5-1--0.1Hz试验技术在中压XLPE绝缘电缆中的应用

故障分析与反措 1 0 1Hz 试验技术在天津地区中压 交联聚乙烯绝缘电缆的应用 葛荣刚 1 王 芹2 1 城南供电分公司 天津 300201 2 城东供电分公司 天津 300250 摘 要 概述交联聚乙烯绝缘电缆试验的研究结果 介绍了天津电力公司引进的 0 1Hz 试验设备 及其在中压 35kV 交联聚乙烯绝缘电缆的试验及介质损耗测试情况 关键词 0 1Hz 试验 介质损耗 应用 1 引言 对电缆线路进行预防性试验 减少电缆突发故障 是提高供电可靠性的有效手段 电缆试验 要求在试验电压和试验时间内有效地将电缆线路的缺陷发展成为故障暴露出来 然后通过查找故 障点并予以修复 从而避免电缆线路在正常运行中发生故障 因此 对新设电缆线路进行严格的 交接试验 并对运行电缆线路按周期进行预防性试验是电缆运行管理的一项重要工作 国内对于交联聚乙烯绝缘电缆 下文简称 XLPE 绝缘电缆 的交接和预防性试验 多年沿用直 流耐压试验的方法 而国外的研究和实践经验表明 直流耐压试验不适用于 XLPE 绝缘电缆 从而 相继研究开发了不同原理的试验方法和设备 其中超低频 VLF 0 1Hz 交流试验是解决中低压 XLPE 绝缘电缆试验比较成熟方法 天津电力公司于 2001 年 6 月引进了奥地利 Baur 公司生产的 PHG80 0 1Hz 试验设备 并对 35kV XLPE 绝缘电缆开展 0 1Hz 试验和介质损耗测试工作 2 国内外关于 XLPE 绝缘电缆试验的研究 国外对于中压 XLPE 绝缘电缆试验的研究开展较早 特别是欧洲一些国家 由于 70 年代中期 生产的 XLPE 绝缘中压电缆易形成水树 以致运行后不久就发生故障 因此开展中压 XLPE 绝缘电 缆的试验研究比较早 研究结果表明 直流耐压试验不适用于 XLPE 绝缘电缆 推荐使用交流试验 并于 90 年代初开发出成型的替代直流耐压适用于中压 XLPE 绝缘电缆的试验技术和设备 并且修 定了 XLPE 绝缘电缆试验的标准 2 1 直流耐压试验对于 XLPE 绝缘电缆存在的缺点 直流耐压试验源于油纸绝缘电缆试验 实践经验证明直流耐压试验对于发现油纸绝缘电缆的 缺陷是有效的 但对于 XLPE 绝缘电缆直流耐压试验存在如下缺点 电缆绝缘材料在直流电压和交流电压下的场强分布不同 直流电压下的场强分布取决于材 料的体积电阻率 而交流电压下的场强分布取决于介质的介电常数 因而在电缆终端头 中间接 头等电缆附件中直流电场强度的分布和交流电场强度的分布完全不同 而且直流电压下绝缘老化 全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集 2 的机理和交流电压下老化机理不同 直流耐压试验不能有效的发现交流电压下发生的某些缺陷 同时交流电压下极易发生的缺陷在直流耐压时却不发生 故直流耐压试验不能模拟 XLPE 绝缘电缆 的运行工况 直流耐压试验在 XLPE 材料上产生 累积效应 在绝缘材料内产生的单极性残余电荷需 要很长时间才能将直流偏压释放 电缆在直流残余电荷未完全释放前投入运行 该直流偏压便叠 加在工频电压峰值上 可能导致绝缘击穿 直流耐压试验容易形成震荡 伤害电缆绝缘 直流耐压试验时会有电子注入到聚合物内部 形成空间电荷 使该处的电场强度降低 从而难于发生击穿 XLPE 绝缘电缆的半导电凸凹处和污 秽点等处容易产生空间电荷 如果在直流耐压时电缆终端发生闪洛或中间接头击穿 会在电缆线 芯上形成波振荡 在已聚积空间电荷的地方因振荡电压的极性迅速改变 从而使该处电场强度明 显增大 可能损坏绝缘 直流电压极易发展水树 XLPE 绝缘电缆极易产生水树 在直流电压下水树会迅速生长并 生成电树 加速绝缘老化 以致运行后在工频电压下发生击穿 基于上述原因 直流耐压试验对于 XLPE 绝缘电缆的等效性值得怀疑 并由于直流耐压可能在 很大程度上损坏 XLPE 绝缘电缆的使用寿命 因此 尽管直流耐压设备具有重量轻 可以测量电缆 长度长的特点 有些国家已经禁止对 XLPE 绝缘电缆进行直流耐压试验 2 2 直流耐压试验的替代方法及趋势 为解决 XLPE 绝缘电缆的试验问题 相继研究开发了谐振试验 振荡电压试验 局放测量和超 低频 0 1Hz 试验试验方法 2 2 1 谐振试验 为解决了电源系统的重量 采用不同形式的谐振系统 可调电感谐振系统 变 频谐振电源系统 频率范围在 30 300Hz 之间 