所以变频谐振试验系统能够适应的电容范围很大， 最大电容与最小电容之 比可达 1 0 0 2 2 5 ， 即无论是 几十米长或者是十几公里长的电缆均可进行试验 试验研究 已经证实 ， 在 2 0 3 0 0 H z频 率范围 内 ， 放 电机 理没 有发生 明显 变化 ， 因此 可 以把试 验结 果无困难地传递到 5 0 ( 6 O )H z工频电压 。目前变 频谐振试验系统不仅有适合于 中压电缆的系统 ， 而 且也有适合于高压和超高压电缆的系统 。 变频谐振试验系统的重量容量 比小 ， 便于运输 ， 易 于安装 ， 操作简便 ， 可靠性高 ， 不仅可进行耐压试 验， 而且可配合局放测量对 电缆系统的绝缘状 态进 行诊断， 因此它将成为 电缆现场试验的主流设备， 特 别是对于高压和超高压电缆。 2 0 0 0年颁布的 I E C标 准草案 I E c 6 2 0 6 7把 2 0 3 0 0 Hz 交流电压作为 2 2 0 5 0 0 k V 电缆系统敷 设后 主绝缘 试验 的唯一 方 法“ 。 试验电压水平见表 2 或取为 1 7 U。 ， 视实际运 行条件而定， 加压 1 h 另外也可施加 u。 ， 2 4 h。 囊 2 囊设后 的交漳试验 电压 相对相鞭定 电压 u k V 试验 电压C o ( 相对地 ) k V 2 2 1 ) 2 3 0 2 7 5 2 87 3 3 0 34 5 3 8 0 4 00 1 8 0 (1 _ 4 U0 ) 2 1 0( 1 _ 3 0 0 ) 2 5 0 ( 1 3 Uo ) 2 9 0( 1 2 U 0 ) 32 0 ( 1 1 U 。 ) 有敢值 7 结束语 直流电压试验配合泄精电流测量是最早采用的 电力 电缆系统 的传统现场试验方法， 它对 油畏纸绝 缘电缆非常有效 。然而它对塑料绝缘 电缆不仅无效 而且有害。0 1 Hz V L F耐压试验配合介质损耗和 局放测量在欧洲一些国家广泛采用 ， 取得一定成效 ， 3 6 并被 作 为 中压 电缆 的标 准 现 场试 验 方 法 。C DA 和 OwTS是 近几年来新开发的中压电缆现场试验方 法 ， 其效果也很不错 ， 其实用性有待进一步积累经 验。 变频谐振试验系统的技术已相当成熟 ， 并积累了 大量经验 ， 故已被 I E C推荐为高压和超高压电力电 缆现场试验的标准方法 我国 目前还把直流电压试 验作 为 电力 电缆现 场试 验 的唯 一方 法 ， 对 于 塑料 绝 缘电缆是不恰当的。 随着我国科技水平 的提高， 这将 逐步得码改进 目前我国已引进 了变额谐振试验 系 统 ， 并在现场试验中取得一定成效 。 华北电力集团公 司已对企业的试验标准作 了修订 ， 用 0 1 Hz 甚低频 和 2 O 3 0 0 Hz 交流电压试验代替直流电压试验 。 参考文献 1 1 E C P u b l i c a t i o n 5 0 2 ， e x t r u d e d s o l i d d i e l e c t r i c i n s u l a t e d p o w- e T c a b l e s f o r r a t e d| r o m 1 k v u 口t o 3 0 k V 1 9 g 3 s 2 Dr a f t r e v i s i o n I E C 8 4 0 t f o e p o we r c a b le s wi t h e x t r u d e d i ns u l a t i o n 8 n d t h e i r a c c e s s o r i e s o r t R t e d v ol t a g e a bo c e 30 k V 【 U 一 3 6k v1 t 01 k V 啦 一 1 7 B ) 、 I E C 2 0 ， WG1 1 1 9 9 5 I s 3 G B1 1 0 1 7 额定电压 1 1 0 k V锕芯 、 铝芯 交联聚乙烯绝缘 电力 电缆 I s 4w K a l k n e r _ Ue b e r s i e h t u e b e r Vo r Of t P r u e f u n g a n d D i a g a o s t i k a N K a b e l a n | a g e n A H I G H V O L T K O L L O Q U I UM C Dr e s d e n t 1 9 9 7 ： 1 2 7 1 3 5 5E P e s e h k e S p a r mu n g s p r u e l u r l g a ll k a b e lan l a g e n J F A e k - t r i z t a e t s i r t s c k a f t ，1 98 6，8 5 ( 1 8 )， fi g l 9 99 6 DI N VDE 0 2 7 6 6 9 0 ，E n c r g i e v e r t e i inn g s k a b i e mi t e x t r u d ie r t e r I s o l i e r u n gf u e r Ne n n s p a n n un g Uo U 3 6 6 k V hi s 20 8 3 6 k V，1 9 9 6 s L 7 2 H Ha b e me i e r D i e h e s t i mmu n g v o fl k u a s t s t fi s o l i e r t e n m t t ds p a n n u n g s k a b e l n mn d e r VL F t e c h n i k J E VU B e t r i e b - s p r a xi s ，1 9 9 5 ， ( 1 2 ) 1 4 1 7 8 E L e mk e ，D Ru wu r n ，T S t r e h 1 S p a n n u n g s p r u e f u n g u n d TE M e s g a n C D A u n d R e s o n a n e r f a h r e n A HI Gh VOL T KOL L QU1 UM_ c 1 9 9 9 ： l 1 7 1 9 2 9 E Go c k e n b a c h ，W h a u s h i l d D e r f u e r v o n P r l u n g e v o n VPE Ka b e l s ys t e me n a n we n d b a r a f a r c q u e n z b e r e i c h b o h e r we c h s e l s p a a n u n g e n g 】 o E Gu l s k i a n d o t h e r s On s i t e P D d i a g n o s t i c s o l c a b l e s u s i n g o s c i l l a t in g w tv e t e s t s y s t e m A 1 S H c L o n d o n 1 9 9 9， 5： l 】 2 1 1 5 1 1 CI GR E WG 2 1 0 9 Af t e r la y i n g t e s t s O n h i g h v o I t a K e t r u d e d i n s u l a t i o n c a b l e s y s t e r a J E l e c t r a ，1 9 9 7 ，1 7 3 ( 8 ) i 3 3 4 1 1 2 I E C 6 2 0 6 7 E d 1 ， Po we r c a b l e s wit h e x t r u d ed i n u la t i a n d t h e i r a c c e s s o r i e s l o t r a t e d v o l t a g e s a b ov e 1 5 0 kV( U 1 7 0 kV )up t o 5 0 0 kV( U ： 5 2 5 kV) 一 Te s t me t h o ds 8 n d f e o u e me n s ，2 0 0 0 E s 维普资讯