35kV及以下XLPE电力电缆试验方法的研究

1　引言
　　交链聚乙烯（XLPE）电力电缆绝缘介质的体积电阻率很高，在1017Ω·m以上。在直流电场作用下容易产生和聚集空间电荷，使得XLPE介质中局部缺陷处（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）的电场发生畸变，局部电场强度急剧增至10倍以上，约30 kV／mm，远远超过XLPE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。另一方面，当直流电场移去后，介质中已经形成的空间电荷受介质高电阻的限制不能在短时期内泄漏，在介质局部形成空间电荷附加电场。当附加电场与外施工频电场迭加成为很高的局部电场时，可能迅速击穿XLPE介质。这些现象在XLPE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电缆线路正常送电后不久就发生击穿故障。
　　80年代初期，人们发现XLPE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XLPE电力电缆绝缘性能早期劣化［1］，大大缩短了电缆的运行寿命。一些电缆使用量较大的发达国家在XLPE电力电缆的预防性试验中均取消了直流耐压试验，相继推出振荡波电压试验、 0．1 Hz超低频电压试验和工频电压试验方法［2～5］。90年代后期，我国重新修编了电气设备预防性试验规程中有关电缆预防性试验方法的规定，也不再推荐直流耐压试验。
　　德国、奥地利、美国和日本等国家早在80年代中期，就着手对运行中的XLPE电力电缆采用超低频（0．1 Hz）耐压试验作为发现电缆运行绝缘缺陷的无损试验手段，开展了大量试验室和现场试验研究工作。德国发电厂联合会（VDEW）和国际大电网会议第21．09工作组（CIGREWorking Group 21．09）研究报告表明：超低频（0．1 Hz）耐压试验仍是推荐用于中压XLPE绝缘的电力电缆试验。一方面该试验不会在电缆XLPE绝缘中聚集空间电荷，畸变局部电场，另一方面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XLPE绝缘的损害程度较小［2～5］。
　　我国从1996年开始，部分城市如上海、烟台、北京等已逐步采用超低频（0．1 Hz）耐压试验并结合超低频（0．1 Hz）电压下电缆绝缘介质的介损（tgδ）测量作为发现电缆运行绝缘缺陷的无损试验手段，同时相继开展对超低频（0．1 Hz）耐压试验的有效性研究。
　　对于超低频（0．1 Hz）电源下进行局部放电试验或介质损耗试验的延伸研究工作成果，国内外文献报道较多，然而关于超低频（0．1 Hz）耐压试验的有效性以及超低频（0．1 Hz）耐压试验与工频耐压试验的等效性的研究结果不多，也是人们极为关注和激烈争论的焦点［6］。
　　本文通过对存在人为绝缘缺陷的XLPE电力电缆试品进行工频电压、振荡波电压和超低频电压进行平行比对试验，来研究这3种试验方法作为早期发现、判别XLPE电力电缆运行事故隐患的有效性和可行性。
2　试验研究
　　平行比对试验方法研究是基于以下2个条件进行的：①XLPE电力电缆存在制造质量缺陷和施工质量缺陷；②XLPE电力电缆运行一段时间后会暴露出所存在的水树枝早期老化的缺陷。通过对同一缺陷电缆试品分别进行工频电压、0．1 Hz超低频电压和5～6 kHz振荡波电压试验进行对比来发现和判别电缆缺陷。
　　2．1　试品制备
　　将在YJV－8．7／15　3×185电缆上人为制造缺陷以模拟电缆在制造、施工和运行中的绝缘品质缺陷以及从运行现场取回的已投运12年有严重缺陷的YJV22－8．7／15　3×185电缆做为试品，见表1。

　　2．2　试验
　　试验前，将试品S1、S2、S3、S4去掉外护套，各分成3只状况相同的试样，试样2端均用硅橡胶预制终端，分别编号为：S1a、S1b、 S1c，S2a、S2b、S2c，…，S4a、S4b、S4c共12只试样；同上，将试品S5去掉外护套，分成S5a、S5b、…、S5l，共12只试样。
　　对同一编号试品的3只试样分别进行工频电压击穿试验、0．1 Hz超低频电压击穿试验和5～6 kHz振荡波电压击穿试验。每击穿1次，在击穿点位置做一假接头，再进行同一电压波形的击穿试验。超低频法和振荡波法的试验电路如图1所示。

