高压测试基本原理电缆测试的角度

1、高压测试基本原理：电缆测试的角度关键词: 高压测试, 电力电缆, 电缆系统, 干线绝缘介绍 日益增长的工业、商业和家庭用户电能需求，导致传输容量提高和电力供应可靠性不断增加。高压发电厂的可靠性必须维持在较高的水平，在其寿命，通常为50年。 所有新制造的电力系统元件都要进行不同类型的测试，以确保他们的可靠性和寿命。 这些测试都是按照国家和国际标准制定的规范来进行。这些测试名称可以用下述术语表示 设计验证测试 生产质量测试 安装后测试在所有高压发电厂的电力系统中，电缆系统必须满足可能最广泛的测试要求。因此，在这篇文章中，我们使用电缆系统的电气测试来向大家展示的主要测试的说明书由来。虽然我们指的是整

2、个文章主要是电缆的挤压绝缘和他们的配件，大多数的结论可以推广到其他高压设备，如电力变压器或绝缘子。结论限制在大部分输电系统：绝缘电缆系统传输电压在地区电网电压水平，变压器电压水平，即被评为30 kV以上。电缆系统测试测试标准 伴随着测试标准的提高，电缆制造技术一直在进步。在早期，只有少数的电缆制造商，他们建立了第十次系列特约采访来做DEIS的五十周年的纪念Tadeusz Czaszejko莫纳什大学电气与计算机系统工程系，克莱顿校园 ，维克3800，澳大利亚莫纳什大学电气与计算机系统工程系，克莱顿校园 ，维克3800，澳大利亚高压绝缘电气试验有关老化的规范讨论。主要测试类别的原理以及高压测试的

3、复杂性说明。 他们自己的测试要求要确保他们的产品的可靠性。随着行业的增长，国家标准化组织介入统一测试程序制定，并随后建立了国际标准。国际电工委员会（IEC）是目前指定的电缆测试标准的主体，这已被世界上大多数国家采用。为挤包绝缘电缆测试规格中包含两个独立的标准，即（一）30至150 kV高压，在iec60840，和（二）超高压（超高压），150500 kV 在iec62067。 这两个标准，在他们最新的版本，遵循几乎相同的模式，关于设计，生产质量和安装后的绝缘完整性测试要求。即使条款编号已协调。在他们被分为五大类，测试分类（文中斜体字是采取直接从标准）： 预防（PQ）试验：为证明完整的电缆系统的

4、长期性能，在供应之前，在一般的商业基础，一种类型的电缆系统，以证明令人满意的长期性能。类型测试：在供应之前进行的测试，在一般的商业基础上，一个类型的电缆系统，以表现出令人满意的性能特性，以满足预期的应用程序的样本测试，制造商对完整的电缆样品或从一个完整的电缆或附件取下的部件进行的测试，以验证所完成的产品是否符合规定的要求 。 常规测试：制造商对每一个制造组件（电缆或附件的长度）进行的测试，以检查组件是否符合规定的要求 。 安装后测试：测试表明，安装的电缆系统的完整性。 在每个测试类别中有一套规定的测试电压水平和持续时间。在PQ测试电压为8760小时（1年），并在20天的试验。其他耐压试验较短。

5、其中的一些显示在表1。在一些测试中，升高的温度或热循环（创建热和机械应力）同时施加的电压（创建电应力）。我们将展示后，他们是如何与电老化模型。简短的历史回顾测试电缆与挤压绝缘的第一个标准，借鉴了早期测试纸/油绝缘电缆的经验。他们提到的电力系统的各个组成部分的测试。随着时间的推移，一个基础系统的方法被采用，最新的标准就会遵循这种方法制定。支持新的设计或设计修改的资格预审或类型试验必须通过在完全组装好的电缆系统中执行，包含制造商打算在市场上出售的所有组件。其中一种测试电缆系统的实验数据如图1所示。 表1 试验电压按iec62067 1 。12341516171819110111额定电压最高电压测试

