电力电缆绝缘性能检测方法分析
摘　要:对电力电缆不带电和带电检测的常用方法进行了比较分析。通过比较,在不带电检测方法中,二次脉冲法是一种比较好的方法;在带电检测的方法中,交流电压迭加法是目前比较好的一种方法。
关键词:电力电缆;绝缘;检测
0　引言
由于交联聚乙烯电缆绝缘性能好,易于制造和安装方便,近年得到了迅速的发展。随着城网改造和农网改造的实施,电力电缆的利用比重也会越来越高,如何维护使用好已有的电力设备,提高供电稳定性就显得十分必要,电缆的运行状况直接关系到电力系统的安全运行及供电的稳定性。过去,我国广泛使用的预防性试验是采用定期停电进行试验的方法,属于离线检测。然而,随着电力供应的发展,这种停电试验的传统方法已愈来愈不能适应电力生产和供应的实际需要。因此研究电力电缆在线监测技术,可及时对电缆进行合理的维护、检修及更换,对确保电缆稳定运行具有重要的意义。近年来不少研究者提出了一些新的带电检查的测试方法,这些方法对预先发现电缆绝缘的下降状况很有作用。
1　电力电缆性能不带电检测方法
随着城市建设的发展,电力电缆在城网供电中所占的份量也越来越重,在一些城市的市区逐步取代架空输电线路;同时随着电缆数量的增多及运行时间的延长,电缆的故障也越来越频繁。由于电缆线路的隐蔽性、个别运行单位的运行资料不完善以及测试设备的局限性等原因,使电缆故障的查找非常困难[1]。电力电缆故障按性质可分为串联(断线)故障及并联(短路)故障两种,后者按绝缘外是否有金属护套或屏蔽可分为主绝缘故障(外有金属屏蔽),外皮(外护套)故障(无金属屏蔽)的故障。主绝缘故障根据测试方法不同,按故障点的绝缘电阻Rf大小可分为①金属性短路(低阻)故障,其中Rf不同仪器及方法选择各不同,一般Rf<10 Z0(Z0为电缆波阻抗);②高阻故障;③间歇(闪络)故障三种。三者之间没有jue对的界限,主要由现场试验方法区分,与设备的容量及内阻有关。近十年来我国城市电网大量采用XLPE电力电缆,根据电缆的故障,国内外有各种不同的测试方法。
1.1　电桥法及低压脉冲反射法
20世纪70年代前,世界上广泛使用电桥法及低压脉冲反射法进行电力电缆故障测试,两者对低阻故障很zhun确,但对高阻故障不适用,故常常结合燃烧降阻(烧穿)法,即加大电流将故障处烧穿使其绝缘电阻降低以达到可以使用电桥法或低压脉冲法测量的目的。烧穿方法对电缆主绝缘有不良影响,现已很少使用。
1.2　高压直流闪测法和冲击闪测法
分别测试间歇故障及高阻故障,两者都均可分为电流闪测法和电压闪测法,取样参数不同,各有优缺点。电压取样法可测率高,波形清晰易判,盲区比电流法少一倍,但接线复杂,分压过大时对人及仪器有危险。电流取样法正好相反,接线简单,但波形干扰大,不易判别盲区大。两种方法目前是国产高阻故障测试仪的主流方法,主要有西安四方、山东科汇、扬州华特、武汉高压所等产品。高压电流、电压闪测法基本上解决了电缆高阻故障问题,在我国电力部门应用十分广泛,且应用十分丰富经验,但仪器有盲区,且波形有时不够明显,靠人为判断,有时未能成功,仪器的精度及误差相对较大。
1.3　二次脉冲法
这是二十世纪90年代出现的测试技术,因为低压脉冲zhun确易用,结合高压发生器发射冲击闪络技术,在故障点起弧的瞬间通过内部装置触发发射一低压脉冲,此脉冲在故障点闪络处(电弧的电阻值很低)发生短路反射,并将波形记忆在仪器中,电弧熄灭后,重新发一正常的低压测量脉冲到电缆中,此低压脉冲在故障处(高阻)没有击穿产生通路,直接到达电缆末端,并在电缆末端发生开路反射,将两次低压脉冲波形进行对比,非常容易判断故障点(击穿点)位置。仪器可自动匹配,自动判断计算出故障点距离。二次脉冲法的出现,使得电缆高阻故障测试变得十分简单,成为zui先进的测试方法。
对于二次脉冲法,无论是奥地利的Baur公司,还是德国Seba公司的产品原理是一样的,只是在实现上有差异:前者强调起弧与触发脉冲配合,由内部通信装置对冲击电流进行阻尼,同时也增加了冲击电流的冲击宽度来实现;而后者则采用专门稳弧仪,强调延长电弧时间,确保低压脉冲在起弧期间到达。这种方法与国内生产高压电流或电压法测试仪相比具有以下优点:
