（电气工程专业论文）变频谐振耐压试验在交联聚乙烯电缆绝缘检测中的应用研究.pdf

摘要 摘要 现场进行高压电力电缆主绝缘高压耐受试验一直被认为是考核电力电缆能否安 全投入运行的一个重要试验项目，直流耐压作为首选，主要是由于直流耐压设备重 量轻，容量小，可移动性好的缘故。由于空间电荷效应，交联聚乙烯( x l p e ) 绝缘电 缆即使通过了直流耐压试验不发生击穿，也会引起绝缘的严重损伤；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，直流试验不能真实模拟运 行状态下交联聚乙烯绝缘电缆承受的过电压，不能有效的发现电缆及附件的生产质 量和施工工艺上的缺陷。因此，使用交流的方法对交联聚乙烯电缆进行耐压试验越 来越受到人们的重视。 本文分析了交联聚乙烯电缆的绝缘特性，论述了交联聚乙烯电缆联开展交流试 验的必要性及可行性，对交联聚乙烯绝缘电缆的各种交流试验方法进行了比较，提 出了变频耐压试验是目前比较适合交联聚乙烯电缆现场耐压试验方法的观点，详细 阐述了变频耐压试验原理，介绍了国内外有关变频耐压试验的标准，通过现场试验 研究制定了变频耐压试验的标准，指出了开展变频耐压试验采用的电压值及耐压时 间，并开展了大量的现场试验，对试验结果进行了汇总分析，指出实践应用的注意事 项。 关键词：交联聚乙烯电缆，交流耐压，变频谐振 f r e q u e n c yw it h s t a n dv o l t a g et e s t t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h em e t h o di s r e a l l yf e a s i b l et h a tu s ev a r i a b l ef r e q u e n c yw i t h s t a n dv o l t a g et e s tt oc h e c k t h ei n s u l a t i o nf l a w so fx l p ec a b l e k e y w o r d s x l p ec a b l e ，a cw i t h s t a n dv o l t a g e ，v a r i a b l ef r e q u e n c yr e s o n a n c e i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 绪论1 第一章x l p e 电缆及绝缘特性4 1 1 电力电缆分类及特点4 1 1 1 电力电缆的种类4 1 1 2 各类电缆的特点5 1 2x l p e 电缆特性及结构6 1 2 1x l p e 电缆特性6 1 2 2x l p e 电缆的结构9 1 3 影响电缆绝缘的主要因素1 0 1 3 1 电树枝。1 1 1 3 2 水树枝1 1 1 3 3 化学树枝1 3 第二章电力电缆的绝缘试验及比较1 4 2 1 电力电缆的绝缘试验1 4 2 2 电力电缆的预防性试验1 4 2 2 1 预防性试验分类1 4 2 2 2 绝缘电阻测量1 6 2 2 3 介质损耗角正切值的测量1 7 2 2 4 泄漏电流测量和直流耐压试验1 7 2 2 5 直流耐压试验的优缺点1 8 第三章x l p e 电缆交流耐压试验2 2 3 1 超低频( 0 1 h z ) 耐压试验方法2 2 3 2 工频串联谐振试验方法2 4 3 3 变频串联谐振试验方法2 6 3 4 振荡电压脉冲试验2 7 3 5 交流耐压实验方法的比较2 7 第四章变频谐振耐压试验方法2 9 4 1 变频谐振耐压试验原理2 9 4 2 变频谐振耐压试验装置3 l 第五章变频耐压试验的现场应用3 4 5 1 试验电压及时间的确定3 4 5 1 1 国际试验标准3 4 5 1 2 国内试验标准3 4 5 1 3 试验制定标准谐振3 5 5 2 变频耐压试验现场应用3 7 5 3 变频谐振耐压现场试验结果分析4 0 结论4 3 致 射4 4 参考文献4 5 在学期间发表的论文4 7 1 i i 绪论 绪论 随着城市发展及电网建设的不断推进，高电压、大截面的电力电缆大量使用， 其中以交联聚乙烯( x l p e ) 绝缘电缆为代表的橡塑绝缘电缆由于具有电性能高、输 送容量大、重量轻、运行维护方便等优点已经成为高压电缆发展的方向。 电缆线路的薄弱环节是终端头和中间接头，这往往由于设计不良或制作工艺、 材料不当而带来缺陷。有的缺陷可在施工过程和验收试验中检出，更多的是在运行 中逐渐发展、劣化直至暴露。电缆终端常发生因密封不良逐渐进潮、受电场、热、 化学的长期作用而逐渐变坏的情况。电缆本身也会发生一些故障，如机械损伤、铅 包腐蚀、过热老化及偶尔有制造缺陷等。所以，尽管电缆线路的可靠性比架空线路 高，但故障仍然有很多，而且情况还较为复杂，埋设在地下更带来了寻找和处理故 障的困难。