（电气工程专业论文）交联聚乙烯电力电缆的交流耐压试验研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 联聚乙烯电力电缆的绝缘试验，传统的直流耐压试验既有破坏性也不能准确诊断 绝缘状况，必须采用交流耐压试验。对于6 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆的绝缘试 验，应采用交流耐压试验，由于但6 l o k v 交联聚乙烯电缆的绝缘厚度较薄，直 流泄漏电流试验也可作为替代试验。 最后，介绍了本人在工作中经常使用的调频式串联谐振交流耐压试验装置的 工作原理、主要部件、试验接线、操作步骤和注意事项。对模拟不同状态的1 0 k v 交联聚乙烯电缆试品进行了工频电压压试验、振荡波法试验和超低频电压试验这 三种形式的交流耐压试验，然后对试验结果进行了详细分析和论证，指出了交联 聚乙烯电力电缆试验采用不同形式的交流耐压试验的优缺点和适用范围。 关键词：交联聚乙烯电力电缆、交流耐压试验、试验电压、试验频率、试验时间 i l a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n tm o r ea n dm o r ec r o s s - l i n k e dp o l y e t h y l e n ei n s u l a t e dp o w e rc a b l e sa r e u s e dt os u b s t i t u t et h e0 r i g i n a lo i l yp a p e ri n s u l a t e dp o w e rc a b l e sa th o m ea n da b r o a d h o w e v e r ，t e s t so fx l p ec a b l e sh a sb e e ns t i l lu s i n gt h et r a d i t i o n a ld cw i t h s t a n d v o l t a g et e s tm e t h o d s o m e t i m e s ，x l p ec a b l e st h a ta r et e s t e dt ob eu pt ot h es t a n d a r d w h e nt h e ya r et e s t e dw i t hd cw i t h s t a n dv o l t a g et e s tm e t h o dm a yb es p a r k e dt h r o u g h i nr e a lu s e i nr e c e n ty e a r s ，r e s e a r c hr e s u l t sf r o mm a n yr e s e a r c hi n s t i t u t ea th o m ea n d a b r o a ds h o wt h a td cw i t h s t a n dv o l t a g et e s ti sh a r m f u lt os u me x t e n tt ox l p ec a b l e s t os o m ee x t e n t t h e r e f o r e m o r ea n dm o r ec a r ea b o u th o wt ot e s tx l p ec a b l e sw i t ha p r o p e rm e t h o db e f o r ep u t t i n gt h e m i n t ou s e t h er e s u l to fa n a l y s e sc a r r i e do u tb yr e s e a r c hr e s u l t sf r o mh o m ea n da b r o a ds h o w t h a ta cw i t h s t a n dv o l t a g et e s ti st h em o s te f f e c t i v em e t h o dt ot e l lt h ee l e c t r i c a l p e r f o r m a n c eo fx l p ec a b l e s ，a n di st h eb e s tm e t h o da tp r e s e n tt o t e s tx l p ec a b l e s b e f b r ep u t t i n gt h e mi n t ou s e t h i sp a p e rw i l ld i s c u s st h ea cw i t h s t a n dv o l t a g et e s to f x l p ec a b l e si nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t ly ，a n a l y s e sc o m p a r e st h em