橡塑絕緣電力電纜交流耐壓試驗分析

胡曉東（湖南省送變電工程公司調試分公司，湖南 長沙 410007）

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橡塑絕緣電力電纜交流耐壓試驗分析

胡曉東（湖南省送變電工程公司調試分公司，湖南 長沙 410007）

本文分析了電力電纜故障產生的原因和故障分類，同時分析了0.1Hz交流耐壓試驗和串（并）聯(lián)諧振交流試驗的優(yōu)點及工作原理，以期能夠為橡塑絕緣電力電纜交流耐壓試驗提供借鑒。

橡塑絕緣電力電纜；交流耐壓試驗；優(yōu)點；工作原理

引言

近些年來，中低壓系統(tǒng)普遍采用橡塑絕緣電力電纜，且多集中于35kV、10kV、6kV這3種電壓等級的電力電纜。研究表明，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜在運行過程中容易產生樹枝化放電，導致絕緣老化破壞，大大的降低了XLPE電纜的使用壽命。因此，全面了解橡塑電力電纜的絕緣特性和及預防電纜絕緣故障，在保證輸電設備和電力安全等方面具有十分重要的作用。與傳統(tǒng)電纜相比，橡塑電力電纜絕緣故障缺陷發(fā)展具有一定的隱蔽性和迅速性，同時橡塑電力電纜對傳統(tǒng)電纜直流耐壓試驗敏感程度較低等，導致常常難以提前檢測出來絕緣故障。由于橡塑電纜在很大程度上不同于傳統(tǒng)油紙絕緣電纜的電氣特性，許多研究人員提出了各種新的試驗方法來檢驗橡塑電力電纜的早期絕緣故障。然而，這些新的試驗方法存在設備沉重、需求電源容量大、不適合現(xiàn)場檢測以及沒有形成規(guī)程規(guī)范等缺點，導致其難以作為現(xiàn)場檢測的定性試驗。目前，用于橡塑電力電纜交流耐壓試驗的方法主要有0.1Hz交流耐壓試驗以及串（并）聯(lián)諧振交流耐壓試驗。筆者根據實踐經驗，對上述兩種方法進行初步的分析和研究。

1　電力電纜產生故障的原因及故障分類

1.1故障原因

1.1.1絕緣老化變質

在電磁作用下長期工作，電力電纜絕緣勢必受到因電磁作用而產生的化學作用、熱作用和機械作用的影響，導致介質物理化學性質產生改變，繼而降低介質的絕緣性能，這是一種客觀存在的電力電纜老化過程。但是，一般情況下，電力電纜的自然老化過程均會經過測試，且預期使用壽命可以長于107h。

1.1.2過 熱

過熱主要是指由于電力電纜絕緣內部氣隙游離，電纜絕緣局部溫度升高，導致絕緣炭化。同時，電力電纜過負荷也會引起電力絕緣溫度升高。另外，電纜密集區(qū)的電纜、電纜隧道的電纜、電纜溝中的電纜、干燥管中的電纜以及與熱力管道距離較近的電纜，均會因電纜絕緣溫度升高而減少使用壽命。

1.1.3機械損傷

機械損傷主要是指在施工過程成中由于不合理挖掘等因素導致的電纜絕緣受損。這種電纜故障也很常見，施工人員對電纜走向不明，或根本沒有意識到要保護電纜，往往造成這種事故。在城區(qū)或廠區(qū)改造施工中更容易發(fā)生這類事故。除此之外，電纜在安裝時拉扯，也會留下隱蔽缺陷，尤其是電纜頭位置，而且這種缺陷很難當時發(fā)現(xiàn)，往往成為電纜絕緣加速損壞乃至絕緣擊穿的誘引。

1.1.4護層的腐蝕

護層腐蝕主要是指土壤酸、堿以及其他因素等對埋地電纜護層的腐蝕。由于絕大多數電力電纜埋于土壤之中，這是一種難以避免的腐蝕。即使有特定的電纜隧道，也只能減慢護層被腐蝕的速度。