虽然高压电缆在制造厂家都经过了严格的试验，但在装货、运输、存储、 安装等尤其是电缆终端和中间接头的现场安装过程中有可能对电缆及其附件造成损 伤或安装不正确，因此必须对新的电缆线路进行严格的竣工试验【。 油纸绝缘电力电缆应用于中、高压电缆已有5 0 多年，由于油纸绝缘电缆属于大 容量设备，现场耐压试验一直采用直流耐压试验方法。直流耐压试验作为油纸绝缘 电缆的现场竣工验收试验和定期的预防性试验项目，在判断油纸绝缘电缆内部缺陷 方面已有几十年的经验，实践证明可获得电缆绝缘内部缺陷的可靠信息，保证电网 安全运行。国家标准与电力电缆的试验规程明确规定了油纸绝缘电缆采用直流耐压 试验方法【刁。 随着电力技术的发展，x l p e 绝缘电力电缆快速发展，在城网改造和大型工程项 目中得到了广泛应用。虽然直流耐压试验方法在油纸绝缘电力电缆试验中取得很好 效果，能够检测出油浸纸绝缘内部的缺陷，保证电缆安全运行，同时还具备试验设 备重量轻，可移动性好，容量低等优点，但由于x l p e 电力电缆绝缘属于整体绝缘， 与油浸纸绝缘电缆的复合型绝缘不同，其绝缘介质在直流电场与交流电场下的场强 分步、绝缘老化与绝缘击穿机理都是不同的，因而x l p e 绝缘电缆进行直流耐压试验 无法模拟电缆实际运行状况，而且不能检测出绝缘内部存在的缺陷【3 】。随着技术的 积累，大家都在不断地开发和寻求合理可行的技术手段解决这个问题，近年来许多 东南大学工程硕士学位论文 专家提出对高压交联电缆的主绝缘要进行交流耐压试验的结论，i e c 和c e g r e ( 国际大 电网会议) 等权威的国际机构不断地修订和发展相关的标准。 通过对工频串联谐振试验装置的研究和试制，已获得一种适合于x l p e 绝缘电缆 和附件的试验方法，即施加工频或接近工频的交流电压，在电缆及附件上产生的电 场分布与实际运行工作电压下的电场分布相同，能够比较有效地检出x ip e 电缆及附 件缺陷，并逐步成为各国用作x l p e 绝缘电缆线路的现场试验方法【4 】。 工频交流电压在发现气体和绝缘子污染方面，特别是导电微粒的影响方面特别 敏感，而且与运行电压一致，然而x l p e 电缆的电容量大，若是采用工频或接近工频 的交流试验电压，存在的最大困难是长线路需要很大容量的试验设备。重量和体积 均十分庞大，现场基本上无法满足试验要求。现场采用工频耐压条件难以具备，但 采用3 0 - 3 0 0 h z 交流耐压条件是基本具备的，国际大电网工作会议2 1 工作组的高压 挤包绝缘电缆竣工验收试验建议导则也推荐使用工频及近似工频的交流电压进行 交流耐压。基础研究表明，塑料电缆中的典型故障在很宽的频率范围内的击穿性能 没有很大的差别【5 1 。 变频谐振试验装置的最大优点是试验电源容量可以降低到被试验容量的1 q ( q 为试验回路的品质因数) ，从而使设备简化，重量减轻，便于运输安装，适合于现场 使用。安全可靠性高，当被试品电缆中绝缘弱点被击穿时，电路失去了谐振条件， 因此回路电流立即下降为试验电流的1 q ，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭。而采 用传统的试验方法，短路电流将非常大，且试品电缆可能会与试验变压器形成串联 谐振产生相当高的过电压，这两样对试品电缆和试验设备非常不利 6 1 。 采用变频谐振试验装置进行电气设备绝缘状况的检测，可以大大降低电缆设备 带故障运行的机率，增加运行的可靠性和安全性。同时又可以降低试验费用，节约 试验成本，降低因试验对设备造成损伤的机率，所以采取这种试验方法所带来的经 济效益是非常巨大的。 本文首先根据x l p e 电缆绝缘的影响因素，分析在过去电缆试验中主要采用的直 流耐压试验对x l p e 电缆绝缘的局限性，论述开展交流耐压试验的必要性及可行性， 其次分析交联聚乙烯电缆的各种交流试验方法及国内外相关的试验标准，进行比较 得出开展变频耐压试验对交联聚乙烯电缆绝缘检测是最有效的方法。最后分析变频 2 绪论 耐压方法检测交联聚乙烯电缆绝缘的原理，并通过人为制造绝缘缺陷进行绝缘试验， 通过试验结果制定进行变频谐振耐压标准，提出了变频谐振耐压试验采用的电压值 及耐压时间，并用该标准开展现场试验，对试验结果进行分析，指出实践应用的注 意事项。 3 东南大学工程硕士学位论文 第一章x l p e 电缆及绝缘特性 电力电缆经常用作发电厂、变电站以及工矿企业的动力引入或引出线，当需要 跨越江河、铁路等时也常用它；而随着城市建设的发展，又希望减少线路走廊用地， 又将电力电缆用作城市的输配电线路。电力电缆与架空线路相比，其优点是受外界 环境等的影响少、安全、隐蔽、耐用；缺点是电线结构和生产工艺都比较复杂，成 本较高，应用不如架空线那样广泛。然而在某些特殊情况下，它能完成架空线路不 易甚至无法完成的任务。目前电力电缆已广泛应用于交流5 0 0 k v 及以下的电压等级。 1 1 电力电缆分类及特点 通常电力电缆是由导电线芯、绝缘、护套、屏蔽层、铠装等几部分组成。