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技術(shù)文章 |
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電力電纜交流耐壓試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展歷程 |
發(fā)布日期：[2013-07-02] 共閱[2035]次 |
1.橡塑絕緣電力電纜過(guò)去在交接和預(yù)防性試驗(yàn)中，與油浸紙絕緣電纜一樣都采用直流耐壓試驗(yàn)。在1980年以前幾年，國(guó)外電力部門(mén)發(fā)現(xiàn)了直流耐壓試驗(yàn)對(duì)橡塑絕緣是無(wú)效的且具有危害性。大電網(wǎng)會(huì)議通過(guò)深入廣泛的研究對(duì)XLPE電纜改用交流耐壓試驗(yàn)達(dá)成共識(shí)，并頒發(fā)了《試驗(yàn)導(dǎo)則》，在*范圍內(nèi)廣泛推廣應(yīng)用。我國(guó)在九十年代中期已開(kāi)始并關(guān)注此問(wèn)題,尤其是2001年至今，各省已陸續(xù)提出相應(yīng)的試驗(yàn)要求。綜觀(guān)其發(fā)展歷史過(guò)程簡(jiǎn)述如下：
1980年前幾年 國(guó)外發(fā)現(xiàn)橡塑電纜做直流耐壓試驗(yàn)存在問(wèn)題。
1983～1989年 加拿大、德國(guó)、瑞典等國(guó)部分電力公司試驗(yàn)改做交流耐壓試驗(yàn)。
1988年起 德國(guó)部分電力公司試用0.1Hz超低頻交流耐壓試驗(yàn)。
1989～1990年 美國(guó)陸續(xù)發(fā)表關(guān)于直流耐壓試驗(yàn)存在的問(wèn)題和原因分析方面的文章。
1994年 廣東省和華東中試所協(xié)同研究中壓電纜交流耐壓試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。
1995年 德國(guó)制定VDE DIN 0276 Part 1001 （May 1995）中壓橡塑電纜交接試驗(yàn)工頻交流耐壓和0.1Hz耐壓試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)。
1996年 美國(guó)電力研究所（EPRI）發(fā)布《中壓電力電纜0.1Hz現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)試行導(dǎo)則》（EPRI RP 3392-01/CEA 200-D-780A） （試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)）
1997年 大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）第21、09工作組發(fā)表《高壓擠包絕緣峻工驗(yàn)收試驗(yàn)導(dǎo)則》（30～300Hz及試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)）。
1999年 廣東制定中壓橡塑電纜交流試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)暫行規(guī)定。
2000年左右 北京、廣東及其他地區(qū)對(duì)110、220kV XLPE電纜作交流耐壓試驗(yàn)。
2002年2月 江蘇頒發(fā)《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》。
2002年2月 華北地區(qū)頒發(fā)《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》。
2003年3月 山東頒發(fā)《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》。
2003年6月~12月 安徽、浙江、湖北、福建、吉林起草《橡塑電纜交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》。
2004年5月 南方電網(wǎng)公司頒發(fā) 《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》。從以上歷史過(guò)程中可以看出，交流耐壓試驗(yàn)是客觀(guān)的需要。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外20年左右的研究和實(shí)踐，從理論基礎(chǔ)研究到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累，技術(shù)上已趨于成熟。在我國(guó)的廣東、華北、江蘇、山東、安徽等地區(qū)和省份已有地方試驗(yàn)規(guī)程并正式推廣應(yīng)用。修訂發(fā)布全國(guó)電力行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)也只是時(shí)間問(wèn)題。為適應(yīng)我國(guó)電力建設(shè)的快速發(fā)展，尤其是城、農(nóng)網(wǎng)改造帶來(lái)交聯(lián)電纜的大量增加，全國(guó)其它各省、自治區(qū)均在進(jìn)行或準(zhǔn)備進(jìn)行相關(guān)規(guī)程的修訂工作。從技術(shù)方面來(lái)看，討論zui多的是試驗(yàn)頻率，試驗(yàn)電壓及加壓時(shí)間等參數(shù)。