1.1.5絕緣受潮

絕緣受潮主要是由中間接頭或終端頭的結構不密封或安裝質量較差而引起的，不但與安裝電纜的環(huán)境條件密切相關，而且在很大程度上受到電纜終端頭、中間接頭等附件質量的影響。

1.1.6過電壓

大氣過電壓、系統(tǒng)內部過電壓是過電壓的主要類型。其中，大氣過電壓是導致戶外終端接頭故障的主要因素。另外，在大氣過電壓的條件下，電纜自身的不足也會引起絕緣故障。1.1.7材料缺陷

電纜材料缺陷主要包括電纜制造缺陷、附件制造質量較差、絕緣材料維護管理不到位等，這在很大程度上導致電纜內部產生氣泡，從而使電纜在電壓作用下出現(xiàn)故障。另外，不同的工藝技術會有很大差別，不同廠家差別很大。通常情況下，電纜附件的制作工藝更能決定電纜的使用壽命。

1.2故障分類

1.2.1開路故障

如果電纜相間或相對地絕緣電阻值符合規(guī)范值，而工作電壓未能傳輸至電纜終端或電纜終端存在電壓，但是電纜終端負載能力不強。就對引起電纜故障。A相A點存在有電阻Rk，當Rk=∞，即為斷線故障（圖1）。實際上，此類故障均發(fā)生于電纜中間接頭處或者是因電纜被施工挖斷而產生。

1.2.2低阻故障

低阻故障（圖1）主要是指因電纜相間或相對地絕緣受損而導致其電阻值可以通過低壓脈沖法測量的一類故障。這也是一種比較常見的故障。當B相B點對地電阻Rg=0時，即為短路故障，這是低阻故障的典型例子。

1.2.3高阻故障

高阻故障是相對于低阻故障而言的，主要有泄漏性高阻故障、閃絡性高阻故障，是指因電纜相間或相對地絕緣受損而導致其絕緣電阻變大，但是不能采用低壓脈沖法測量。這種類型的故障具有很強的隱蔽性，往往難以通過普通試驗來進行判斷。

2　橡塑絕緣電力電纜交流耐壓試驗方法

2.10.1Hz交流耐壓試驗

0.1Hz超低頻耐壓屬于交流耐壓，且能大大降低交流耐壓試驗設備的容量和質量以適于現(xiàn)場試驗。從理論上來講，0.1Hz交流耐壓可以降低500倍，由于結構原因，實際下降50～100倍，比較適于現(xiàn)場使用（見圖1）。

0.1Hz交流耐壓的基本原理（圖1）為：①通過整流和濾波將50Hz電源變成直流電壓，然后再由逆變電路將直流電壓變成1kHz電壓。②通過0.1Hz正弦振蕩器對1kHz電壓進行調幅，使其等幅波變成0.1Hz的變化調幅波。這個調制電壓通過兩個高壓變壓器和電壓倍增電路產生按照0.1Hz正弦波變化的正、負高電壓。③通過壓敏電阻器VDR1和VDR2的解調，負載上便可輸出0.1Hz高壓正弦電壓波形。

圖1　0.1Hz發(fā)生器基本原理

電纜介質樹枝狀老化或進潮是XLPE絕緣電纜最常見的早期絕緣性能劣化現(xiàn)象，而該方法非常適合于作為XLPE絕緣電力電纜的預防性試驗方法。同時，目前開發(fā)出的超低頻試驗設備最高輸出電壓較低，不能滿足較高電壓電纜的試驗要求，而超低頻試驗設備在中低壓電介損測量上實現(xiàn)了較好的應用。因此，在0.1Hz電壓下檢測電纜的介損已成為中低壓XLPE絕緣電纜的一種有效方法。