电力 电缆的导电线芯常用铜或铝；电缆的绝缘和护套常用有机绝缘材料，如粘性油纸、 橡胶、塑料、交联聚乙烯等，对于更高电压等级的电缆，可以采用充油或充气绝缘； 电缆的屏蔽层常用半导电材料，在电缆中起到均匀电场的作用；电缆的铠装是为了 保护电缆的绝缘免受外力的损伤，常用钢带、钢丝、铅套、铝套等作电力电缆的铠 装。 1 1 1 电力电缆的种类 电力电缆按绝缘材料性质、结构特征和敷设环境，可分为不同的种类。 ( 一) 按绝缘材料性质分 1 油纸绝缘 1 ) 粘性浸渍纸绝缘型( 统包型、分相屏蔽型) ； 2 ) 不滴流浸渍纸绝缘型( 统包型、分相屏蔽型) ； 3 ) 有油压、油浸渍纸绝缘型( 自容式充油电缆和钢管充油电缆) 。 2 塑料绝缘 1 ) 聚氯乙烯绝缘型； 2 ) 聚乙烯绝缘型； 3 ) 交联聚乙烯绝缘型。 3 橡胶绝缘 1 ) 天然橡胶绝缘型； 4 第一章x l p e 电缆及绝缘特性 2 ) 乙丙橡胶绝缘型。 ( - - ) 按结构特征分 ( 1 ) 统包型：在各缆线芯外包有统包绝缘，并置于同一内护套内。 ( 2 ) 分相型：分相屏蔽，一船用在l o 3 5 k v 电缆，有油纸绝缘和塑料绝缘两种。 ( 3 ) 扁平型：三芯电缆的外形呈扁平状，一般用于较长的水下和海底电缆。 ( 4 ) 自容型：护套内部有压力的电缆，如自容式充油电缆。 ( 三) 按敷设环境分 ( 1 ) 直埋式：将电缆埋在地中或沟内，并加沙土覆盖。 ( 2 ) 沟架式：将电缆敷设在沟内或隧道内的支架上。 ( 3 ) 水下敷设：将电缆敷设在湖泊、海洋和河流内。 1 1 2 各类电缆的特点 ( 一) 油纸绝缘电缆 ( 1 ) 粘性浸渍纸绝缘电缆：该产品开发较早，制造质量比较稳定，具有较长的 制造和运行经验，工作寿命长。缺点是油易涌流，不宜作高落差敷设；允许工作场 强较低，不宜作太高电压使用。 ( 2 ) 不滴流浸债纸绝缘电缆：浸渍剂在工作温度下不滴流，适宜高落差敷设； 工作寿命较粘性浸渍纸绝缘电缆更长；有较高的绝缘稳定性，但成本较粘性浸渍纸 绝缘电缆高。 ( 二) 塑料绝缘电缆 ( 1 ) 聚氯乙烯绝缘电缆：工艺性能好，易于加工，化学稳定性高( 耐油、耐酸、 耐碱和耐腐蚀) ，非延燃性，生产效率高，价格低廉敷设维护简单。在低压电缆方 面已有取代油浸纸绝缘电缆的趋势。 ( 2 ) 聚乙烯绝缘电缆：有良好的介电性能，介质损耗角正切值t g6 小，绝缘电 阻高；工艺性能好，易于加工，耐湿性好，比重小。但抗电晕及耐热性能较差，受 热易变形或开裂。用于较高的工作电压等级时，必须加入特殊添加剂。 ( 3 ) 交联聚乙烯( x l p e ) 绝缘电缆：电气性能好，击穿电场强度高，介质损耗角 正切值t g6 小，绝缘电阻高。有较高的耐热性和耐老化性能允许工作温度高，载 流量大，适宜于高落差与垂直敷设，是一种很有发展前途的高压电缆。 东南大学工程硕士学位论文 ( 三) 橡胶绝缘电缆 橡胶绝缘电缆的种类很多，主要是天然橡胶加不同的添加剂组成的各种橡胶， 都具有良好的柔软性，易弯曲，在很大的温度范围内具有弹性，有较好的电气性能 和化学稳定性，但耐电晕、耐臭氧、耐油性较差，一般适用于l k v 及以下电压等级的 线路，但人工合成的乙丙橡胶可用于3 5 k v 及以下的电缆切。 其中油纸绝缘电缆已经逐步退出运行，橡塑绝缘电缆使用量逐年增加，特别是 交联聚乙烯( x l p e ) 绝缘电力电缆具有电性能高、输送容量大、重量轻、运行维护方 便等优点，已经成为高压电力电缆发展的主流方向，在城网改造和大型工程项目中 x l p e 绝缘电力电缆得到了广泛应用。南京地区电网3 5k v 及以上电压等级，x l p e 绝缘 电力电缆已经全部取代了油纸绝缘电力电缆，这就使得x l p e 电力电缆的绝缘试验尤 为重要。 1 2x l p e 电缆特性及结构 1 2 1x l p e 电缆特性 交联聚乙烯( x l p e ) 属于固体绝缘，它是由聚乙烯( p e ) 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。聚乙烯绝缘虽然具有优良的电气性能，但 属于热塑性材料，即有热可塑性，当电缆通过较大的电流时，绝缘就会熔融变形， 这是由聚乙烯的分子结构所决定的。聚乙烯的分子结构是呈直链状而交联聚乙烯 是聚乙烯分子间交联形成网状结构，从而改善了聚乙烯的耐热变形性能、耐老化性 能和机械性能( 如图1 - 1 所示) 。 热 变 形 ( t ( ) ( a ) 热变型与温度的关系 6 第一章x l p e 电缆及绝缘特性 1 9 抗1 4 张 强9 度 4 t ) ( ”抗张强度与温度的关系 图1 - 1 交联电缆热变形，抗张强度与温度的关系 聚乙烯交联的物理方法是辐射法，用高能电子射线照射，去除聚乙烯分子中的 氢原子，使碳一碳链合，分子间进行交联。这种方法加工性能和经济性都不如化学 交联。