用超低频方法进行XLPEPE电缆试验.doc

 1　概　述
　　电力电缆的设计和生产要求可靠性高、寿命长。因此，电缆铺设和修理之后必须进行必要的试验，此外，还要进行定期的预防性试验。由于电力电缆芯皮之间的电容量比较大(约0.2μF/km)，试验电压高，因此，用工频电压对其绝缘进行试验时需要很大的容量，尽管试验电源的容量可以用串联谐振和无功功率补偿方法减小，但这并不能减小整个试验装置的额定安装容量(体积和重量)。因此，用工频电压很难对电力电缆(特别是高电压等级的电力电缆)进行现场耐压试验。
目前，XLPE/PE电缆已经在许多供电部门及工厂配电系统中使用。但已敷设应用的XLPE/PE电缆，有的事故率相当高，有的即使进行过绝缘预防性试验(包括直流耐压试验)仍难以保证安全运行［1］。这是由于还没有形成一套适用于这种电缆的成熟的绝缘试验方法及老化绝缘诊断技术。
传统的电力电缆预防性试验项目主要有绝缘电阻试验、直流耐压试验及泄漏电流试验。把这些方法应用到对XLPE/PE电缆预防性试验中，曾出现在以后的运行中做过耐压试验的电缆比不做耐压试验的电缆更容易击穿的现象［1～4］。为此，研究人员对XLPE/PE电缆在直流电场下的特性进行了研究。研究结果表明，在直流耐压试验中所注入的电荷或添加剂的电离将使XLPE/PE电缆绝缘产生不易中和的空间电荷，引起电场畸变，导致在试验后的放电过程中或再施加运行电压时发生电缆击穿，即使不发生击穿，也会引起绝缘的严重损伤，所以不能采用直流电压进行XLPE/PE电缆试验［2～9］。因此，必须研制新的试验设备和探索新的试验方法，以便对XLPE/PE电缆进行合适的现场耐压试验。
最近，在电力系统中，除了仍然用直流高压对XLPE/PE电力电缆进行耐压试验外，还采用工频谐振电压、0.1HzVLF余弦方波电压、0.1HzVLF正弦波电压和振荡电压(频率为1～10kHz)做耐压试验。
一些研究人员分析了不同方式电压的相关试验方法，发现所有这些波形均可用于各类型的电缆。欧洲高压试验室已经证明了工频电压与其它试验波形的电压之间就试验结果而言有恒定的比例关系［10］。1989年，柏林工业大学高电压技术研究所在现场和试验室做对比试验，研究上述电压波形对中压电缆(XLPE/PE和油纸绝缘电缆)进行现场耐压试验的适用性［10,11］.为了把以上电压试验同直流电压试验结果进行对比，同时还做了直流电压试验。
试验表明，采用各种波形电压检测不同电缆(电缆A：在内导电层上有穿孔性水树枝，它已使65%绝缘短接，该电缆已运行12a；电缆B：在外导电层上有穿孔性水树枝，它已使85%绝缘短接，该电缆已运行11a)水树缺陷时，击穿电压值的排列次序是重复出现的，如图1所示。在确定水树缺陷的局部放电起始电压试验中，也可以看到同样的排列次序，见图2。
对具有针刺缺陷的新XLPE电缆(未受损的剩余绝缘厚度为0.8mm，剩余耐电强度在50Hz时为2V0)进行进一步的试验，结果如下：电压水平2V0～4V0，试验时间为30～60min的电压试验中，除直流外其它电压波形均能可靠地发现这种缺陷。

图1　不同电压波形下电缆A和B的击穿电压的值

图2　运行老化电缆的局部放电起始电压值
　　使用各种电压波形对具有人工模拟潮湿缺陷的油纸绝缘电缆进行试验，试验结果表明：所有交流电压波形和直流电压一样，都能可靠地发现这种缺陷，而且是在比较低的电压下发现的。
柏林工业大学的试验结果表明：
a.用VLF电压进行试验比用直流电压能发现更多的塑料电缆中的缺陷。
b.在试验后，未发现被试电网由于电缆缺陷而导致运行故障。
总之，国内外大量研究结果表明：对XLPE电缆最好用0.1Hz电压进行试验，也可以用工频谐振电压试验，但不能用直流电压做试验。
2　0.1Hz超低频电压试验项目
　　0.1Hz超低频试验项目根据电压波形的不同而有所区别。0.1Hz超低频电压波形基本上有3种：正弦波、三角波和余弦方波。过去曾经进行过的0.1Hz超低频试验的项目主要有耐压试验、局放试验和介损试验［3～6,9～13］。当然，并不是在所有3种电压下都可以进行上面3种试验。从理论上讲，3种电压波形与可能的试验项目的对应关系见表1。
从理论上讲，局部放电试验对现场耐压试验也是适用的，但是，由于现场干扰的复杂性和去除干扰的技术难度等原因，0.1Hz超低频现场耐压试验项目实际上很少包括局部放电试验，0.1Hz超低频试验的主要试验项目只有耐压试验和介损试验，而以耐压试验最普遍。
表1　电压波形与试验项目对应关系
试验项目
正弦波电压
三角波电压
余弦方波电压
电压耐受试验
※
※
※
介质损耗试验
※