利用空气间隙补偿变压器的谐振系统 2 2 2 振荡电压试验 这种试验方法是用直流电源给电缆充电 然后通过一个触发球间隙给一组 串联电阻和电感 从而得到一个阻尼振荡电压 但此方法对于长电缆是有问题的 虽然振荡电压 法比直流耐压试验有效 但效果不如工频试验效果好 2 2 3 研究证明工频耐压加上局部放电测量对于电缆的现场试验的效果相当好 尽管在试验的时 间内有些缺陷并不击穿 但故障点在试验电压下会出现局部放电 目前局部放电测试还仅限于检 查电缆接头和和终端 主要是利用超高频和超声波进行现场的局部放电探测 2 2 4 超低频 VLF 0 1Hz 交流耐压试验 上述四种试验方法中 前三种方法试验设备容量大 一般适用于高压电缆的试验 第四种超 低频 0 1Hz 试验是目前中压 XLPE 绝缘电缆试验的主要手段 在国外已被广泛应用于中压 XLPE 绝 缘电缆试验 2 3 超低频 0 1Hz 交流试验的优点 0 1Hz 试验与直流试验相比较具有以下优点 超低频 0 1Hz 试验电压既有直流特点又有交流特点 0 1Hz 耐压试验对老化 XLPE 绝缘电 缆的影响 比直流耐压试验小 对于实验室老化的 XLPE 绝缘电缆 0 1Hz 击穿电压近似等于工频击穿电压 直流击穿电 故障分析与反措 3 压明显高出交流击穿电压很多 超低频 0 1Hz 试验设备所需要的输出功率 由于试验频率比较低 显著小于工频试验设备 其设备容量 重量可以和直流设备相比拟 适于现场测试 除了能对电缆作 0 1Hz 耐压试验外 还能对电缆进行介质损耗测量 从而掌握电缆整体的 绝缘状况 3 我公司引进的 PHG80 试验设备主要性能参数 在充分考虑天津地区中压 35kVXLPE 绝缘电缆的运行的实际情况后 通过技术论证 引进了 PHG80 系列的 0 1Hz 试验设备 将该设备及发电机等附属设备一并组装成一辆电缆测试车 PHG80 输出 0 1Hz 正弦波 电压 57kV 时的最大容性负荷为 1 1uF 即可以测试 35kV 三芯 XLPE 绝缘电缆 长度约 6 公里 可进行 35kV 及以下电压等级交联电缆的介质损耗测量 PHG80 主要性能参数 适用电源 220V 50Hz 额定电流 10A 最高输出电压 正弦波 rms 57kV 0 1Hz 方波 80kV 0 1Hz 直流电压 正 负极性输出 80kV 最大电容负荷57kV 下 1 1uF 输出试验频率0 01 0 1Hz 可调 相对湿度 90 不凝露 工作温度 0 50 C 保存温度 20 60 C 整套系统重量约 350kg 4 0 1Hz 试验技术使用中碰到的问题及在中压 35kVXLPE 绝缘电缆的应用情况 4 1 关于试验标准 关于中低压交联电缆的试验标准规定不统一 在 DIN VDE 0276 T 620 中规定 0 1Hz 3 U0 时间 60min 而在 XLPE 绝缘电缆超低频 VLF 0 1Hz 耐压试验 一文中 通过对试验老化 的 XLPE 绝缘电缆超低频 0 1Hz 耐压试验的研究 推荐试验电压和试验时间如下 0 1Hz 试验电压和试验时间推荐表 系统电压 kV 安装后试验 kV 验收试验 kV 维护试验 kV 证明试验 kV 512141010 1525282222 2538443333 3555624747 试验时间 15 分钟 目前国内 0 1Hz 交流试验及介质损耗测试尚无统一标准 在 电力设备交接预防性试验规程 全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集 4 DL T 596 1996 只规定了直流耐压试验的方法 中压 35kVXLPE 绝缘电缆的 0 1Hz 试验标准 我公司参照 电力设备交接预防性试验规程 修订版 华北电力集团公司 二 000 年 执行 即 新设电缆交接试验 3 U0 60 分钟 预防性试验 2 1U0 5 分钟 4 2 0 1Hz 耐压试验及介质损耗的测试情况 4 2 1 0 1Hz 耐压试验情况 2001 年 6 月 2002 年 6 月一年时间内 共在 50 回 83 段 35kVXLPE 绝缘电缆线路开展了 0 1Hz 交流电压试验工作 其中试验击穿 3 段 一黄 I II 及一平 I 试验击穿率 3 6 通过分 析该 3 段电缆线路发生击穿的主要原因是 线路采用的预制式中间接头质量不过关 在未引进 0 1Hz 试验技术前 采用直流试验方法时即多次在接头部位击穿 0 1Hz 试验和直流试验电缆线路 