聚乙烯的化学交联是在聚乙烯中加入少量的有机过氧化物，常用的是过氧化 二异丙苯，借助于过氧化物受热分解，产生游离基，游离基能与聚乙烯中的氢原子 结合、失去氢原子的聚乙烯分子间就联合起来，变成交联聚乙烯( 如图1 2 所示) 。 h h hh c c c - - - - - c - - - - c hh hh ( a ) p e 电缆分子结构 t1i t t -_i-lh 交联聚乙烯绝缘电缆不仅在中低压范围内能代替传统的油纸绝缘电缆，而且在高压 或超高压等级上可与自容式充油电缆相竞争，得到日益广泛的应用。 表1 交联聚乙烯绝缘与其它绝缘材料的性能对比 性能 单位交联聚乙烯聚乙烯聚氯乙稀乙丙橡胶油浸纸 体积电阻( 2 0 ) q m1 0 1 4 电 介电常数( 2 0 、5 0 h z ) 2 32 3 533 5 气 性 能 介质损耗角正切( 2 0 、5 0 1 t z ) 0 0 0 0 5o o 0 0 5o 0 70 0 0 3 0 0 0 3 击穿强度k v m3 0 7 03 0 5 0 导体最大工作温度 9 07 57 0 8 56 5 热 耐 允许最大短路温度 2 5 01 5 01 3 5 2 5 02 5 0 机 抗张强度n - - , 1 81 44 89 5 械 3 第一章x l p e 电缆及绝缘特性 性 能 伸长率 6 0 07 0 02 5 08 5 0 1 0 0 优 良可 优良 耐 老 1 2 0 优熔差良可 化 性 1 5 0 良熔可差 其 抗热变形( 1 5 0 )良熔差优良 他 耐热( 7 0 )差差 差差 性 能 柔软( - - 1 0 ) 良差差优 但是，交联聚乙烯电缆在交联过程中，不可避免地在其介质内部溶解有一定量 的副产品( 甲烷气、乙酰苯、聚乙醇等) ，这些副产品易挥发，且有相对小的绝缘电 阻系数，故交联聚乙烯电缆在交、直流电压下的电场分布与油纸绝缘电缆则有很大的 不同。 在直流电压下，电场强度按绝缘电阻系数成正比分布。虽然x l p e 绝缘层是整体 式的，但在x l p e 交联过程中溶解在其内部的副产品在绝缘内部分布是不均匀的。由 于这些副产品的绝缘电阻系数比p e d ，从而使x l p e 绝缘层内绝缘电阻系数分布不均 匀因此，在直流电压下，x l p e 绝缘层内的电场分布也不同于理想圆柱体绝缘结构的 电场分布，而与材料的不均匀性有关。 交联聚乙烯电缆绝缘介质的体积电阻率很高，在1 0 1 7 q 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。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，可能迅速击穿交联聚乙烯介质。 1 2 2x l p e 电缆的结构 3 5 k v 及以下的电力电缆大部分分为三芯结构，6 6 k v 及以上的电力电缆大部分为 9 东南大学工程硕士学位论文 单芯结构。图1 - 3 为三芯及单芯交联累乙烯电缆的典型结构图。 碍 捧 婶 奉埘蔽 绝终 绝缝蛴斌 粥带琊蔽 琐亿 包帮 i l l 护套 舅篷垫霆 篾乜盈一 c a ) 三芯交联聚乙烯电缆的结构图( b ) 单芯交联聚乙烯电缆的结构图 图1 - 3交联累乙烯电缆的结构图 6 - 3 5 k v 交联聚乙烯电力电缆与其他电缆结构相比，最主要的区别是增加了内外 半导电屏蔽层和铜带( 丝) 金属屏蔽层。内外半导电屏蔽层均采用加炭黑的交联聚 乙烯材料，厚度一般是l 2 m m ，铜带( 丝) 是对电缆接地故障电流形成回路并提供 稳定的地电位。当导体截面为2 4 0 m m 2 及以下电缆，一般为铜带屏蔽结构，当导体截 面大于2 4 0 m m 2 的电缆，则采用铜丝屏蔽结构。 与3 5 k v 及以下电压等级相比，6 6 k v 及以上交联聚乙烯电力电缆铠装层不是钢带， 而是采用波纹铝( 铜、铅、不锈钢) 护套，同时起到很好的防水作用，外护层一般 采用p v c 材料，在其外层涂有一层导电石墨，其作用是把石墨层作为地端能方便地对 外护套进行耐压试验。 1 3 影响电缆绝缘的主要因素 引起电缆绝缘故障的原因是多方面的，如果电缆的制造质量好( 包括缆芯绝缘、 护层绝缘所用的材料及制造工艺) 、运行条件合适( 包括负荷、过电压、温度及周围 环境等) ，而且不受外力等因素的破坏，则电缆绝缘的寿命相当长。国内外的运行经 验表明，制造、敷设良好的电缆，运行中的事故大多是由于外力破坏( 如开掘、挤 压而损伤) 或地下污水的腐蚀等所引起的。由于电缆材料本身和电缆制造、敷设工 程中不可避免地存在缺陷，受运行中的电、热、化学、环境等因子的影响，电缆的 绝缘都会发生不同程度的老化。不同的老化因子，引起的老化过程及形态也不同。 交联电缆内部存在的绝缘缺陷主要表现为树枝化放电，其结果影响电缆的绝缘性能。 l o 第一章x l p e 电缆及绝缘特性 树枝化放电据其产生机理的不同分为电树枝和水树枝。其中水树枝老化是交联聚乙 烯电缆所特有的。