局部放电试验
※
※
※
注：※代表能够进行试验
2.1　耐压试验
0.1Hz超低频耐压试验与普通的50Hz工频试验的做法基本相同，所不同的是试验时所加电压的大小和试验时间的长短。
对于XLPE/PE电力电缆，参照德国标准(VDE-0276-620),0.1Hz超低频耐压试验所加试验电压为电缆额定相电压(U0)的3倍(工频为2倍)，试验时间为60min。
2.2　介损试验
虽然耐压试验对试品的绝缘考验最苛刻，但是，为了更好地对试品的绝缘状况进行可靠的评定，除了耐压试验外，还要对试品进行其它的非破坏性试验。介损试验就是其中一个主要的试验项目。
介损试验是通过测量介质损失角正切值tanδ的大小及其变化趋势确定试品的整体绝缘状况。对于0.1Hz下介质损失角正切的试验，柏林工业大学的研究结果［10,11］为：
a.新XLPE电缆的0.1Hz损失角正切的测量值不超过0.002；
b.在电网中可以看作运行中正常老化的电缆，其介质损失角正切测量值在0.002～0.0039范围内。如果0.1Hz损失角正切值大于0.004，则该电缆在以后继续运行时相当频繁地出现事故，在个别情况下，在测量期间就击穿。但是0.1Hz损失角正切值小于0.004的电缆不一定都是好的或无缺陷的，因为整体性的测量不能发现局部缺陷；
c.在许多情况下观察到0.1Hz损失角正切测量值随电压上升而增加，这可以作为对于水树枝引起的损伤的一个可能的量度；
d.在0.1Hz下，介质损失角正切值和电缆的水树枝缺陷有密切关系，而和绝缘的含水量关系不大；
e.在0.1Hz下，介质损失角正切值和待测电缆的导体温度有密切关系，在导体温度较高时测量值明显偏大。
3　0.1Hz超低频试验系统
　　0.1Hz超低频电压试验系统主要包括0.1Hz超低频高压发生器及其电压与介损测量系统。以下介绍的是哈尔滨理工大学与哈尔滨电业局合作研制的0.1Hz超低频试验系统。
3.1　0.1Hz超低频高压发生器
本发生器为脉冲频率调制式0.1Hz超低频高压发生器，工作原理图见图3。

图3　调频方式0.1Hz超低频高压发生器原理电路
3.2　耐压试验系统
有了0.1Hz超低频高压发生器及其电压测量仪表便可以进行电压试验。本试验装置采用数字测量技术对试验电压进行测量，同时用液晶显示器显示试验电压波形。
3.3　0.1Hz超低频介质损失角正切tanδ的测量
测量0.1Hz频率下tanδ的方法是建立在准同步算法技术基础上的数字采样波形分析法——谐波分析法。
用谐波分析法测量tanδ的基本原理框图如图4所示。通过分压器对试品上的电压分压得到电压信号V0，通过与试品串联小电阻把流过试品的电流转化为电压信号VX。两个电压信号首先经过超低频低通滤波器滤除干扰，再由放大器放大，然后由两个同步动作的A/D转换器ADC1和ADC2把连续变化的电压信号变换成两组数字信号并存入单片机数据存储器中，最后由单片机对这两组数据进行谐波分析，从而得到tanδ的值。