e d i u mp r o p e r t i e so fx l p ec a b l e su n d e rb o t hd c a n da cc u r r e n t ，a tt h es a m et i m e ，p o i n t so u tt h ed i s a d v a n t a g e so ft h ed cw i t h s t a n d v o l t a g et e s t m e t h o dt h a th a v eu s e dt ot e s tx l p ec a b l e s a n dt h e np o i n t so u tt h e n e c e s s i t yo fu s i n ga cw i t h s t a n dv o l t a g et e s tm e t h o dt ot e s tx l p ec a b l e s s e c o n d l y ， o nt h eb a s i so ft h er e l a t e d r e g u l a t i o n s a n ds t a n d a r d s ，t h ep a p e r d i s c u s s e dt h et h r e em a i np a r a m e t e r s ，i e t e s tf r e q u e n c y ，t e s tv o l t a g ea n dp r e s s u r i z i n g t i m ei nt h ea cv o l t a g ew i t h s t a n dt e s t ，a n dt h e nd w e l l e du po nt h ev a i u e so ft h et h r e e p a r a m e t e r s t h et c s tf r e q u e n c yi sw i t h i n3 0 3 0 0 h z ，t h eb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ex l p ec a b l e si n r e s p e c to ft h es p e c i f i ci n s u l a t i o nd e f e c t sh a v en oo b v i o u s d i f f e r e n c e ，t h eo 1 h zs u p e rl o wf r e q u e n c yt e s ta l s oh a se q u i v a l e n c e a sf o rt e s t v o l t a g e ，2 u oi ss e l e c t e df o r3 0 3 0 0 h z ( o rs i m i l a rf r e q u e n c y ) f r e q u e n c ym o d u i a t i o n s e r i e sr e s o n a n c ea cv 0 1 t a g ew i t h s t a n dt e s t ；3 u oi ss e l e c t e df o ro 1 h z s u p e ri o w f r e q u e n c ya cv o l t a g ew i t h s t a n dt e s t a sf o rt e s td u r a t i o n ，i n3 0 3 0 0 h z ( o rs i m i l a r f r e q u e n c y ) a cv o i t a g ew i t h s t a n dt e s t ， g e n e r a l l y6 0m i n u t e s w i l lb el a s t e df o r a c c e p t a n c et r i a lt e s ta n d5m i n u t e sw i l lb el a s t e dp r e t r i a lt e s ti no u rc o u n t r y a tt h e s a m et i m e ，t h ep a p e rd e s c r i b e so u rc o u n t r y sp r e s e n tp o w e rn e t w o r ks y s t e m ，w h i c h u s e sf o u re a r t h i n gm e t h o d s ，i e n e u t r a lp o i n ts o l i dg r o u n d ，n e u t r a lp o i n ts m a l lr e s i s t o r i i i 华南理工大学硕士学位论文 g r o u n d ，n e u t r a lp o i n ta r cs u p p r e s s i n gc o i lg r o u n d ，a n di s o l a t e dn e u t