所谓水树枝和电树枝是指在局部高电场的作用下，绝缘层中水分、 杂质等缺陷呈现树枝生长，最终导致绝缘击穿；所谓化学树枝是指绝缘层中的硫化 物与铜导体产生化学反应，生成硫化铜和氧化铜等物质，这些生成物在绝缘层中呈 树枝状。 1 3 1 电树枝 主要是由于绝缘内部放电产生的细微开裂，形成细小的通道，其通道内空，管 壁上有放电产生的碳粒痕迹。分枝少而清晰，呈冬天的树枝状。电树枝按产生的机 理分为以下几种类型： 1 ) 由于机械应力的破坏使交联聚乙烯绝缘产生应变造成气隙和裂纹，引发电树 枝放电。机械应力一方面是因为电力电缆生产、敷设运行中不可避免地弯曲、拉伸 等外力产生应力，另一方面是由于电缆在运行中电动力对绝缘产生的应力。 2 ) 气隙放电造成电树枝的发展。现代的生产工艺尽管可以消除交联电缆生产线 中某些宏观的气隙，但仍有l 1 0i lm 或少量的2 0 - - - 3 0um 的气隙形成的微观多孔结 构。多孔结构中的放电形式主要以电晕放电为主。通道中的放电所产生的气体压力 增加，导致了树枝的扩展和形状的变化。 3 ) 场致发射效应导致树枝性放电。在高电场作用下，电极发射的电子由于隧道 效应注入绝缘介质，电子在注入过程中获得足够的动能，使电子不断地与介质碰撞 引起介质破坏，导致树枝放电。 4 ) 缺陷。缺陷主要是导体屏蔽上的节疤和绝缘屏蔽中的毛刺以及绝缘内的杂质 和空穴。缺陷可造成电场集中，节疤等处附近的场强提高。电场集中会引起场致发 射。高能电子轰击聚合物，导致高聚合物裂解，进而出现微裂缝，即树枝状开裂【8 】。 1 3 2 水树枝 橡皮、塑料电缆等浸水后施加电压作长期试验时，与不加电压只浸水的情况相 比较其绝缘介质特性要低。这一现象被称为“浸水课电现象 。对产生“浸水课电现 象 的绝缘材料进行显微观察，发现有和电树枝相似的树枝状结构的存在，因为这 种树枝结构和水有关，并且是在低电场强度、长时间作用下形成的，为与电树枝区 别，称之为水树枝( 如图卜4 ) 。水树枝在充满水的状态下看起来是白色的，但是干燥 东南大学工程硕士学位论文 后就不易观察到。水树枝多见于结晶性材料如聚乙烯和交联聚乙烯，而在无定型材 料的p v c 、丁基橡胶等聚合物中少有发现。此外，水树枝在直流电压的作用下较难产 生，但是在交流电压作用下较易产生，高频电压也能促使水树枝的产生。 图l - 4 交联聚乙烯绝缘中的水树枝 水树枝的特点是引发树枝的空隙含有水分，且在较低的场强下发生。水树枝的 产生，将会使介质损耗增加，绝缘电阻和击穿电压下降，电缆的寿命明显缩短。水 树枝的产生原因有以下几种： ( 1 ) 电缆制造过程中不可避免的残留在绝缘层中的水分。 ( 2 ) 电缆密封破坏后，水分渗入绝缘层。 ( 3 ) 电场作用下，绝缘中的杂质与绝缘材料发生化学反应产生水分。 一方面，电泳作用使原来在绝缘介质中杂乱分布的水分子在电场( 尤其是直流 电场) 作用下形成规则分布，构成局部通道，在高场强区就可能发生放电形成水树 枝。另一方面，水分子在电场作用下发生极化，已经极化的水分子在电场( 尤其是直 流电场) 中运动，向导电线芯附近的高电场区聚集，这一区域的温度相对偏高，水 分因此而膨胀，形成较大的压力，使间隙扩大，引起水树枝的扩大和发展 9 1 。 在显微观察下发现水树枝的结构和电树枝还是存在一定差别的。水树枝一般为 直径0 1 li im 的微小气泡的集合，它们之间由直径为0 0 5um 的微小导管相连，这 些微气泡和微导管中有水的存在。 研究和实践发现，水树枝的产生和生长是x l p e 电缆绝缘老化、劣化最常见、最 基本、最直接的因素，并在某些情况下可能造成局部击穿。实践也证明，大部分的 电缆的绝缘击穿事故都是由水树枝引起。 水树枝的发生般需要三个条件：水、起点、电场，这为防止水树枝的产生提 1 2 第一章x l p e 电缆及绝缘特性 供了指导。首先，对于铺设在地面以下的电力电缆，要尽量避免与水直接接触。但 是，完全和水隔离是比较难做到的。其次，消除绝缘材料中的微隙、杂质、凸起等 作为水树枝产生的起点的部分，这是最现实有效的方法【l 们。 1 3 3 化学树枝 在电缆绝缘介质中发现的树枝状结构还有一种为化学树枝。化学树枝主要是由 于硫化物从电缆外围穿透绝缘层并与铜导体发生反应形成硫化铜，硫化铜渗透到聚 乙烯电缆的缺陷部位，形成树枝状的结晶。化学树枝呈现为黑色或者红褐色的连续 结构，在无电场的作用下也会发生。 总之，树枝状结构是绝缘老化、劣化后最常观察到的现象，它们的产生和生长 是引起绝缘老化、劣化的最基本、直接的因素。电树枝往往在绝缘内部产生细微开 裂，形成细小的通道，并在放电通道的管壁上产生放电后的碳化颗粒。水树枝的产 生，将会使介质损耗增加，绝缘电阻和击穿电压下降。因此，电缆中的电树枝和水 树枝对电缆的电气性能将会带来严重的故障隐患。 东南大学工程硕士学位论文 第二章电力电缆的绝缘试验及比较 2 1 电力电缆的绝缘试验 由于电力电缆是用于传输大功率电能，一般在高电压、大电流条件下工作，所以对其 电性能要求很高，为了检验电缆的制造和安装质量，减少运行事故，提高供电可靠性，必 须进行性能试验。 