　　图1中，Rp为保护电阻；R1、R2组成电阻分压器；CRT为示波器；R3为阻尼电阻；L为可调节电感；S．G为点火球隙。
　　根据试品电缆的电容量Cx和调节电感L值，由公式f=1/2π√LCx和α=R3/2√LCx计算得到振荡波的频率f和阻尼系数α。
　　2．3　试验结果
　　3种试验方法的击穿电压见表2、表3和表4。

3　分析与讨论
　　直流电场的空间电荷畸变绝缘介质局部电场已是不争的事实，当总空间电荷q集中分布在介质中x处时，符合泊松方程：Ect－E＝q／（ε0ε），其中 Ect为介质中x处局部场强，E为介质中性体场强。空间电荷q可由空间电荷聚集率dq／dt＝γηE求得，其中γ为介质电导率；η为介质放电前的传输电荷分数。当Ect大于介质局部击穿场强时，介质绝缘性能将明显下降。
　　从表2的试验结果来看，介质交变电场击穿电压受缺陷的影响较大。缺陷电缆试样的工频击穿电压下降的幅度很大，只有正常电缆击穿电压的30％～60％，主要表现出聚合物介质电机械应力击穿。设介质的弹性模量为Y,对介质施加交变电场E时,介质中麦克斯韦应力f为:f=ε0εE2/2 。当电场应力f引起介质的形变△h大于介质弹性范围时，该介质发生机械疲劳直至电机械击穿。电机械击穿的临界条件为：EB∝[Y/（ε0ε）]1/2，即介质击穿的临界条件 EB与介质的弹性模量Y成正比变化，而XLPE介质的弹性模量相对较低，由此可以推论，较低的工频电压能有效地发现绝缘介质缺陷。
　　一般情况下，XLPE电力电缆受潮或存在水树枝早期劣化缺陷时不容易用短时间的试验来判别，过去采用直流泄漏电流大小和三相平衡系数的方法判断。但是，表面泄漏电流往往极大于绝缘介质极化电流和电导电流，因此，时常掩盖了电缆实际绝缘状态真相而不能及时发现绝缘缺陷。表3和表4的试验结果表明：试样 S2和S4的人为缺陷是模拟电缆在实际运行过程中受潮和存在水树枝状态，由于在进潮处理后再安装电缆终端，表面泄漏电流较小，此时外施超低频电压，介质中的水分子极化过程能够跟上外施电场变化，介质电导受杂质离子电导、水分极化和介质电子电导、电机械应力等因子协同作用，宏观表现出击穿电压较低，其击穿场强Ec近似遵循集合电子理论：ln Ec＝常数＋ΔV／（2kT）的变化规律，其中ΔV为介质能带中杂质能级激发态的宽度；k为波尔滋曼常数；T为绝对温度。
　　同理，外施高频振荡波电压时，介质中的水分子极化过程来不及跟上电场变化，介质主要受电子电导因子作用，宏观表现为其击穿电压较高。试样S1和S3主要模拟XLPE介质中存在杂质和气隙以及施工过程中的绝缘损伤，可以近似地认为是固固或固气复合介质，当外施电场频率较高时，复合介质内部电场将按其介电系数分布，气隙和杂质处电场较高，首先引起局部放电，介质局部击穿，且局部击穿电压与电场频率成反比。当电压逐步升高到能够维持局部放电时，介质表现为宏观电热击穿。
　　试样S5是运行12年后退役的电缆试品，将介质切片、染色后在显微镜下观察，发现大量水树枝。人为制造缺陷并进行直流电压试验、工频电压试验、 0．1 Hz超低频电压试验和5～8 kHz振荡波电压试验，以验证其与工频电压试验的等效性K＝Ux／Uac，结果列于表5。