①一体化设计,结构紧凑(compact),只要接入电源,接好地线,连接被测电缆即可进行各种测试方法的操作,接线简单,切换容易,安全稳定。
②自动化程度高,实现自动匹配、自动保护、自动判断、自动计算,并可以进行打印或将图形存入软盘, 在计算机进行数据分析。③无盲区问题:考虑到仪器本身的馈线以及外接的高压电缆引线长度,因此进行仪器调试时,引入“tm”测试,首先测试每种方法中的脉冲波经过仪器到达引线末端所经历的时间“tm”值,并输入记忆的系统中;测试电缆时,仪器会自动将原点(起点)定在该方法的“tm”时刻处,因“tm”为定值与波速度选择无关,无论波速度选多少,同一种方法中脉冲在仪器本身及引线所经历的时间“tm”是不变的;所测波形中tm时刻点即为所测电缆的始端,因此测量时没有盲区的概念。④精度高:采用Baur公司IRG300回波仪采样频率已达200 MHz,以波速为=160 m/μs计算,jing确度可达0.4 m。由于这套仪器的自动化程度高、jing确,操作简单,克服了电流、电压冲击法的不足,有效解决了高阻故障测试的困难,只要波速度选择正确,测量结果非常jing确。
2　电力电缆绝缘性能带电检测的方法[2-4]
现在,国内外广泛开展带电检测方法的研究,提出了多种方法。实际的运行过程中发现,大部分电力电缆故障是由电缆绝缘发生劣化引起的。引起这种电缆发生劣化的原因较多(有电劣化、热劣化、化学劣化、机械劣化甚至鼠虫害引起的劣化等),但最主要仍是电劣化。其主要劣化形态为:①局部放电电劣化;②电树枝劣化;③水树枝劣化。研究表明33 kV以下的固体绝缘电缆中,引起绝缘劣化的主要是水树枝劣化。但无论哪种劣化都可能造成绝缘电阻的下降,泄漏电流的增加及介质损耗tgδ变大等现象。使得在工作电压下交流损失电流变大,使得流过绝缘的电流中所含的直流分量增大。因此,可以通过对电缆绝缘的在线监测来测定劣化信号,判定电缆绝缘是否能继续运行。电缆绝缘的劣化信号一般来说极其微小,如因树枝状劣化产生的直流分量电流为nA级,zui大的也只不过为μA级。因此,国外在对高分子绝缘材料劣化的基础物理过程进行大量研究的基础上,针对劣化信号,研究并采取了相应的监测措施。电缆绝缘在线监测的方法有很多种,如直流电流法,直流电压迭加法,交流电压迭加法,低频交流迭加法等等。
2.1　直流电流法
电缆在交流电压作用下,若发生水树枝劣化,则电流中含有直流成分,且树枝劣化长度与直流分量电流存在一定关系,故研究采用直流电流分量监测法。但由于直流分量电流极小(一般为nA级),因此容易受到杂散电流的干扰。且在电缆端部表面泄露电阻因胀污或因雨而下降时,测量误差很大,故此必须要清拭端部且要在天气晴好时测量,所以这种方法的使用受到很大的限制。
2.2　直流电压迭加法
针对电缆中水树枝长度与绝缘电阻的关系,研究了直流电压迭加法。直流电压迭加法因散杂电流的变化或端部表面泄露电阻变低而产生较大的测量误差。且直流电压是经中性点接地的电压互感器旋加于电缆的,若互感器中长期流过直流电源会发生磁饱和现象而产生零序电压,可能使变电所内继电器误动作。
2.3　低频交流迭加法
针对电缆中水树枝长度与绝缘电阻的关系,研究了低频交流迭加法。低频交流迭加法是一种较好的方法,所监测的交流损失电流在原理上随着劣化的发展而变大的。但在使用中应认真确认电缆端部的工作状态,例如为调整端部电场分布而装有应力环时,即使电缆绝缘良好,交流损失电流也较大,那么仅根据在线监测的信号,就可能作出”绝缘不良”的误判断。
2.4　交流电压迭加法
交流电压迭加法的测量原理是:在电缆的屏蔽层上迭加101 Hz(即2倍工频+1Hz)的交流电压,监测树枝劣化而产生1Hz的劣化信号。由于树枝劣化的电缆上迭加工频+约1 Hz电压时,被测的劣化信号zui大,可采用这种方法检测出1 Hz的劣化信号的强弱来判断电缆劣化的程度。这种监测方法的优点是:①可从电缆接地线处迭加电压,测定简单方便,不仅可作为在线监测,也可作带电监测,用一套设备监测多条电缆;②因迭加电压检测的是已知劣化信号,即1 Hz信号,故检测精度高,抗干扰能力强;③受铠装绝缘电阻及端部污损等因素影响较小。