电力电缆的试验，根据其不同的目的可分为以下几类。 l 、例行试验 例行试验是制造厂对所有电缆成品均应进行的试验，以表征电缆总体的性能，它可以 发现电缆生产过程中偶然性缺陷，校验电缆产品质量是否符合设计要求。 2 、抽样试验 抽样试验又称特殊试验，它是根据一定的取样规则，从一批产品中抽出一部分电缆长 度进行试验。其目的与例行试验相同，但因试验比较复杂，在试验中可能损伤电缆，故仅 取一部分试样进行试验。 3 、型式试验 型式试验主要是对新产品大量推广应用之前所做的试验。经过型式试验证明该产品能 满足运行提出的性能要求，或经过型式试验可以在较短的时间内确定新、老产品的相对质 量及新产品的寿命。除非电缆的材料、结构与工艺的变化可能影响其性能、否则产品的型 式试验不必重复。 4 、交接试验 交接试验又称验收试验。电缆在敷设安装完毕后进行交接( 或验收) 试验，其目的是 检查电缆的施工质量，在敷设安装过程中电缆有无严重损伤。 5 、预防性试验 预防性试验或定期检查性试验，主要是用来事先发现电缆运行过程中存在的损伤或缺 陷，使电缆得到及时的修复或更换，以免发生意外停电事故或引起更大的故障。 2 2 电力电缆的预防性试验 2 2 1 预防性试验分类 为了确保电力设备安全运行，电力设备在运行前和运行中要进行交接试验、预防性试 1 4 第二章电力电缆的绝缘试验及比较 验。通过这些试验及早发现绝缘缺陷，从而进行相应的维护与检修，以保证设备的正常、 安全的运行，减少事故发生。 预防性试验可以分为两大类：破坏性试验和非破坏性试验。 破坏性试验又称绝缘耐压试验，是指模拟在运行中可能出现的各种电压，对绝缘施加 与之等价多更为严峻的电压，考验绝缘的耐受能力，这类试验是最有效和最可行的，也是 不可替代的。主要有交流耐压和直流耐压两种试验，旨在揭露危险性大的集中性绝缘缺陷， 保证绝缘有一定的裕度。 需要指出的是，耐压试验可能会对试品产生某些损坏，从而影响绝缘寿命。 非破坏性试验又称为绝缘特性试验，是指在较低电压下用其它不会损伤绝缘的方法来 测量绝缘的各种特性，从而判断绝缘内部有无缺陷，在一定程度上揭示出绝缘缺陷的不同 性质及发展程度。 针对电缆的预防性试验主要有：绝缘电阻测量、介质损耗角正切值测量、直流泄漏电 流测量、耐压试验等。 电力设备预防性试验规程将电力电缆分成三类，即纸绝缘电力电缆、橡塑绝缘电 力电缆( 聚氯乙稀绝缘电力电缆、交联聚乙烯绝缘电力电缆、乙丙橡皮绝缘电力电缆) 、自 容式充油电缆。橡塑绝缘电力电缆线路的试验项目、周期和要求见表2 【l l 】。 表2 橡塑绝缘电力电缆线路的试验项目、周期和要求 序号项目周期要求说明 电缆主绝缘 1 、重要电缆：1 年额定电压0 6 1 k v 电缆用1 0 0 0 v 兆 l2 、一般电缆：3 6 6 k v 及以上3 年，自行规定 欧表：0 6 1 k v 以上电缆用2 5 0 0 v 电阻 3 6 6 k v 及以五年 兆欧表 电缆外护套 1 、重要电缆：1 年采用5 0 0 v 兆欧表。当每千米绝缘 22 、一般电缆：3 6 6 k v 及以上3 年， 每千米绝缘电阻值不应 电阻低于0 5m o 时，应判断护套 绝缘电阻低于0 5 m o 3 6 6 k v 及以五年是否进水 电缆内衬层 i 、重要电缆：1 年 每千米绝缘电阻值不应 采用5 0 0 v 兆欧表当每千米绝缘 32 、一般电缆：3 6 6 k v 及以上3 年， 电阻低于0 5m q 时，应判断内衬 绝缘电阻 低于0 5 m q 3 6 6 k v 及以五年层是否进水 东南大学工程硕士学位论文 铜屏蔽层电1 、投运前自行规定增大时：铜屏蔽层有可能 4 阻和导体电2 ，重作终端或中间接头对照投运前测量数据被腐蚀：减小时：导体连接点接触 阻比 3 ，内衬层破损进水后电阻有可能增大 1 、加压时间5 m i n 不击穿 电缆主绝缘2 、耐压5 m i n 时的泄漏电 5 新作终端或中间接头后进行 直流耐压流值不应大于耐压l m i n 时的泄漏电流值 2 2 2 绝缘电阻测量 绝缘电阻是反映电缆绝缘性能最基本最重要的指标，测量电力电缆的主绝缘电阻可以 发现电缆的绝缘介质受潮情况，是否因某种原因形成导电通道，绝缘的变化情况。 测量绝缘电阻的仪表被称为兆欧表，传统的有靠手摇动产生电压的摇表，随着数字技 术的发展，出现了各种性能优良数字兆欧表。电力设备预防性试验规程、电气装置安装 工程电气设备交接试验标准中规定，测量绝缘电阻应使用6 0 s 的绝缘电阻值。不同电压等 级的电缆使用不同电压等级的兆欧表直接测量绝缘电阻，对1 0 0 0 v 以下的电缆测量时用 1 0 0 0 v 岁e 欧表，对1 0 0 0 v 及以上的电缆用2 5 0 0 v ；i e 欧表，对6 k v 及以上电缆用5 0 0 0 v 岁e 欧表测量。 新的油浸纸绝缘电缆每一根电缆芯对外护套的绝缘电阻换算至l j + 2 0 及l k m 长度时，额 定电压在6 k v 以上的电缆绝缘电阻应不小于1 0 0 m q ，额定电压1 3 k v 的电缆绝缘电阻不应小 于5 0mq 。