2.2串（并）聯(lián)諧振交流耐壓試驗

工頻串聯(lián)諧振原理是通過并聯(lián)補償電容器組Cn與被試品電容Cx，之后再串聯(lián)電抗器L（L1+L2），從而形成諧振電器（圖2）。

圖2　串聯(lián)諧振試驗基本原理圖

串聯(lián)諧振試驗主要優(yōu)點表現(xiàn)為：①串聯(lián)諧振實際上屬于諧振式電流濾波器，能使被試品上電壓波形畸變率＜0.5%，獲得最佳正弦電壓波形，從而有效防止諧波峰值對被試品產生誤擊穿。②在全諧振狀態(tài)下串（并）聯(lián)諧振耐壓，如果被試品的絕緣弱點被擊穿，則電路立刻脫諧，短路電流在瞬間大幅度下降。因此，串聯(lián)諧振耐壓不但能有效地檢測出電纜絕緣弱點，而且還能有效的避免過高的短路電流燒傷故障點。③閃絡擊穿會致使諧振條件喪失，這不但會導致短路電流和高電壓立即下降消失，而且會使電弧也立即熄滅，同時由于恢復電壓再建立周琦較長，極易在再次達到閃絡電壓之前引起人為斷開電源?，F(xiàn)階段，工頻串聯(lián)諧振試驗設備均使利用調感來實現(xiàn)調諧，大容量的高壓電抗器利用機械裝置來調節(jié)氣隙長度，從而改變電抗值，其變化和所帶的容性負載均有一定的范圍，而且質量大，可移動性差，主要用于大型發(fā)電機的耐壓試驗和實驗室工作。然而，現(xiàn)場XLPE電纜長度和容量大小不等，從數十米到數千米均有，容量有大有小，因此，工頻串聯(lián)諧振試驗設備無法滿足實際的試驗需求。因此，調頻串聯(lián)諧振試驗便產生了。④調頻串聯(lián)諧振試驗回路由高壓串聯(lián)諧振主回路、調頻調壓回路兩部分組成，與工頻調諧相比，該試驗主要是多了一個調頻電源（圖3）。

調頻串聯(lián)試驗系統(tǒng)的主要優(yōu)點表現(xiàn)為：調頻串聯(lián)諧振耐壓與工頻耐壓等效性好；工作效率高；設備重量小；方便攜帶；試品容量范圍廣等，是現(xiàn)階段最為有效的現(xiàn)場交流耐壓試驗方法。

圖3　調頻串聯(lián)諧振試驗原理圖

目前，國內部分城市對XLPE電纜的試驗標準進行了修改，以變頻交流耐壓試驗代替直流耐壓試驗，取得了良好的效果。標準如表1所示。

表1　XLPE電纜交接及預防性耐壓試驗交流電壓試驗標準（kV）

3　結語

作為電力系統(tǒng)主要輸電設備之一，電力電纜具有不容忽視的作用和地位。近些年來，隨著電力電纜的不斷發(fā)展，橡塑電纜憑借自身良好的絕緣特性和經濟性能而被廣泛的應用。然而，橡塑絕緣電力電纜缺陷發(fā)展具有隱蔽性和迅速性，同時其對傳統(tǒng)的電纜直流耐壓試驗敏感度較低，從而導致絕緣故障也逐步增多。但是，有理由相信，隨著交流耐壓試驗的方法和理論的不斷進步與發(fā)展，橡塑絕緣電力電纜的故障將能夠被快速有效的檢測出來，為電力輸送提供非?？煽康谋Ｕ?。

［1］韓伯鋒.電力電纜故障性質分析及測量方法［J］.電纜與附件應用，1991（1）：45～47.

［2］柴旭崢，關根志，黃海鯤.交聯(lián)聚乙烯電力電纜的絕緣在線監(jiān)測技術［J］.電線電纜，2002（6）：31～33.

［］羅俊華，馬翠姣，邱毓昌，等.35kV及以下XLPE電力電纜試驗方法的研究［J］.電網技術，2000，24（12）：58～61.

胡曉東（1983-），男，工程師，本科，主要從事電氣調試工作。

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2095-2066（2016）17-0034-02

2016-6-1