兩種電纜耐壓試驗(yàn)技術(shù)分析

范玉潔 ，林佑祥，高智群

（1.山東冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南 250101；2.山東鋼鐵集團(tuán)萊鋼能源動(dòng)力廠，山東萊蕪 271104）

1 引言

目前電纜耐壓試驗(yàn)主要采用直流耐壓試驗(yàn)方法，然而隨著聚氯乙烯電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜廣泛取代油紙電纜，直流耐壓方法已不適合于該類型電纜。

2 直流耐壓試驗(yàn)方法缺陷分析

（1）在直流電壓下，電場(chǎng)強(qiáng)度是按照電阻率分布的，而交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層中的材料含有很多成分，其電阻率分布是不均勻的，同時(shí)電阻率受溫度等因素影響比較大，所以在直流電壓下，交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層中的電場(chǎng)分布是不均勻的，這就可能在直流試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)絕緣層有的地方電場(chǎng)很強(qiáng)，有的地方電場(chǎng)卻比較弱的情況，導(dǎo)致局部絕緣擊穿，在運(yùn)行中引起事故。

（2）電纜在直流電壓下會(huì)產(chǎn)生“記憶”效應(yīng)，存儲(chǔ)積累單極性殘余電荷。一旦有了由于直流耐壓試驗(yàn)引起的“記憶性”，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能將這種直流電壓釋放。電纜如果在直流殘余電荷未完全釋放之前投入運(yùn)行，直流電壓便會(huì)疊加在工頻電壓峰值上，使得電纜上的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其額定電壓，從而有可能導(dǎo)致電纜絕緣擊穿。

（3）交聯(lián)聚乙烯電纜的直流耐壓試驗(yàn)，由于空間電荷的效應(yīng)，絕緣中的實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度最高可達(dá)電纜絕緣工作電場(chǎng)強(qiáng)度的十幾倍，所以即使電纜在通過(guò)了直流耐壓試驗(yàn)不發(fā)生擊穿，也會(huì)引起絕緣的嚴(yán)重?fù)p傷。

（4）直流耐壓試驗(yàn)所施加的直流電壓電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況與運(yùn)行中的交流電壓電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況不同，直流耐壓試驗(yàn)并不能模仿運(yùn)行狀態(tài)下電纜承受的過(guò)電壓，而且也不能有效地發(fā)現(xiàn)電纜本身及電纜接頭和施工工藝上的缺陷。

（5）直流耐壓試驗(yàn)有一定的積累效應(yīng)，能加速絕緣老化，且試驗(yàn)時(shí)易發(fā)生閃絡(luò)或擊穿。

3 0.1 Hz超低頻技術(shù)簡(jiǎn)介

0.1Hz超低頻試驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)電壓波形的不同而有所區(qū)別。0.1 Hz超低頻電壓波形基本上有3種:正弦波、三角波和余弦方波。其原理是用超低頻以低充電電流，相對(duì)長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)間間隔對(duì)試品充電至高壓，此時(shí)正弦波形避免了其他波形可能產(chǎn)生的高頻諧波，而該高頻諧波會(huì)對(duì)測(cè)試目標(biāo)產(chǎn)生駐波或有害的電壓突變。

3.1 超低頻系統(tǒng)原理

該0.1 Hz超低頻試驗(yàn)儀器的原理圖如圖1所示，系統(tǒng)所需的輸入功率是從一個(gè)正常的220 V、50 Hz的電源處獲得。輸出電壓的振幅是由自動(dòng)可調(diào)變壓器控制的，由圖1中的T1來(lái)表示。該變壓器的輸出用相應(yīng)需要的超低頻來(lái)調(diào)節(jié)，如0.1 Hz頻率。該過(guò)程在圖1中用T2來(lái)表示，T2輸出以正弦波模式周期性地增加或減少，頻率是兩倍的輸出頻率，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)50 Hz電壓。該調(diào)制工頻電壓經(jīng)過(guò)高壓變壓器逐步升壓，即圖1中的T3。該高壓變壓器的輸出通過(guò)一個(gè)能產(chǎn)生單極電壓的全波整流器來(lái)整流。最后，整流器與終端之間的一個(gè)極性開關(guān)每個(gè)半個(gè)周期就會(huì)將整流后的電壓的極性顛倒以下。輸出電纜和被試品的電容將提供充足的濾波，以便將120 Hz的波動(dòng)減至一個(gè)可接受的水平，其終端波形是一個(gè)高壓超頻正弦波。0.1 Hz超低頻試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作頻率可通過(guò)調(diào)整圖1中的T2獲得0.05 Hz、0.02 Hz、0.1 Hz等不同的工作頻率，較低的頻率可測(cè)試超長(zhǎng)電纜。

圖1 超低頻系統(tǒng)原理圖

3.2 超低頻技術(shù)的試驗(yàn)過(guò)程

超低頻技術(shù)的試驗(yàn)仿效工頻試驗(yàn)，對(duì)橡塑電纜進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)累積空間電荷，對(duì)電纜的絕緣不會(huì)造成損壞。

3.3 采用超低頻技術(shù)原因分析

由于電力電纜容量大，根據(jù)：

式中：C——被試電纜電容量，μf/km；

US——試驗(yàn)電壓，kV；

f——工頻頻率，我國(guó)為50 Hz。

例如，在工頻50 Hz下，試驗(yàn)1μf（約3 km)的8.7/10 kV的電纜，當(dāng)試驗(yàn)電壓為26 kV（3U0）時(shí),試驗(yàn)設(shè)備容量需達(dá)到213 kVA,因此所需的試驗(yàn)設(shè)備容量很大，使得設(shè)備體積大而笨重，同時(shí)價(jià)格也很昂貴。所以工頻交流耐壓試驗(yàn)方法不適于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。根據(jù)S=ωCUS2=2πfCUS2，可以得出頻率越低，在試驗(yàn)電壓下所需功率越小。如使用0.1 Hz交流耐壓設(shè)備所需的功率比使用工頻50 Hz交流耐壓設(shè)備小500倍，故采用超低頻交流電進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

4 0.1 Hz超低頻耐壓技術(shù)與直流耐壓技術(shù)的比較

直流耐壓試驗(yàn)?zāi)苡行У匕l(fā)現(xiàn)電纜絕緣缺陷，但對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜則不一定有效，甚至可能產(chǎn)生負(fù)作用。在做直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，直流高壓在運(yùn)行電纜的水樹區(qū)域形成負(fù)電荷積累，這些積累的電荷將一直殘留在絕緣體上，待耐壓試驗(yàn)后，投入運(yùn)行時(shí)通過(guò)的是交流電，正電荷與直流耐壓產(chǎn)生的負(fù)極性空間電荷處電壓疊加，導(dǎo)致局部放電、電樹形成、直至絕緣擊穿。

5 結(jié)束語(yǔ)

超低頻技術(shù)引用于耐壓試驗(yàn)上，既減少了設(shè)備的體積、降低設(shè)備制造成本；又不會(huì)對(duì)大容量設(shè)備的絕緣造成損壞，非常適合于現(xiàn)場(chǎng)的使用。