对运行中的电缆，试验时应该对历史试验中绝缘电阻变化的规律以及各相绝缘 电阻的差别( 不平衡系数一般不应大于2 ) 进行综合分析、判断电缆的绝缘情况。 橡塑绝缘电力电缆的主绝缘电阻值根据各厂家的规定执行，而外护套的绝缘电阻和内 衬层的绝缘电阻规定当采用5 0 0 v ；| e 欧表测量时为0 5 mq 。当绝缘电阻很低时，应用万用表 正、反接线分别测屏蔽层对铠装、铠装层对地的直流电阻，亦检查它们是否受潮。当绝缘 确实受潮时，应安排检修。 当电缆埋于地下后，测量钢铠甲对地的绝缘电阻，可检查出外护套有无损伤；同理， 测量铜屏蔽层对钢铠甲间的绝缘电阻也可以检查出内护套有无损伤。通过这两项测量可以 判断绝缘是否受潮。当电缆敷设在电缆沟、隧道支架上时，其外护套的损伤点不在支点处 且又未浸泡在水中或置于特别潮湿的环境中，则外护套的损伤很难通过测量绝缘电阻来发 现，此时测量铜屏蔽层对钢铠甲的绝缘电阻则更为重要。 电缆终端或套管表面脏污、潮湿对绝缘电阻有较大的影响。除擦拭干净外，还应加屏 1 6 第二章电力电缆的绝缘试验及比较 蔽环，将屏蔽环接到兆欧表的“屏蔽”端子上，当电缆为三芯电缆时，可利用非测量相作 为两端屏蔽环的连线。 当被测电缆较长时，充电电流很大，因而兆欧表开始指示的数值很小，这并不表示绝 缘不良，必须经过较长时间遥测才能得到正确地结果。 测量中若采用手动调节兆欧表，则转速不得低于额定转速的8 0 ，且兆欧表达到额定转 速后才能接到被试设备上并记录时间，读取1 5 s 和6 0 s 的绝缘电阻值。兆欧表停止摇动前， 必须先断开兆欧表与电缆的连线。测试完毕后应进行短路放电，特别是进行重复测试时， 更应进行充分放电，放电时间最少不低于2 m i n 。 2 2 3 介质损耗角正切值的测量 对于电力电缆，如x l p e 电缆等有时要求测量介质损耗正切值t a n6 。t a n6 的增大一定 程度上反映了绝缘老化状况，如水树枝的发生数量和程度、屏蔽层铜带被腐蚀程度等状况 的加剧。 t a n6 的停电测量方法研究研究得很多了，关键问题是如何从噪音中将很小的无功电流 分量准确地提取出来。主要的测量方法是通过在电缆导体和屏蔽层之间施加一个理想交流 电源，测量电压电流相位差来推算t a n6 ，或者采用西林电桥进行测量。因为有功电流分量 一般很小，电流电压相位差接近9 0 度。对于一个电阻r 和一个电容c 并联的简化模型，有： 厶= 叫尺，i c = u ( c ) = u t o c ，所以t a n8 = i r z c2 尺c 。 因此根据电容性无功电流与电源频率d 成正比的关系，可以通过降低测试电源频率d 的方法减小无功电流比例，从而放大t a n6 。 2 2 4 泄漏电流测量和直流耐压试验 测量电缆的绝缘电阻，其实就是电缆的泄露电流，因兆欧表的体积小、重量轻、携带 方便、操作简单而成为必备仪器，但因输出的直流电压较低( 一般最高为5k v ，不超过l o k v ) ， 有些绝缘缺陷不易发现，测量泄露电流要在较高电压下进行，还要观察泄漏电流随电压上 升的变化规律，这样更能发现电缆的绝缘缺陷。 由于电缆的绝缘不仅长期受到工作电压的作用，而且还可能受到各种过电压，因此直 流耐压试验就是给电缆施加比额定电压高的直流电压，以检验其长时或短时在过电压下的 可靠性，通常泄漏电流测量和直流耐压试验是同步进行的。 1 7 东南大学工程硕士学位论文 电缆泄漏电流的测量与直流耐压试验的目的是不同的，泄漏电流是检查绝缘状况或查 明缺陷的，直流耐压试验是确定绝缘电气强度的。所以，它采用的电压往往为额定电压的2 倍以上。一般来说，直流耐压试验对于暴露介质中的气泡和机械损伤等局部缺陷比较灵敏， 而泄漏电流能够反映介质整体的受潮和劣化情况。两者在试验中又密不可分。泄漏电流实 际上是在直流耐压试验过程中测得的，测量泄漏电流的微安表在试验回路中位置不同，高 压引线和试品是否采用屏蔽等因素都会影响泄漏电流的数值。所以在测量泄漏电流过程中， 不仅要根据泄漏电流的具体数值，还要参考泄漏电流的变化趋势来判断。 在泄漏电流测量时应注意以下几点：电压升高的每一阶段都必须注意观察电流随时 间变化的趋势。一条绝缘良好的电缆，每当电压升到一定阶段，电容电流和吸收电流叠加 在泄漏电流上，表现为电流初期是剧增，然后随时间下降，电压稳定一分钟后( 极化过程 结束) 的稳态电流就是泄漏电流。它一般仅为电压初上升的1 0 - - - - 2 0 ，如果电缆整体受潮， 则在电压上升的每一阶段，电流几乎不随时间下降，严重时反而上升，显而易见，这种电 缆不可轻易投运。泄漏电流随时间延长有上升现象，这是绝缘缺陷发展的迹象。良好的 绝缘在试验电压下的稳态电流值随时间延长应保持不变。应把试验数据进行纵向或横向 比较：即把该组试验数据与自身的历史数据相比较，或者把该组试验数据与类似设备的试 验数据相比较，并根据这两组试验数据的差异可大致判断出绝缘的优劣。 