r a ls y s t e m ，a n d t h e ne x p a t i a t e st h ec a b l es t a n d a r d su n d e rt h er a t e dv o l t a g eu o ua th o m ea n da b r o a d a n dt h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ea cv o l t a g ew i t h s t a n d t e s tf r o mt w oa s p e c t s ：t e s tp r i n c i p l ew i r i n gd i a g r a ma n dt e s te q u i p m e n t a cv o l t a g e w i t h s t a n dt e s te q u i p m e n tc a nb ed i v i d e di n t o5p a r t s ：a cp o w e rs u p p l yp a r t ，v o l t a g e r e g u l a t i n gp a r t ，t e s tt r a n s f o r m e rp a r t ，c o n t r o lp r o t e c t i o np a r ta n dv o l t a g em e a s u r e m e n t p a r t a m o n gw h i c h ，i td i s c u s s e sd e s c r i b e st h ev o l t a g er e g u l a t i n gp a n ，t e s tt r a n s f o r m e r p a r t ，c o n t r o lp r o t e c t i o np a r ta n dv o l t a g em e a s u r e m e n tp a r ti nd e t a i l a ts a m et i m e ，i t o f f e r e dt h eo p e r a t i o np o i n t so fa cv o l t a g ew i t h s t a n dt e s to nt h eb a s i so ft h ep r a c t i c a l w o r ke x p e r i e n c e ，a n dd e s c r i b e si d e t a i lt h ep h e n o m e n at h a tm a yo c c u rd u r i n ga c v o l t a g ew i t h s t a n dt e s ta n dt h ep o s s i b l ec a u s e s f u r t h e r ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h er e q u i r e m e n t sa n dm e t h o d so fi n s u l a t i o nt e s tf o r 3 5 k vx l p ec a b l e sa n d6 1 0 k vx l p ec a b l e s ，a n dt h e np o i n t so u tt h ed i f f c r e n c e b e t w e e nt h ei n s u l a t i o nt e s tm e t h o d so ft h et w ok i n d so fc a b l e s f o r3 5 k vx l p ec a b l e s t r a d i t i o n a ld cv 0 1 t a g ew i t h s t a n dt e s ti sb o t hd e s t r u c t i v ea n du n a b l et o c o r r e c t l y d e t e r m i n et h ei n s u l a t i o np e r f o r m a n c e ，t h e r e f o r e ，a cv 0 1 t a g ew i t h s t a n dt e s tm u s tb e u s e d f o r6 l o k vx l p ec a b l e s ，a cv o l t a g ew i t h s t a n dt e s tm u s tb eu s e d ，b u ta st h e i n s u l a t i o nt h i c k n e s so f6 1 0 k vx l p ec a b l e si st h i n ，d cl e a k a g ec u r r e n tt e s tc a nb e u s e da sas u b s t i t u t i o n a tl a s