6、电压U0值测定电压测试9.3局部放电试验9.2、测量加热循环电压测试12.4。6雷电冲击电压试验10.12，12.4.7.和513.2脉冲电压测试后的电压测试12.47开关脉冲电压测试电压试验安装16.3U (kV)Um (kV)U0 (kV)Voltage2 (kV)Duration2 (min)1.5U0 (kV)U0 (kV)2U0 (kV)(kV)2U0 (kV)(kV)( kV )220 to 230245127318301901272541,050254180275 to 287300160400302401603201,050320850210330 to 34536219042

7、0602851903801,175380950250380 to 400420220440603302204401,4254401,050260500550290580604352905801,5505801,1753201.如果有必要，这些试验电压应按列表调整。2.门槛限制27到30 kV/mm不应超过某些绝缘材料（如指定的供应商）来避免任何可能削弱绝缘之前交货，这可能导致服务失败。在9.3的电压测试，例如额定电压为330至500千伏，电压降低，并结合较长的测试时间，以避免太高的应力。绝缘在门槛的限制不是问题，供应商可能会增加测试电压和降低测试时间。然而，持续时间至少应为30分钟。制造商和买

8、方之间的协议，9.3的电压测试可能会被替换由一个测试在较低的电压和更长的时间，即使在绝缘中的最大应力低于30千伏/毫米。然而，电压等级不得低于1.5u0和持续时间不超过10小时。 对高压和超高压电缆IEC测试规范的进展如下： l 1988-iec60840（原来iec840）指定类型，程序，和只对样品电缆的测试；l 1999-iec60840包括类型试验要求的配件；l 2001-iec62067介绍超高压电缆系统的PQ测试和避免直流系统安装后主绝缘直流测试的建议； l 2004IEC60840 增加了电力系统类型测试以及样品测试的预制附件;l 2011-iec62067修改了PQ测试程序，并介

9、绍了PQ测试部分； l 2011-iec60840指出为高压电缆系统的PQ测试和延伸PQ测试中的无效设计。 我们现在描述IEC标准的演变，从预IEC时代。19世纪从发电机的发明绝缘导线已被用于电网。图1。澳大利亚耐克森的132 kV，800-mm2，交联聚乙烯电缆类型试验装配车间。在第十九世纪额定值为11 kV的浸渍纸绝缘电缆已投入使用末。此后，绝缘电缆的额定电压呈指数增长，高达400千伏的充油电缆已经在使用时，20千伏电缆聚乙烯绝缘聚乙烯绝缘出现在20世纪50年代，但是，聚乙烯绝缘电缆的电压等级迅速增加，如图2所示。挤压绝缘电缆在不到40年里达到400千伏级，不仅如此在1986已经达到500

10、千伏 4 。 电缆技术的新一代变革正在发生。纸/油绝缘技术是成熟的，并已在最高电压水平被验证非常可靠，而挤压绝缘还必须经受验证。这就是为什么新一类的测试，即PQ测试，被添加到挤包绝缘电缆试验标准的原因。对于通过这样的测试的电缆系统来说，它已经被论证具有令人满意的长期工作的性能，因此可以为一般的商业提供依据。 图2。电力电缆电压等级的增加，从数据绘制 2 4 。聚乙烯=聚乙烯。 图3。计算挤压绝缘电缆的额定电动力 ，Er在导体屏蔽下的激励，而ER是绝缘屏蔽下的激励。 在20世纪90年代中期和90年代中期，首先由CIGRE研究委员会推荐工作组wg21.03和wg21.09的高电压绝缘电缆的PQ测试

11、其被要求复查现行的从400 kV到500 kV的标准电压。含PQ测试和其他建议的iec62067标准在2001制定和发布。 因为在绝缘上的额定电应力增加使得超高电压等级电缆制造成为可能。图三展示了一系列在市售挤压绝缘电缆的Er在导体屏蔽下，ER在绝缘屏蔽下的电应力。用 IEC60840, p.6(m)中的公式代入标称电压的均方根值计算出应力，单位用 kVRMS/mm.表示。在超高压电缆中Er 可能有kVRMS/mm，而在一些高压电缆Er 可能只有kVRMS/mm低。技术的进步导致了可靠的超高压电缆系统的制造技术现在可以应用于高压电缆的制造。因此，所谓的超薄设计，涉及更薄的绝缘，因此开发出可承受