在进行直流耐压和泄漏电流试验时应均匀升压，升压过程中在0 2 5 、0 5 、0 7 5 、1 o 倍试验电压下各停留l m i n ，读取泄漏电流值，以便必要时绘制泄漏电流和试验电压的关系 曲线。升压到试验电压时，同时读取l m i n 及5 m i n 的泄漏电流值，耐压5 m i n 的泄漏电流值应 不大于耐压l m i n 时的泄漏电流值，或者极化比应不小于1 ( 极化比定义为1 1 ) 。对直流泄漏 电流值没有作明确规定，试验标准参照制造厂的相关标准。进行完电缆直流耐压或泄漏电 流试验后，应牢记先用1 0 0 - - 2 0 0 k 的限流电阻充分放电，然后还要对地直接放电，并保持足 够的接地时间。 2 2 5 直流耐压试验的优缺点 进行直流耐压试验的目的旨在检测电缆的耐电强度，它能有效地发现绝缘介质中的气 泡、机械损伤等局部缺陷，因为在直流电压下绝缘介质在被试品中只流过很小的泄漏电流， 电压将按电阻成正比分布；而在交流电压下，往往流过较大的电容电流，电压按电容成反 1 8 第二章电力电缆的绝缘试验及比较 比分布。所以对同一绝缘介质而言，采用直流耐压方式比交流耐压可以施加更高的电压， 能在更高的电压等级下考查绝缘裕度，也就能更有效地发现绝缘缺陷。 传统的电缆现场高压试验采用直流耐压，主要是由于电力电缆具有很大的电容，现场 采用大容量的试验电源不现实，所以改为直流耐压试验，以显著减小试验电源的容量。直 流耐压试验一般都采用半波整流电路，由于电缆电容量较大，故不用加装滤波电容。对于 3 5 千伏以上的电缆，试验电源采用倍压整流方式。 试验中测量泄漏电流的微安表可接在低电位端，也可接在高电位端。通常直流试验所 带来的剩余破坏也比交流试验小得多( 如交流试验因局部放电、极化等所引起的损耗比直 流时大) 。直流试验没有交流试验真实、严格，串联介质在交流试验中场强分布与其介电常 数成反比，而施加直流时却与其电导率成反比，因此在直流耐压试验时，一是适当提高试 验电压，二是延长外施电压的时间。正常的电缆绝缘在直流电压作用下的耐电强度约为 4 0 0 6 0 0 k vc m ，比交流作用下约大一倍左右，所以直流试验电压大致为交流试验电压的两 倍，试验时间一般选为5 l o m i n 。一般电缆缺陷在直流耐压试验持续的5 m i n 内都能暴露出 来，g b 5 0 1 5 0 规定了最长的持续试验时间为1 5 m i n 。电缆的直流击穿强度与电压极性有一定 关系。试验时一般电缆芯接负极，当电缆芯接正极时，击穿电压比接负极时约高1 0 。 直流耐压试验方法在油纸绝缘电力电缆试验中取得很好效果，能够检测出油浸纸绝缘 内部的缺陷，保证电缆安全运行，同时还具备试验设备重量轻，可移动性好，容量低等优 点，在油纸绝缘电缆试验中得到广泛应用。交联聚乙烯电缆属于整体绝缘，与油浸纸绝缘 电缆的复合型绝缘不同，其绝缘介质在直流电场与交流电场下的场强分步、绝缘老化与绝 缘击穿机理都是不同的，因而x l p e 绝缘电缆进行直流耐压试验无法模拟电缆实际运行状况， 而且不能检测出绝缘内部存在的缺陷。x l p e 绝缘电缆进行直流耐压试验存在如下弊端： 1 在直流电压下电场分布取决于材料体积电阻率，而交流电压下的电场分布取决于 各介质的介电常数，特别是在电缆终端、接头盒等电缆附件中的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的机理和交流电压下的老化机理不 相同。因此直流耐压试验不能模拟x l p e 电缆的运行工况。 2 直流耐压试验时，电子会注入到聚合物介质内部空隙，形成空间电荷，使该处的 电场强度降低，试验时不易发生击穿。x l p e 电缆的半导体凸出处和污秽点等处容易产生空 间电荷。但如果在试验时电缆终端头发生表面闪络或电缆附件击穿，会造成电缆芯线上产 1 9 东南大学工程硕士学位论文 生波振荡，在已积聚空间电荷的地点，由于振荡电压极性迅速改变为异极性，使该处电场 强度显著增大，可能损坏绝缘，造成多点击穿。 3 x l p e 电缆在直流电压下会产生“记忆效应，能够存储积累单极性残余电荷。x l p e 电缆进行直流耐压试验一旦引起的“记忆性，需要很长时间才能将这种直流偏压( 残余电 荷) 释放。电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行，直流偏压便会叠加在工频电 压峰值上，使得电缆上的电压值远远超过其额定电压，从而有可能导致电缆绝缘击穿。 4 x l p e 电缆易在绝缘内产生水树枝，一旦产生水树枝，在直流电压下会加速转变为 电树枝，易形成放电通道，加速了绝缘劣化，可能产生直流耐压试验合格，而投入运行后 在工频电压作用下发生击穿。而单纯的水树枝在交流工作电压下还能保持相当的耐压值， 并能保持一段时间。 5 实践证明，直流耐压试验不能有效发现交流电压作用下的某些缺陷，如在电缆附 件内，附件绝缘或应力锥等部位存在的缺陷。在交流电压下绝缘易发生击穿的地点，