tt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o ns e r i e sr e s o n a n c ea c v o l t a g ew i t h s t a n dt e s te q u i p m e n tio f t e nu s ed u r i n gw o r k ，i n c l u d i n gt h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，m a i np a r t s ，t e s tw i r i n g ，o p e r a t i o np r o c e d u r e sa n ds a f e t yp r e c a u t i o n se t c f o r t h ex l p ec a b l et e s tp r o d u c t ss i 舢l a t i n gd i f f e r e n ts t a t u s ，p o w e rf t e q u e n c yt e s t ，t h r e e k i n d so fa cw i t h s t a n dv 0 1 t a g et e s t ，i e o s c i l l a t o r yw a v et e s t ，a n ds u p e rl o wf r e q u e n c y t e s ta r ec a r r i e do u t ，a n dt h e nt h ep a p e ra n a l y z e sa n dv e r i f i e st h et e s tr e s u l ti nd e t a i l ， p o i n t so u tt h ea d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o ns c o p eo fd i f f 色r e n tk i n d so f a cw i t h s t a n dv o l t a g et e s tf o rx l p ec a b l e s k e yw o r d s ：x l p ec a b l e ，a cw i t h s t a n dv 0 1 t a g et e s t ，1 色s tv o l t a g e ，t 色s tf r e q u e n c y ，t e s t t i m e 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：1 瓦沁关 日期：b 噼厅冤日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：_ z 诉占月刁玲日日期：训年占月刁玲日 日期：它一卜年，月踟日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 在过去的交接和预防性试验中，交联聚乙烯电力电缆与油浸纸绝缘电缆一样 都采用直流耐压试验。8 0 年代初期，人们发现交联聚乙烯电力电缆在直流电场作 用下，空间电荷的附加电场效应加强了水树枝尖端处的电场而引发介质局部放电， 释放大量高能带电粒子，不断地轰击水树枝端部和水树枝通道壁的介质分子链段， 使得介质分子链段断链、降解，水树枝快速转变成为电树枝，加速了交联聚乙烯 电力电缆绝缘性能早期劣化，大大缩短了电缆的运行寿命。国际大电网会议通过 深入广泛的研究，对交联聚乙烯电缆改用交流耐压试验达成共识，并颁发了试 验导则，在全世界范围内广泛推广应用。我国在九十年代中期已开始并关注此问 题，尤其是2 0 0 1 年至今，各省己陆续提出相应的试验要求。综观其发展历史过程 简述如下： 1 1 9 8 0 年前几年，国外发现交联聚乙烯电力电缆做直流耐压试验存在问题。 2 1 9 8 3 1 9 8 9 年加拿大、德国、瑞典等国部分电力公司的交联聚乙烯电力 电缆绝缘试验改做交流耐压试验。 3 1 9 8 8 年起，德国部分电力公司试用0 1 h z 超低频交流耐压试验。 4 1 9 8 9 1 9 9 0 年，美国陆续发表关于交联聚乙烯电力电缆绝缘试验采用直流 耐压试验存在的问题和相关原因分析方面的文章。 5 1 9 9 4 年，广东省和华东中试所协同研究中压交联聚乙烯电缆交流耐压试验 电压标准问题。 6 1 9 9 5 年，德国制定v d ed i n0 2 6 7p a r tl 0 0 1 ( m a r y1 9 9 5 ) 中压橡塑电缆 ( 注：交联聚乙烯电力电缆属于塑料绝缘电缆的范畴，本文中提到的关于橡塑电 缆的规程和规定同样适用于交联聚乙烯电力电缆) 交接试验采用工频交流耐压试 验时的电压标准和采用0 1 h z 交流耐压试验时的试验电压标准。 7 1 9 9 6 年，美国电力研究所( e p r i ) 发布中压电力电缆o 1 h z 现场试验试 行导则( e p r ir p3 3 9 2 一0 1 c e a2 0 0 d 一7 8 0 a )( 试验电压标准) 8 1 9 9 7 年，国际大电网会议( c i g r e ) 第2 1 、0 9 工作组发表高压挤包绝缘 峻工验收试验导则( 3 0 3 0 0 h z ) 及试验电压标准) 。 