12、更高的电应力的电缆。这个方法明显的提高了超薄设计的高压电缆的额定应力水平，甚至承受的额定应力只能在超高压电缆中看得到。为了确保可靠，超薄设计的电缆需要一个批准程序。一个合乎逻辑的步骤是采用iec62067 的PQ测试，包括在IEC60480。 在对iec62067 2001第一版的时候，国际大电网会议研究委员会B1（前21）成立21.11专案组，和之后的b1.06工作组准备未来iec62067的版本，会考虑预期的创新点以及减少新产品进市场需要的时间的建议。2004年底，IEC技术委员会20决定一个iec60840重大修订，并将CIGRE WG b1.06 6 提供的建议被纳入第四版中。 PQ测

13、试被添加到超薄设计类高压电缆系统的验收要求中。这样的电缆超过标称最大的电应力的8伏/毫米的导体屏蔽，或4千伏/毫米的绝缘屏蔽，或两者都超过了。人们已经认识到超高压电缆系统和超薄设计高压电缆系统PQ测试的引进延长了引进创新进入市场的过程。然而，WG b1.06 的工作证明PQ测试是验证新的电缆系统设计的长期可靠性不可或缺的一部分。改进测试程序由WG b1.06提出，随着一个被称为延长资格测试（EQ测试）新的测试。最新的标准， 1 和 7 ，包含这些改进的程序。 固体电介质的老化规律 电工试验的标准规范在电介质老化规律有它们的基础。老化理论的简要回顾将有助于了解这些基础。因此我们采用的挤出聚合物绝

14、缘电缆为例，我们将集中精力在固体介质上，更具体地说，对交联聚乙烯（XLPE）。 我们可以区分固体电介质三种类型的老化，分别是，即热，电，和机械老化。他们可以单独或组合使用，因此实际的绝缘系统是被考虑进行多因素老化。附加因素可能有助于高压绝缘的老化过程。这些包括湿气、温度波动、放电、氧化的存在，在物质形态的差异，与所施加的电压的高频分量。几个寿命模型和老化理论已发表 1 ， 8 10 。在这篇文章中，我们专注于最基本的现象学模型。他们相对简单有助于解释如何测试单一环对高压电厂开发的影响。他们还展示了如何选择测试条件，如试验电压水平和持续时间，来有目的的预测新设计和制造高压设备使用寿命。 电老化根

15、据经验公式，在一个受限制的时间尺度上，在高电场的存在下，大多数电介质老化的速度可以被描述的逆幂律 公式如下 t =CEn, (1)在那里T是生命的寿命（时间到故障），E是电场强度，和C和N是常数。场的频率，F，也会影响老化的速度，所以 t =CEnfm, (2)其中M是一个常数。数学模型（1）和（2）不具体的降解机制但很有吸引力，因为它们简单；如果他们是适用的，a log t对log E, 或log t 对 log 分别在坐标系上显示的是斜率为m和n的直线。然而，使用n值推出加速试验在高电场下的领域进行的结果可能会在高电厂和低电厂下产生终生的高估；时间对交联聚乙烯（XLPE）迷你电缆绝缘承受

16、在22°C 空气中各种交流电场的击穿故障( ACBD = AC 击穿)11。长期耐压实验有时揭示在较低的场强下绝对值n的变化。图4显示了使用寿命，即，击穿时间对交联聚乙烯（XLPE）迷你电缆绝缘在交流中应力函数（ACBD =交流击穿）。当相同的数据被绘制为E 对log t，“弯曲部分”在使用寿命曲线上基本上消失，如图5所示。观察类似的导致指数衰减模型的发展，形式上类似热老化模型。 电老化的指数衰减方程的一个简单的形式是由Dakin 8 提出的，即：其中E是电场强度，W是老化过程的活化能，A和B是常数。B / KT则是E与对数图的斜率（温度不变）。 表5. 图4数据在半对数曲线 11