的试验击穿情况统计如下表 0 1Hz 试验和直流试验电缆线路的试验击穿情况统计 线号 电压形式 DC AC 相别 击穿电压 kV 发生时间 S 试验日期 一黄 IAC 0 1Hz绿 74 32702 12 27 一黄 IIAC 0 1Hz 黄 绿 红 76 4 76 4 76 7 22 38 26 02 12 27 一平 IAC 0 1Hz 黄 绿 红 68 1 77 1 76 5 31 7 12 02 12 26 一平 II DC 红 78 约 2 分钟 98 9 10 一平 II DC 黄 78 约 1 分钟 98 9 17 通过上表可以看出 0 1Hz 试验时电缆击穿多发生在负极性下 占击穿次数 71 3 0 1Hz 试验时电缆击穿电压峰值接近 3U0 即 78kV 鉴于上述发生击穿的电缆电缆线路基本上是在同一时期敷设的 且采用了相同形式的接头 施工工艺 可以认为交流0 1Hz 试验和直流耐压试验在发现预制型中间接头质量缺陷方面是等效的 4 2 2 35kV 电缆介质损耗测量情况 目前国内尚无 0 1Hz 介质损耗测试标准 我公司采用了 BAUR 公司推荐的欧洲标准 tg U0 0 6 tg 2U0 1 2 tg 2U0 tg U0 0 6 2003 年 1 6 月份 对 80 段 35kVXLPE 绝缘电缆进行了介质损耗测试 按照保尔公司推荐的标 准 达到此标准的段数为 42 段 没达到的为 38 段 合格率为 52 5 目前 我们开展的介损测量工作还处于数据积累阶段 还不能就介损值与电缆运行击穿之间 建立起一定的联系 换句话说 BAUR 公司推荐的标准也许不适合我们的电缆 经峰二线 35kV 电 缆在 1U0下的介损值达到了 12 以上 在 2U0下的介损值达到了 20 以上 电缆的预防性试验还 故障分析与反措 5 是能够通过并继续运行 4 3 测试设备在使用中碰到的问题 4 3 1 由于本套试验仪器是针对天津 35kV 电缆系统而专门设计的 目前只生产了一套 在设计 上出现了一些了问题 仪器高压电极对地的距离不够 试验时经常会出现闪络情况 高压箱体的 密封不好 有大量灰尘进入 经常造成闪络 4 3 2 对于存在异型接头的电缆线路 出现了三次在试验后的几个月内就发生电缆在运行中击穿 的情况 台王 台德 台黑线等 35kV 油纸绝缘和交联绝缘电缆混合线路 在试验后不久即出现击 穿 这表明 在使用此试验仪器进行含有油纸电缆段落的混合电缆线路试验时 试验电压和试验 时间有待进一步确定 4 3 3 由于对于 35kV 交联电缆的介质损耗测试工作刚刚开始进行 缺乏测试经验 无法评估天 气湿度 电缆终端头的清洁程度及试验时的对地距离对介损值测量的影响 5 结论 5 1 直流耐压试验不适用于 XLPE 绝缘电缆 应当禁止对 XLPE 绝缘电缆进行直流试验 至少应将 直流试验的次数减到最少 因为 其一直流试验不能模拟 XLPE 绝缘电缆的交流运行工况 其二 直流耐压试验不能有效地发现交流状况下严重的电缆缺陷 5 2 0 1Hz 试验能够较好解决中低压交联绝缘的预防性试验问题 是代替交联电缆直流耐压试验 的有效手段 由于 0 1Hz 具有交流特性 有效的避免直流耐压试验在绝缘层内形成的积累效应 同时和直流试验设备相近的设备容重比 适合电缆的现场试验要求 5 3 对于中压 35kVXLPE 绝缘电缆线路的预防性试验采用交流 0 1Hz2 1 U0 试验时间 5 分钟的标 准 同直流 78kV 试验 5 分钟的方法在发现预制型电缆中间接头缺陷方面是等效的 5 4 0 1Hz 技术适用在中压 35kv 交联绝缘和油纸绝缘混合电缆线路的试验电压和试验时间 执行 交联电缆的试验标准难以满足油纸绝缘电缆的要求 有待进一步确定 5 5 0 1Hz 介质损耗测试作为一种绝缘状况判断手段 需要原始诊断数据的综合比较 国内中压 35kV0 1 介质损耗测试缺乏同一的标准 而此相测试工作在天津地区开始不久 处于积累原始数 据的过程 为开展 0 1Hz 介损绝缘诊断工作打下基础 充分利用 0 1Hz 试验设备资源 应开展 35kV XLPE 绝缘电缆线路的介质损耗普测工作 利用 2 3 年时间内建立运行线路的 0 1Hz 介质损 耗底帐 同时 对新敷设电缆线路 在投入运行前进行介质损耗测试 参考文献 1 J Densley G S Eager C Katz B Freyzcyz B S Bemstein The VLF 0 1Hz Voltage Withstand T