3　结论
通过以上的分析比较,我们可以发现在不带电检测方法中,二次脉冲法是一种比较好的方法,在带电检测的方法中,交流电压迭加法是目前比较好的一种方法。虽然带电检测的方法还不很成熟,比如对绝缘劣化程度的判断等方面,还需要做大量的研究工作,但是这是电力电缆检测的一种发展方向。
 
 
 
 
电缆如何做交流耐压试验
［关键词］电缆交流耐压试验，高压交联电缆现场交流耐压试验，串联谐振，变频谐振，
BXZ-2000便携式电缆耐压试验装置
1、  问题的提出
目前在国际和国内已有越来越多的XLPE交联聚乙烯绝缘的电力电缆替代原有的充油油纸绝缘的电力电缆。但在交联电缆投运前的试验手段上由于被试容量大和试验设备的原因，很长时间以来，仍沿袭使用直流耐压的试验方法。近年来国际、国内的很多研究机构的研究成果表明直流试验对XLPE交联聚乙烯电缆有不同程度的损害。有的研究观点认为XLPE结构具有存储积累单极性残余电荷的能力，当在直流试验后，如不能有效的释放掉直流残余电荷，投运后在直流残余电荷加上交流电压峰值将可能致使电缆发生击穿。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，绝缘中的实际电场强度可比电缆绝缘的工作电场强度高达11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。因此，使用非直流的方法对交联电缆进行耐压试验就越来越受到人们的重视。目前，在中低压电缆上国外已使用超低频电源（VLF）进行耐压试验。但由于此类VLF的电压等级偏低，尚不能用于110kV及以上的高压电缆试验。在国内，对于低压电缆,这种方法也使用过，但由于试验设备的原因，没能得到大面积的推广。而近些年由于城、农网建设改造的进行， XLPE交联电缆越来越多，仅仅靠直流耐压试验后就将电缆投入运行，而在运行电压下发生电缆或电缆头击穿的事例也时有发生。所以，大家都在探索新的试验方法。
2、  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，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（50Hz），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（30-300Hz）串联谐振试验设备，可以得到更高的品质数（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。
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。就目前的国内外的提法来看，我们总结可分成3类：第1类为较宽频率范围30-300Hz、20-300Hz、1-300Hz；第2类为工频范围，45-65Hz，45-55Hz；第3类为接近工频，35-75Hz。 
（1）第1类较宽频率范围
国际大电网会议第21、09工作组发布的《试验导则》，建议频率范围为30-300Hz。但实际上更低一些频率也具有较好地等效性。IEC60840和IEC62067标准草案（2001年和2000年）就规定可采用20-300Hz。
    国外有些厂家设计串联谐用电抗器，在特殊情况下也有采用zui低频率为25Hz或20Hz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。个别资料显示, 1-300Hz的交流试验也具有与工频交流试验的等效性，这说明实际应用中频率下限有可能取得更低，例如小于20Hz甚至到0.1Hz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300Hz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300Hz是不可取的。