17、。XLPE =交联聚乙烯；ACBD=交流击穿场强。为了使物理解释令人信服，指数衰减模型可能采取更复杂的形式，例如，动力学，热力学和微观的方法。这些模型的详细讨论超出了这篇文章的范围，注释 9 有一个很好的关于电绝缘老化模型的讨论。关于复合应力模型绝缘材料的热力学和现象学的方法的讨论在注释 10 。1996注释 11 所公布的现有理论和资料的回顾标题一些章节标题出现某些短语，如“许多理论，但没有可靠的”和“许多现象，但有限的理解”。从那时起，情况并没有发生太大的变化。尽管这种不确定性，高压绝缘测试程序中包含的标准必须是务实的，必须反映绝缘老化的最基本的模型。 热力老化大多数对仅暴露于热老化的固体

18、电介质寿命的最预测是基于阿伦尼乌斯方程：在那里t是加热的时间，A是一个常数，W是老化过程的活化能，k是恒定的，而T是绝对温度。阿伦尼乌斯方程最初是用来描述一个化学反应速率对温度的依赖关系。介电老化的过程可以被视为一个缓慢的化学反应，导致材料的分子结构断裂，因此其绝缘性能变差。方程（4）预测寿命和工作温度之间的指数关系，是加速老化试验设计的理论基础。老化可以在升高的温度下进行，然后外推到正常操作条件下的结论。然而，经验表明，（4）在超过扩展的温度范围是不太准确的，特别是如果施加于聚合物。作为一种替代方法，被称为速率理论设计 12 ， 13 。它的起点是Eyring方程As an alternat

19、ive, the so-called rate theory was devised 12,13. Its starting point is the Eyring equation其中h是普朗克常数，HG是由老化反应提供的自由的能量（或Gibbs能源）G =H TS, (6) H 和 S 分别代表老化反应的焓和熵。 （4）和（5）预测的热老化寿命是没有计其精度的，这是加速老化试验的基础。这样的测试往往是在升高的温度下进行，因为随着T的增加测试将需要更少的时间。 图6。 IEC62067 1规定的电压时间。虚线绿色线是n = 16的逆幂律。PQ图6。iec62067规定的电压时间 1 。虚线绿

20、色线是n = 16的逆幂律。PQ =预审质量。 必须补充的是，实际绝缘系统受到温度波动影响，热寿命的预测会更加复杂。我们已经介绍了长期系统在电缆本身电缆密封端和电缆内的接头的内部，甚至是相对简单的设备中，像挤包绝缘电缆，各种材料层之间的相互作用，金属导体半导电的屏蔽，和绝缘材料聚合物外护套。这些材料之间热膨胀系数的差异引起的机械应力，增加了主要绝缘材料的老化或衰减率。此外，热循环可以导致各种层的分层，特别是在材料界面，这可能会导致空隙和分层引起的裂缝间产生放电（局部放电）。往往局部放电是高压绝缘击穿的前兆。然而，尽管有这些复杂性情况，基于（4）和（5）的加速老化的热寿命预测的方法仍然是令人满意

21、的方式。 老化规律和电压测试规范 电老化 电老化模型，即逆幂法和指数衰减规律，使从高压绝缘加速寿命得出试验数据来估计其预期使用寿命。同样，他们是给各种测试类别选择电气测试条件的基础。这一点最好以图形方式说明。图6是一个双对数图（符合逆幂律），蓝色圆圈显示了五类主要耐压试验的电压持续时间图，由超高压电缆的规定iec62067 1 ，在额定电压（1单位）的圈代表电缆的预期寿命。绿色虚线是n = 16的逆幂定律（1），并可能被解释为绝缘工作年限，即，绝缘工作在电压-持续时间曲线以下。图7显示了同样的数据进行对数线图，与指数衰减规律一致（3）。图7。图6的数据用半对数图表示。绿色线虚线是b = 6.0