9 1 9 9 9 年，广东制定中压橡塑电缆交流试验电压标准暂行规定。 1 0 2 0 0 0 年左右，北京、广东及其他地区对1 1 0 、2 2 0 k v 交联聚乙烯电缆作 交流耐压试验。 华南理工大学硕士学位论文 1 1 2 0 0 2 年2 月，江苏颁发电力设备交接和预防性试验规程。 1 2 2 0 0 2 年2 月，华北地区颁发电力设备交接和预防性试验规程。 1 3 2 0 0 2 年3 月，山东颁发电力设备交接和预防性试验规程。 1 4 2 0 0 3 年6 月，安徽、浙江、吉林起草橡塑电缆交接和预防性试验规程。 从以上历史过程中可以看出，交流耐压试验是交联聚乙烯电力电缆绝缘试验 的客观需要。经过国内外2 0 年左右的研究和实践，从理论基础研究到现场试验经 验的积累，技术上已趋于成熟。在我国的广东、华北、江苏、山东、安徽等地区 和省份已有地方试验规程并正式推广应用，修订发布全国电力行业统一标准也只 是时间问题。 2 2 本课题主要研究内容 经国内外科研机构研究分析，交流耐压试验是目前最能反映交联聚乙烯电力 电缆电气性能的测试，是目前交联聚乙烯电力电缆投入运行前最有效的试验方法。 本文围绕交联聚乙烯电力电缆交流耐压试验，主要对以下几个方面进行了研究： 第一方面，从交联聚乙烯电力电缆的交联聚乙稀绝缘层在交流和直流两种电 场下所体现的不同介质特性和交联聚乙烯电力电缆的绝缘试验采用直流耐压试验 所存在的缺点这两方面，说明交联聚乙稀电力电缆的绝缘试验采用交流耐压试验 的必要性。 第二方面，结合国内、外相关试验规程和标准，围绕交流耐压试验的的三个 主要参数一试验频率、试验电压和加压时间展开论述，详细论述了这三个参数的 取值情况。在试验频率方面，试验频率在3 0 3 0 0 h z 范围内，交联聚乙烯电力电 缆内部几种典型绝缘缺陷的击穿特性没有明显差别，o 1 h z 超低频率试验也具有 等效性。在试验电压方面，3 0 3 0 0 h z ( 或其相近频率) 调频式串联谐振交流耐 压试验选用2 u o ；o 1 h z 选用3 u o ，作为交接试验电压标准是比较合适的。在试 验持续时间方面，3 0 3 0 0 h z ( 或相近频率) 交流耐压试验我国试验时间普遍采 用5 m i n ，o 1 h z 交流耐压试验我国试验时间普遍采用交接选6 0 m i n 、预试选5 m i n 。 其中在试验电压一节中，简单介绍了我国现有电网系统普遍采用的4 种接地方式， 并且结合系统接地方式阐述了国内、外对电缆额定电压u o u 的制定标准。 第三方面，从试验原理接线图和试验装置两个方面介绍了交流耐压试验的工 作原理。交流耐压试验装置可分为五个部分：交流电源部分、调压部分、试验变 压器部分、控制保护部分和电压测量部分，其中对调压部分、试验变压器部分、 控制保护部分和电压测量部分进行了详细的论述。同时，结合实际工作经验提出 了交流耐压试验的操作要点并且详细介绍了交流耐压试验中可能出现的异常现象 及其相应原因。 第一章绪论 第四方面，详细论述了3 5 k v 交联聚乙烯电力电缆和6 1 0 k v 交联聚乙烯电 力电缆绝缘试验的要求和方法，指出两者在绝缘试验方法之间的异同。对于3 5 k v 交联聚乙烯电力电缆的绝缘试验，传统的直流耐压试验既有破坏性也不能准确诊 断绝缘状况，必须采用交流耐压试验。对于6 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆的绝缘 试验应采用交流耐压试验，由于但6 l o k v 交联聚乙烯电缆的绝缘厚度较薄， 直流泄漏电流试验也可作为替代试验。 第五方面，重点介绍了本人在工作中经常使用的调频式串联谐振交流耐压试 验装置的工作原理、主要部件、试验接线、操作步骤和注意事项。对模拟不同状 态的1 0 k v 交联聚乙烯电缆试品进行了不同形式的交流耐压试验，然后对试验结 果进行了详细分析和论证，指出了交联聚乙烯电力电缆试验采用不同形式的交流 耐压试验的优缺点和适用范围。 华南理工大学硕士学位论文 第二章交联聚乙烯电力电缆交流耐压试验的必要性 2 1 交联聚乙烯电力电缆绝缘层的在交、直流电场下的介质特。陛 交联聚乙烯电力电缆的绝缘层为交联聚乙烯材料，交联聚乙烯属于固体绝缘， 它是由聚乙烯加入交联剂挤出成形后，经过化学或物理方法交联成交联聚乙烯。 由于化学交联在经济性和加工性能上都比物理交联优越，所以制作交联聚乙烯时 一般采用化学交联方法，即在聚乙烯电缆料中混入一定量的交联剂，挤包绝缘层 后在一定温度和压力下进行交联反应，使分子结构从直链状转变成立体网状结构， 从而大大改善了聚乙烯的机械性能和耐热性能，同时又保持了聚乙烯的优良电气 性能。但是在交联过程中，在其介质内部不可避免地会溶解有一定数量的副产品， 这些副产品易挥发，形成杂质、水分和气隙，且有相对小的绝缘电阻系数，故交 联聚乙烯电力电缆在交、直流电压下的电场强度分布有很大的不同。 