（2）第2类为工频范围
国际上工业频率主要指50Hz和60Hz两种，故IEC标准规定对高压绝缘的工业试验频率范围为45-65Hz，在我国额定工频为50Hz。GB/T16927.1-1997规定工频试验频率范围为45-55Hz。
认为工频电力电缆的试验电压也必须是工频，这是趋于比较保守的观点。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。
在90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、仔细的基础研究工作。得出频率在30-300Hz范围内，橡塑电缆内部几种典型绝缘缺陷的击穿特性没有明显差别。这应该是可信的，也得到普遍采用。分析形成这种在不同频率下良好的击穿特性，主要原因是you良的同轴绝缘结构，单一的绝缘介质，材质相对纯洁、电场分布合理、规则。因此，在不同频率下结构内部电压分布相同，形成宽频率范围试验的条件。
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）第3类为接近工频频率，35-75Hz
国外曾对正常XLPE（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35-75Hz时击穿电压均落在可置信度95%之内。因此有观点赞成试验电压频率zui好选在35-75Hz,也较为靠近运行电压频率50Hz。值得注意的是，上述测试结果是对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铁锥施工或用料错误，等等），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35-75Hz的击穿特性“延伸”应用到检测绝缘缺陷方面。
3、  标准问题
由于设备容量和体积等问题，目前guo家尚无高压电力电缆敷设后在现场进行交流耐压试验的相应标准。但对直流耐压试验的标准,由于前面所述原因人们也产生了一些疑问。CIGRI国际大电网工作会议21工作组的《高压挤包绝缘电缆竣工验收试验建议导则》中对目前采用的直流耐压试验方法提出疑议，并推荐使用工频及近似工频（30-300Hz）的交流试验方法。IEC 60840标准中在45-150kV敷设后电缆试验标准中除原直流试验标准外，增加了1.7U0 5分钟或1U0 24小时的交流试验标准。而在220kV等级中IEC 62067/CD草案中则取消了电缆敷设后试验中直流试验的标准，只有交流试验的要求，即 20-300Hz 1.4U0 60分钟。为了更有效的对施工后的交联电缆进行交接试验,华北电力集团公司在《电力设备交接和预防性试验规程》修订内容中在电缆主绝缘耐压试验一项中增加了电缆的交流耐压试验标准。之后，国内很多地方也相应的出台了地方性试验标准，其试验频率大多都在30-300Hz，中低压电缆试验电压为1.6-2.0倍的相电压，高压电缆试验电压一般都在1.4-1.7倍的相电压，具体根据各个地方略有不同，浙江推荐中低压电缆试验频率为45-65 Hz，高压电缆试验频率为35-75 Hz。
4、  设备选型
35kV及以下电压等级的电缆使用数量多，实验工作量大，所以此类耐压试验装置应该体积小，重量轻，宝应精科由此生产了BXZ-2000变频谐振试验装置 本系统中，适合现场搬动，电抗器部分采用干式环氧浇注，美观稳定
，适合各类电缆的要求。
本系统具有以下特点：
（1）、操作简便
   具有自动/手动调谐功能；大屏幕显示电压、电流和频率等参数；具有过压过流整定与保护功能；具有失谐保护功能；具有自动记时和时间到关闭功能；电压调节具有零位启动功能，以确保调谐的安全性和高压回路的零起升压；
（2）、配置灵活
电抗器采用多台式，试被试设备可串可并使用，而且可以根据被试设备确定带到现场区的电抗器的个数；
（3）、重量轻、体积小
 以一套3kM长的10kV电缆（高压电流3A）为例，单台电抗器重量35kg（3台），变频控制箱重量12kg，励磁变压器重量45kg。