22、的指数衰减法， PQ =质量预审。 这两个数字清楚地显示测试条件（电压水平和持续时间）和电缆的使用寿命之间的关系。基本前提是如果新制造的高压设备的绝缘通过一系列提高电压和持续适当的时间的试验，绝缘在正常的工作条件下应在其整个设计寿命期间可靠工作，通常为30至50年。热老化热老化定律（绝缘）不被纳入标准规格，在某种程度上可以清楚地被电老化法解释。原因是在正常情况下90°C，在瞬时105°C，交联聚乙烯电缆绝缘的最大操作温度主要取决于交联聚乙烯的力学性能。简单的说，105°C以上交联聚乙烯电缆变得过软，无法支持导体的重量。 导体的错位比绝缘材料的热老化对长期性能带来更

23、大的风险。然而，发生在XLPE的热老化，在100以上的温度下老化的电强度的急剧下降。图8显示了随热老化交联聚乙烯电缆绝缘模型电气强度的变化 9 。这些结果定性说明在任何给定的热老化温度，有一个时间，下降过程发生的非常缓慢。 测试中使用的是热循环，而不是恒定升高的温度。IEC标准 1 和 6 中，在正常条件下（95100°C交联聚乙烯绝缘电缆）要求电缆的导体加热到最大操作温度以上高5至10°C的态温度，保持在这一水平的两个小时，然后冷却，循环反复。在热循环的稳态温度低于热老化阈值。图8 100，110，和130°C时进行，电强度（ES）对老化时间的热耐久性试验模型电

24、缆 9 。ES0是试验开始时的电气强度。 稳态温度不是关键的因素，而是循环温度，它能测试在热膨胀和周期收缩情况下电缆系统中不同材料的相容性。电压和热循环同时应用在部分类型试验和PQ试验中这种测试可以正确地认为是复合应力（电、热、机械老化）试验。复合应力老化的详细讨论超出了本文的范围。这个主题的综合处理方法可以在 10 中找到。结论我们已经使用了一个采用挤出绝缘的电力电缆系统的例子来解释电绝缘老化规律和从产品开发到安装不同阶段的电缆系统的实施的耐压测试之间的关系。电力线路受到电应力和热应力的通电时间随着测试的目的不同而不同 ，PQ测试最长而样本，常规，安装后测试时间更短。其中某些测试，例如冲击电

25、压试验 和局部放电实验在升高的温度下进行局部放电试验，使热，机械和电应力同时作用。耐压试验的整个实验顺序，从PQ试验到安装后的试验对绝缘系统绝缘寿命相关。 测试标准规定的电压-持续时间点的坐标，以及测试设备的设计寿命（30 - 50年），定义了绝缘使用寿命。 参考文献1 Power Cables With Extruded Insulation and Their Accessories for Rated Voltages Above 150 kV (Um = 170 kV) up to 500 kV (Um = 550 kV) Test Methods and Requirements,

26、IEC62067, Ed2, 2011-11.2 R. M. Black, The History of Electric Wires and Cables. Peter Peregrinus Ltd., 1983.3 G. P. Cundall, “The development of power cables,” IEE Stud. Quart. J., vol. 23, no. 89, pp. 311, 1952.4 E. F. Peschke and R. von Olshausen, Cable Systems for High and ExtraHigh Voltage. Publ

27、icis MCD Verlag, 1999.5 N. van Schaik and T. Czaszejko, “Conditions of discharge-free operation of XLPE insulated power cable systems,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 15, no. 4, pp. 11201130, Aug. 2008.6 CIGRÉ Working Group B1.06, “Revision of qualification procedures for HV and EHV

28、 AC extruded underground cable systems,” CIGRÉ Technical Brochure 303, Aug. 2006.7 Power Cables With Extruded Insulation and Their Accessories for Rated Voltages Above 30 kV (U = 36 kV) up to 150 kV (U = 170 kV)Test Methods and Requirements, IEC60840, Ed4, 2011-11.8 T. W. Dakin, “Electrical insulation deterioration,” Electrotechnology, pp. 124130, Dec. 1960.9 A. Motori, F. Sandrolini, and G. C. Montanari, “A contribution to the study of aging of XLPE insulated cables,” IEEE Trans. Powe