　　在电缆介质中，直流电场按电阻率分布，交变电场按介电系数分布。比较表5的结果，直流击穿电压试验的K值因电缆缺陷类型差异而在较大的范围（2．6～4．3）内变化。这是由于电缆介质中缺陷的介电系数变化梯度远远大于电阻率变化梯度，同一类型缺陷介质的直流击穿电压是工频击穿电压的2倍以上。如果在直流电压试验时选取K＝2．6，则电缆的切痕缺陷、针尖缺陷或尖端缺陷不易被发现；如果选取K＝4．3，则有可能因很高的直流电场向电缆介质中注入或聚集大量的空间电荷而损伤电缆介质。因此，直流电场不能有效地发现电缆介质中存在的缺陷。
　　振荡波电压试验的K值分布较为均匀（1．1～1．5），表明其能够较全面地发现电缆介质缺陷并与工频电压试验的等效性相对较好，特别是对切痕缺陷敏感（K＝1．1），可作为电缆竣工后的交接试验方法之一。
　　超低频电压试验的K值因缺陷类型不同而在1．2～2．6范围内变化，与工频电压试验的等效性还有待作更深入的研究。但该试验方法的突出特点是能够有效地发现电缆介质的进潮和水树枝缺陷（K＝1．2），而实际运行中的XLPE绝缘电缆最常见的早期绝缘性能劣化现象就是电缆介质树枝状老化或进潮。相对来说，该方法更适合于作为XLPE绝缘电缆的预防性试验方法。
　　工频电压试验当然是理想的试验方法（K＝1），但是，由于XLPE绝缘电力电缆的电容量较大，特别是高压电缆试验，要求工频试验设备的容量较大，设备的体积和重量很大，不便于运行现场试验。目前，人们努力通过利用多种调感方式或变频方法与电缆的电容产生谐振来获取接近工频的高电压，以求减小试验设备体积、减轻重量。
　　相对工频电压试验设备来说，振荡波电压或超低频电压试验设备的容量、重量和体积可大幅减小。但是，到目前为止，超低频电压试验设备的输出电压不高，只能用于配电系统电力电缆试验，且与工频电压的等效性还要做进一步研究。振荡波电压试验设备相对较容易实现，采用现有的直流电源和能够调节电感量的电抗器即可完成现场试验，需要解决的问题仍然是其与工频电压等效性研究［5］。与此同时，0．1 Hz超低频电压和kHz振荡波电压下局部放电测量系统和介质损耗测量系统也正在研究之中，以求做到既不损伤电缆绝缘，又能简便地发现电缆绝缘缺陷，进一步减小设备体积、减轻设备重量，适应现场试验的需要。
4　结论
　　（1）工频电压试验能够全面、真实地发现XLPE电缆缺陷和运行故障隐患，可应用于XLPE电力电缆竣工试验和预防性试验，特别是110 kV及以上电压等级的XLPE绝缘电力电缆竣工试验和预防性试验。但是，如何减小工频电压发生器的体积和重量需做更深入的研究。
　　（2）0．1 Hz超低频电压试验能够在较低的电压下有效地发现XLPE绝缘电力电缆受潮和存在水树枝运行缺陷，可以作为配电系统XLPE绝缘电力电缆预防性试验方法。
　　（3）kHz振荡波电压试验能够在较低的电压下有效地发现XLPE绝缘电力电缆制造质量缺陷和施工质量缺陷，推荐作为XLPE绝缘电力电缆竣工试验方法。
参考文献：
　　［1］　罗俊华，袁淳智．XLPE电力电缆在直流电场下介质树枝状劣化特性的研究［J］．高电压技术，1993，（1）．
　　［2］　Katsumi Uchida，et al．Study on detection for the defects ofXLPEcable lines［J］．IEEE Transactions on Delivery，1996，11（2）．
　　［3］　Eager G S，et al．High voltage VLFtesting of power cables［J］．IEEE Transactions on Delivery，1997，12（2）．
　　［4］　DIN VDE0276－1001，1995．
　　［5］　Working Group 21．09．After laying tests on high voltage extrud－ed insulation cable systems electra［R］．1997，（173）：33－41．
　　［6］　李祥忠．0．1Hz下电缆介损测量技术的进展［J］．广东电力，1998,（6）.－－>