当电缆绝缘层承受交流电压时，各介质层承受电场强度是按介质层的介电常 数e ，成反比例分配的。由于交联聚乙烯电力电缆的绝缘层是属整体式绝缘结构， 它的介电常数er _ 2 1 l 而且一般不受温度变化的影响，故在交流电压下，交联聚 乙烯绝缘层各处承受的电场强度相同的而且绝缘层中电场强度的分布几乎不受温 度变化的影响。 当电缆绝缘层承受直流电压时，各介质层的电场强度按各介质层的绝缘电阻 系数p 成正比例分配。虽然交联聚乙烯绝缘层是整体式的，但在交联过程中溶解 在其内部的副产品( 甲烷气、乙酰苯、聚乙醇等) 在绝缘层内部分布是不均匀的。 由于这些副产品的绝缘电阻系数比聚乙烯小，从而使交联聚乙烯电缆绝缘层内绝 缘电阻系数分布不均匀。因此，在直流电压下，交联聚乙烯电缆绝缘层内的电场 强度分布也不同于理想圆柱体绝缘结构的电场强度分布，而与材料的不均匀性有 关。交联聚乙烯绝缘象一般绝缘材料一样，其绝缘电阻系数不仅受温度变化的影 响，而且与所加电场强度大小有密切关系，一般可用下式表示 p = poe 。a 卜 ( 3 1 ) 式中po o 时绝缘材料的绝缘电阻系数； o 一工作或试验时的温度，； p e 时绝缘材料的绝缘电阻系数； a 一温度系数： b 一电场强度系数； e 一工作或试验时的电场强度，k v ，m m 。 4 第二章交联聚乙烯电力电缆交流耐压试验的必要性 ( 注：据测定，交联聚乙烯绝缘的a 为0 1 5 ，b 为0 1 5 m m k v 。) 在这里，电场强度的影响不能忽略不计。一般来说，对交联聚乙烯绝缘，( 3 1 1 式可简化为 p = p 。e 一8 。ey( 3 2 ) 当e = 5 。2 5 2 1 k v m m ，y = 2 1 2 4 时，图3 1 、图3 2 分别表示了聚乙 烯绝缘薄片的p 与e 、e 的关系。 从图2 1 和图2 2 可以看出： 1 ) 在直流电压下，由于温度及电场强度的变化，交联聚乙烯绝缘层的绝缘 电阻系数也会随之变化。 2 ) 由于绝缘电阻系数的变化，导致交联聚乙烯绝缘层各处电场强度分布的 改变，也就是说，在同样厚度下的绝缘层，由于温度的升高，其击穿电压水平随 之下降。 0 o5 0 e 薄片 0 0 0ol o2 03 0 e 图21 绝缘电阻系数与温度的关系 p i c t u f e 2 - 1t h er e l a t i o no ft e m p e r a t u r ea n d i h ec o e f f i c i c n to fi n s u l a i i o nr e s i s t a n c e 图22 绝缘电阻系数与电场强度的关系 p i c t u r e 2 - 2t h er e l a t i o no ft h es t r e n g t ho f e l e c t r i cf i e l da n dt h ec o e m c i e n to f i n s u l a t i o nr e s i s t a c e 2 2 交联聚乙烯电力电缆采用直流耐压试验存在的明显缺点 高压交联聚乙烯电缆线路的运行试验表明，现场采用直流耐压试验不能有效 地检出有缺陷的交联聚乙烯绝缘电缆及附件。各国运行经验发现通过直流耐压试 验的交联聚乙烯绝缘电缆及附件在投入运行后有击穿故障发生。为此，c i g r e w g 2 1 - 0 9 工作组( 高压挤包绝缘电缆试验) 于1 9 8 4 年向世界各国电缆制造商和电 力公司调查，并组织进行模拟结构样品试验，进一步确认高压交联聚乙烯电力电 华南理工大学硕士学1 ： ) = 论文 缆采用直流耐压试验是不恰当的，其存在以下明显的缺点： 1 ) 直流电压下绝缘电场分布与交流电压下电场分布不同，前者按电阻率分 布，而后者按介电系数分布，尤其在电缆终端和接头等高压电缆附件中，直流电 场强度的分布与交流电场强度分布完全不同。这往往造成交流工作电压下有缺陷 部位在进行直流耐压现场试验时不会击穿而被检出，或者在交流工作电压下不会 出现问题的部位在进行直流耐压现场试验时会发生击穿现象。 2 ) 电缆交联聚乙烯绝缘层自身的固有场强高，直流耐压试验要用很高的试 验电压甚至严重损伤电缆的试验电压才能检出交联聚乙烯绝缘层存在的缺陷。例 如，l o k v 交联聚乙烯电缆的绝缘层在5 0 处有金属尖端，试验结果得出在1 0u 。 的直流电压下才能使其击穿。再者，在接头内有金属尖端或密封电缆头周围有严 重的缺陷，直流耐压试验即使用1 2u 。1 6u 。直流试验电压也不可能检出缺陷。 3 )由于交联聚乙烯电缆绝缘层的高绝缘电阻和相应的空间电荷效应，尚不 能排除在直流电压下会造成交联聚乙烯电缆绝缘层非故意的预先损伤。直流耐压 试验时形成的空问电荷，可造成电缆在投入交流工作电压运行时击穿，或附件界 面因积聚电荷而沿界面滑闪。 4 ) 交联聚乙烯电力电缆绝缘介质的体积电阻率很高，约1 0 ”o m 以上。在 直流电场作用下，容易产生和聚集空间电荷，使得交联聚乙烯介质中局部缺陷( 如 制造过程不可避免的气隙、杂质或运行过程中产生的水树枝等缺陷) 处的电场发 生畸变，局部电场强度急剧增强至1 0 倍以上，约3 0 k v m m ，远远超过交联聚 乙烯介质的击穿场强而导致介质局部击穿，形成介质树枝状不可逆早期劣化，甚 至发生击穿故障。 