图4　谐波分析法tanδ测量基本原理框图
　　本文介绍的0.1Hz试验系统已在哈尔滨电业局10kV等级电缆上得到应用。
4　结　论
　　对于XLPE/PE电力电缆，不宜采用直流电压进行现场耐压试验，而应采用0.1Hz超低频电压试验。
0.1Hz超低频电压试验的项目主要包括耐压试验和介质损失角正切值测量。
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 1　概　述
　　电力电缆的设计和生产要求可靠性高、寿命长。因此，电缆铺设和修理之后必须进行必要的试验，此外，还要进行定期的预防性试验。由于电力电缆芯皮之间的电容量比较大(约0.2μF/km)，试验电压高，因此，用工频电压对其绝缘进行试验时需要很大的容量，尽管试验电源的容量可以用串联谐振和无功功率补偿方法减小，但这并不能减小整个试验装置的额定安装容量(体积和重量)。因此，用工频电压很难对电力电缆(特别是高电压等级的电力电缆)进行现场耐压试验。
目前，XLPE/PE电缆已经在许多供电部门及工厂配电系统中使用。但已敷设应用的XLPE/PE电缆，有的事故率相当高，有的即使进行过绝缘预防性试验(包括直流耐压试验)仍难以保证安全运行［1］。这是由于还没有形成一套适用于这种电缆的成熟的绝缘试验方法及老化绝缘诊断技术。
传统的电力电缆预防性试验项目主要有绝缘电阻试验、直流耐压试验及泄漏电流试验。把这些方法应用到对XLPE/PE电缆预防性试验中，曾出现在以后的运行中做过耐压试验的电缆比不做耐压试验的电缆更容易击穿的现象［1～4］。为此，研究人员对XLPE/PE电缆在直流电场下的特性进行了研究。研究结果表明，在直流耐压试验中所注入的电荷或添加剂的电离将使XLPE/PE电缆绝缘产生不易中和的空间电荷，引起电场畸变，导致在试验后的放电过程中或再施加运行电压时发生电缆击穿，即使不发生击穿，也会引起绝缘的严重损伤，所以不能采用直流电压进行XLPE/PE电缆试验［2～9］。因此，必须研制新的试验设备和探索新的试验方法，以便对XLPE/PE电缆进行合适的现场耐压试验。
最近，在电力系统中，除了仍然用直流高压对XLPE/PE电力电缆进行耐压试验外，还采用工频谐振电压、0.1HzVLF余弦方波电压、0.1HzVLF正弦波电压和振荡电压(频率为1～10kHz)做耐压试验。
一些研究人员分析了不同方式电压的相关试验方法，发现所有这些波形均可用于各类型的电缆。欧洲高压试验室已经证明了工频电压与其它试验波形的电压之间就试验结果而言有恒定的比例关系［10］。1989年，柏林工业大学高电压技术研究所在现场和试验室做对比试验，研究上述电压波形对中压电缆(XLPE/PE和油纸绝缘电缆)进行现场耐压试验的适用性［10,11］.为了把以上电压试验同直流电压试验结果进行对比，同时还做了直流电压试验。
试验表明，采用各种波形电压检测不同电缆(电缆A：在内导电层上有穿孔性水树枝，它已使65%绝缘短接，该电缆已运行12a；电缆B：在外导电层上有穿孔性水树枝，它已使85%绝缘短接，该电缆已运行11a)水树缺陷时，击穿电压值的排列次序是重复出现的，如图1所示。在确定水树缺陷的局部放电起始电压试验中，也可以看到同样的排列次序，见图2。
对具有针刺缺陷的新XLPE电缆(未受损的剩余绝缘厚度为0.8mm，剩余耐电强度在50Hz时为2V0)进行进一步的试验，结果如下：电压水平2V0～4V0，试验时间为30～60min的电压试验中，除直流外其它电压波形均能可靠地发现这种缺陷。

图1　不同电压波形下电缆A和B的击穿电压的值

图2　运行老化电缆的局部放电起始电压值
　　使用各种电压波形对具有人工模拟潮湿缺陷的油纸绝缘电缆进行试验，试验结果表明：所有交流电压波形和直流电压一样，都能可靠地发现这种缺陷，而且是在比较低的电压下发现的。
柏林工业大学的试验结果表明：
a.用VLF电压进行试验比用直流电压能发现更多的塑料电缆中的缺陷。
b.在试验后，未发现被试电网由于电缆缺陷而导致运行故障。
总之，国内外大量研究结果表明：对XLPE电缆最好用0.1Hz电压进行试验，也可以用工频谐振电压试验，但不能用直流电压做试验。
2　0.1Hz超低频电压试验项目
　　0.1Hz超低频试验项目根据电压波形的不同而有所区别。0.1Hz超低频电压波形基本上有3种：正弦波、三角波和余弦方波。过去曾经进行过的0.1Hz超低频试验的项目主要有耐压试验、局放试验和介损试验［3～6,9～13］。当然，并不是在所有3种电压下都可以进行上面3种试验。从理论上讲，3种电压波形与可能的试验项目的对应关系见表1。
从理论上讲，局部放电试验对现场耐压试验也是适用的，但是，由于现场干扰的复杂性和去除干扰的技术难度等原因，0.1Hz超低频现场耐压试验项目实际上很少包括局部放电试验，0.1Hz超低频试验的主要试验项目只有耐压试验和介损试验，而以耐压试验最普遍。
表1　电压波形与试验项目对应关系
试验项目
正弦波电压
三角波电压
余弦方波电压
电压耐受试验
※
※
※
介质损耗试验
※