5 ) 当直流电场移去后，交联聚乙烯电缆绝缘介质中已经形成的空间电荷受 介质高电阻的限制不能够在短时期内泄漏，在交联聚乙烯电缆绝缘介质局部形成 空间电荷附加电场。当附加电场与外部施加的工频交流电场迭加就会形成很高的 局部电场，可能迅速击穿交联聚乙烯电缆绝缘介质，这种现象在交联聚乙烯电力 电缆直流耐压试验时经常发生，如直流耐压试验合格的交联聚乙烯电缆线路在正 常送电后不久就发生击穿故障。 6 )国内一些研究机构认为，交联聚乙烯电缆的直流耐压试验中，由于空间 电荷效应，此时交联聚乙烯电缆绝缘层中的实际电场强度可比正常运行时的工作 电场强度高出1 0 倍。交联聚乙烯绝缘电缆即使通过了直流试验不发生击穿，也会 引起交联聚乙烯电缆绝缘的严重损伤。其次，由于施加的直流电压场强分布与运 行的交流电压场强分布不同。直流试验也不能真实模拟运行状态下电缆承受的过 电压，并有效的发现电缆及电缆接头本身和施工工艺上的缺陷。 6 第二章交联聚乙烯电力电缆交流耐压试验的必要性 2 3 本章小结 本章主要从两个方面论述了交联聚乙烯电力电缆必须进行交流耐压试验。首 先分析了交联聚乙烯电力电缆在交流和直流两种电场下所体现的介质特性，在交 流电压下交联聚乙烯绝缘层各处承受的电场强度是相同的，但是在直流电压下由 于温度及电场强度的变化会导致交联聚乙烯电缆绝缘层各处电场强度分布的改 变。然后列举了交联聚乙烯电力电缆采用直流耐压试验存在的缺点。 7 华南理工大学硕士学位论文 第三章交联聚乙烯电力电缆交流耐压试验参数的讨论 为了适应我国电力建设的快速发展，尤其是城农网改造带来交联聚乙烯电力 电缆的大量增加，全国其它各省、自治区均在进行或准备进行交联聚乙烯电力电 缆耐压试验规程的修订工作。从技术方面来看，讨论最多的是交流耐压试验的试 验频率，试验电压及加压时间等参数。 3 1 选择试验电压的频率 3 1 1 现行的不同试验频率 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，而且大 电流的工作电源在现场不易取得，因此一般都采用串联谐振交流耐压试验设备。 其输入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。因此现在大都采 用调频式( 3 0 3 0 0 h z ) 串联谐振试验设备，可以得到更高的品质因数( q 值) ， 并具有自动调谐、多重保护，以及低噪音、灵活的组合方式( 单件重量大为下降) 等优点。 3 0 一_ 3 0 0 p o o o o o - _ o p o l o o o o _ _ o o o o o - l _ _ - l o o o o o 、， ：2 0 一_ 3 0 0 ： _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ o _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o _ 、， j ：；= q 2 出 ；( 3 ) t_i i _ ：r _ 14 5 _ 6 5 ( 4 ) ： j ；! b14 5 5 5 ( 5 ) ：3 5 ；一7 5 ( 6 ) ： ( 了)：f ：f ： ：f 0 1 ： ： 0 l 谨卜l 、枋1 彷1 赢f 图3 1 试验电压频率范围的不同提法 ( 1 ) 3 0 3 0 0 h z ( 2 ) 2 0 3 0 0 h z ( 3 )l 3 0 0 ( 4 ) 4 5 6 5 ( 5 )4 5 5 5 比 ( 6 )3 5 7 5 ( 7 ) 0 1 h z p i c t u r e 3 1t h ed i f f e r e tv i e w p o i n to ft e s tv o l t a g ef r e q u e n c ys c o p e 综合国内外有关技术资料，选择合适的试验频率范围是个比较重要的问题。 在这方面，有一些不同的观点和提法( 见图3 1 ) ，图中不同的提法可分成4 类： 第1 类为较宽频率范围3 0 3 0 0 h z 、2 0 3 0 0 h z 、1 3 0 0 h z ；第2 类为工频范围， 4 5 6 5 h z 、4 5 5 5 h z ；第3 类为接近工频，3 5 7 5 h z ；第4 类为超低频，o 1 h z 。 为了便于进一步讨论频率范围的选择问题，现摘录i s h 9 9 伦敦会议有关论 第三章交联聚乙烯电力电缆交流耐压试验参数的讨论 文中交联聚乙稀电力电缆不同故障类型在不同频率和波形下的击穿电压研究结果 列于图3 2 。 图3 2 交联聚乙烯电缆样品在不同频率和电压波形下的击穿电压 p i c t u r e 3 2x l p ec a b l es a l p l et h eb r e a k d o w n v o l t a g eu n d e r d i f f e r e n tf r e q u e n c ya n dv o l t a g ew a v e f o r m 3 1 2 正常绝缘击穿与探测绝缘缺陷的关系 国内外有关绝缘击穿的研究表明：交联聚乙烯电缆正常绝缘的样品，其击穿 电压都相当高，即使它们的平均击穿电压水平也显著高于交接和预试试验电压。 因为交接和预试电压是用来发现绝缘缺陷的，不是用来鉴别正常绝缘的绝缘水平 的，所以不能直接比较不同频率下正常绝缘样品的击穿电压，即使比较了也缺乏 实用意义。 在不同频率下，测量有绝缘缺陷且损坏程度相同的样品的击穿电压，目的在 于比较不同频率对发现绝缘缺陷的能力。当然，这时的击穿电压已经接近交接试 验电压标准。国际大电网会议( c i g r e ) 第2 1 、0 9 工作组就是按照上述原则进行 测试、研究的。他们进行了大量的基础研究工作来选定频率范围，最后发现对电 缆中的典型缺陷其击穿电压在很宽的频率范围内没有明显差别。这说明在很宽的 频率范围内，绝缘内部各介质的电压分布基本相同。因此在不同试验频率下，电 缆交流耐压发现电缆绝缘缺陷的能力也是基本相同的。 交接和预防性试验属于工业性试验性质。由于工业性试验条件不可能很严格， 影响因素较多，在判断试验结果时，允许有一定的偏差。 3 1 3 讨论 3 1 _ 3 1 第1 类较宽频率范围 国际大电网会议第2 l 、0 9 工作组发布的试验导则，建议频率范围为3 0 3 0 0 h z 。但实际上更低一些频率也具有较好的等效性。i e c6 0 8 4 0 和i e c6 2 0 6 7 标准草案( 2 0 0 1 年和2 0 0 0 年) 就规定可采用2 0 3 0 0 h z 。 华南理工大学硕士学位论文 国外有些厂家设计串谐用电抗器，在特殊情况下也有采用最低频率为2 5 h z 或2 0 h z 的。当然，频率愈低，被试电缆的长度( 电容量) 可增大。但是电抗器 铁心因此放大，使重量增加。个别资料为1 3 0 0 h z ，这说明实际应用中频率下限 有可能取得更低，例如小于2 0 h z 甚至到o 1 h z 也是可行的。进一步表明在这样 的频率范围内，绝缘内部各介质的电压分布及介质特性仍基本相同。 工作频率超过3 0 0 h z 是否适当? 有资料报导说，随频率增高，串谐电抗器及 励磁变压器的损耗降低，但是要考虑被试品电容介质的极化发热问题，因此频率 高于3 0 0 h z 是不可取的。 3 1 3 2 第2 类为工频范围 国际上工业频率主要指5 0 h z 和6 0 h z 两种，故i e c 标准规定对高压绝缘的工 业试验频率范围为4 5 6 5 h z ，在我国额定工频为5 0 h z ，g b ，t 1 6 9 2 7 1 一1 9 9 7 规 定工频试验频率范围为4 5 5 5 h z 。 应用于工频环境下的电力电缆，其试验电压频率也必须是工频，这是趋于保 守的观点。针对此问题应该着重说明交接和预防性试验的目的在于发现绝缘缺陷， 而且其试验电压频率标准的判定原则就是根据发现缺陷的能力来定的。在不同的 频率下只要绝缘内部介质电压分布相同，又有基本相同的检出绝缘故障的能力， 就能达到试验的目的，因此即使选用比工频范围更宽的频率也是可以接受的。 油纸绝缘电缆一直采用频率等于零的直流电压进行耐压试验，其实际效果很 好，数十年来未受到置疑。 3 1 3 3 第3 类为接近工频频率 国外曾对正常x l p e ( 交联聚乙烯) 绝缘电缆样品，在不同频率下进行击穿 试验。结果表明在频率为3 5 7 5 h z 时击穿电压均落在可置信度9 5 之内。因此 有观点赞成试验电压频率最好选在3 5 7 5 h z 。也较为靠近运行电压频率5 0 h z 。 值得注意的是，上述测试结果是针对电力电缆正常绝缘做的击穿试验。而交接和 预防性试验所采用的试验电压值是偏低的，它只能击穿有缺陷的绝缘弱点( 机械 损伤、水树枝、终端头或接头盒应力锥施工或用料错误，等等) ，完全不足以击穿 电缆本体的正常绝缘。可见两种试验的目的和工作机理均不相同。似乎没有必要 将正常绝缘3 5 7 5 h z 的击穿特性“延伸”应用到检测绝缘缺陷方面。 3 1 _ 3 4 第4 类为o 1 h z 频率 德国、奥地利、美国和日本等国家早在八十年代中期，就着手对运行中的交 联聚乙烯电力电缆采用超低频( o 1 h z ) 耐压试验作为发现电缆运行绝缘缺陷的无 损试验手段开展了大量试验室研究和现场试验研究工作。德国发电厂联合会 ( v d e w ) 和国际大电网会议第2 1 0 9 工作组( c i g r e w o r k i n g g r o u p2 1 0 9 ) 研究报告 表明：超低频( 0 1 h z ) 耐压试验仍是交流试验，推荐用于中压交联聚乙烯绝缘电 o 第三章交联聚乙烯电力电缆交流耐压试验参数的讨论 力电缆试验。一方面该试验不会在电缆交联聚乙烯绝缘中聚集空间电荷，畸变局 部电场；另一方面，该试验能够在较低的试验电压下发现电缆绝缘水树枝老化等 缺陷；故其对交联聚乙烯绝缘的损害程度较小。 3 1 4 结论 国际大电网会议c i g r e 第2 1 、0 9 工作组由1 0 个国家资深的电缆专家组成。 在9 0 年代中期为了选择适当的交流耐压试验的频率范围，做了大量、仔细的基