局部放电试验
※
※
※
注：※代表能够进行试验
2.1　耐压试验
0.1Hz超低频耐压试验与普通的50Hz工频试验的做法基本相同，所不同的是试验时所加电压的大小和试验时间的长短。
对于XLPE/PE电力电缆，参照德国标准(VDE-0276-620),0.1Hz超低频耐压试验所加试验电压为电缆额定相电压(U0)的3倍(工频为2倍)，试验时间为60min。
2.2　介损试验
虽然耐压试验对试品的绝缘考验最苛刻，但是，为了更好地对试品的绝缘状况进行可靠的评定，除了耐压试验外，还要对试品进行其它的非破坏性试验。介损试验就是其中一个主要的试验项目。
介损试验是通过测量介质损失角正切值tanδ的大小及其变化趋势确定试品的整体绝缘状况。对于0.1Hz下介质损失角正切的试验，柏林工业大学的研究结果［10,11］为：
a.新XLPE电缆的0.1Hz损失角正切的测量值不超过0.002；
b.在电网中可以看作运行中正常老化的电缆，其介质损失角正切测量值在0.002～0.0039范围内。如果0.1Hz损失角正切值大于0.004，则该电缆在以后继续运行时相当频繁地出现事故，在个别情况下，在测量期间就击穿。但是0.1Hz损失角正切值小于0.004的电缆不一定都是好的或无缺陷的，因为整体性的测量不能发现局部缺陷；
c.在许多情况下观察到0.1Hz损失角正切测量值随电压上升而增加，这可以作为对于水树枝引起的损伤的一个可能的量度；
d.在0.1Hz下，介质损失角正切值和电缆的水树枝缺陷有密切关系，而和绝缘的含水量关系不大；
e.在0.1Hz下，介质损失角正切值和待测电缆的导体温度有密切关系，在导体温度较高时测量值明显偏大。
3　0.1Hz超低频试验系统
　　0.1Hz超低频电压试验系统主要包括0.1Hz超低频高压发生器及其电压与介损测量系统。以下介绍的是哈尔滨理工大学与哈尔滨电业局合作研制的0.1Hz超低频试验系统。
3.1　0.1Hz超低频高压发生器
本发生器为脉冲频率调制式0.1Hz超低频高压发生器，工作原理图见图3。

图3　调频方式0.1Hz超低频高压发生器原理电路
3.2　耐压试验系统
有了0.1Hz超低频高压发生器及其电压测量仪表便可以进行电压试验。本试验装置采用数字测量技术对试验电压进行测量，同时用液晶显示器显示试验电压波形。
3.3　0.1Hz超低频介质损失角正切tanδ的测量
测量0.1Hz频率下tanδ的方法是建立在准同步算法技术基础上的数字采样波形分析法——谐波分析法。
用谐波分析法测量tanδ的基本原理框图如图4所示。通过分压器对试品上的电压分压得到电压信号V0，通过与试品串联小电阻把流过试品的电流转化为电压信号VX。两个电压信号首先经过超低频低通滤波器滤除干扰，再由放大器放大，然后由两个同步动作的A/D转换器ADC1和ADC2把连续变化的电压信号变换成两组数字信号并存入单片机数据存储器中，最后由单片机对这两组数据进行谐波分析，从而得到tanδ的值。

图4　谐波分析法tanδ测量基本原理框图
　　本文介绍的0.1Hz试验系统已在哈尔滨电业局10kV等级电缆上得到应用。
4　结　论
　　对于XLPE/PE电力电缆，不宜采用直流电压进行现场耐压试验，而应采用0.1Hz超低频电压试验。
0.1Hz超低频电压试验的项目主要包括耐压试验和介质损失角正切值测量。
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