2.選擇試驗(yàn)電壓的頻率
2.1 現(xiàn)行的不同試驗(yàn)頻率
由于電纜的電容量較大，采用傳統(tǒng)的工頻試驗(yàn)變壓器很笨重、龐大，且大電流的工作電源在現(xiàn)場(chǎng)不易取得。因此一般都采用系列串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備。其輸入電源的容量能顯著降低，重量減輕，便于使用和運(yùn)輸。初期多采用調(diào)感式串聯(lián)諧振設(shè)備（50Hz），但存在自動(dòng)化程度差、噪音大等缺點(diǎn)。因此現(xiàn)在大都采用調(diào)頻式（30～300Hz）串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備，可以得到更高的品質(zhì)因數(shù)（Q值），并具有自動(dòng)調(diào)諧、多重保護(hù)、以及低噪音、靈活的組合方式（單件重量大為下降）等優(yōu)點(diǎn)。
綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料，選擇合適的試驗(yàn)頻率范圍是個(gè)比較重要的問(wèn)題。在這方面，有一些不同的觀(guān)點(diǎn)和提法。（見(jiàn)圖1）圖中不同的提法可分成4類(lèi)：第1類(lèi)為較寬頻率范圍30～300Hz、20～300Hz、1～300Hz；第2類(lèi)為工頻范圍，45～65Hz、45～55Hz；第3類(lèi)為接近工頻，35～75Hz；第4類(lèi)為超低頻，0.1Hz。
為了便于進(jìn)一步討論頻率范圍的選擇問(wèn)題，現(xiàn)摘錄ISH’99倫敦會(huì)議有關(guān)論文中不同頻率和波形下的擊穿電壓研究結(jié)果列于圖2。
2.2 正常絕緣擊穿與探測(cè)絕緣缺陷的關(guān)系
國(guó)內(nèi)外有關(guān)絕緣擊穿的研究表明：橡塑電纜正常絕緣的樣品，其擊穿電壓都相當(dāng)高，即使它們的平均擊穿電壓水平也顯著高于交接和預(yù)試試驗(yàn)電壓。因?yàn)榻唤雍皖A(yù)試電壓是用來(lái)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的，不是用來(lái)鑒別正常絕緣的絕緣水平的。所以不能直接比較不同頻率下正常絕緣樣品的擊穿電壓，比較了也缺乏實(shí)用意義。
在不同頻率下，測(cè)量有絕緣缺陷且損壞程度相同的樣品的擊穿電壓，目的在于比較不同頻率對(duì)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的能力。當(dāng)然，這時(shí)的擊穿電壓已經(jīng)接近交接試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)。大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）第21、09工作組就是按照上述原則進(jìn)行測(cè)試、研究的。他們進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究工作,來(lái)選定頻率范圍。zui后發(fā)現(xiàn)對(duì)電纜中的典型缺陷其擊穿電壓在很寬的頻率范圍內(nèi)沒(méi)有明顯差別。說(shuō)明在很寬的頻率范圍內(nèi)，絕緣內(nèi)部各介質(zhì)的電壓分布基本相同。因此不同試驗(yàn)頻率發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的能力也是基本相同的。
交接和預(yù)防性試驗(yàn)屬于工業(yè)性試驗(yàn)性質(zhì)。由于工業(yè)性試驗(yàn)條件不可能很?chē)?yán)格，影響因素較多，在判斷試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，允許有一定的偏差。
2.3討論
（1）第1類(lèi)較寬頻率范圍
大電網(wǎng)會(huì)議第21、09工作組發(fā)布的《試驗(yàn)導(dǎo)則》，建議頻率范圍為30～300Hz。但實(shí)際上更低一些頻率也具有較好的等效性。IEC 60840和IEC 62067標(biāo)準(zhǔn)草案（2001年和2000年）就規(guī)定可采用20～300Hz。
國(guó)外有些廠(chǎng)家設(shè)計(jì)串諧用電抗器，在特殊情況下也有采用zui低頻率為25Hz或20Hz的。當(dāng)然，頻率愈低，被試電纜的長(zhǎng)度（電容量）可增大。但是電抗器鐵心因此放大，使重量增加。個(gè)別資料為1～300Hz，這說(shuō)明實(shí)際應(yīng)用中頻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。進(jìn)一步表明在此頻率范圍內(nèi)，絕緣內(nèi)部各介質(zhì)的電壓分布及介質(zhì)特性仍基本相同。
工作頻率超過(guò)300Hz是否適當(dāng)？有資料報(bào)導(dǎo)說(shuō)，隨頻率增高，串諧電抗器及勵(lì)磁變壓器的損耗降低，但是要考慮被試品電容介質(zhì)的極化發(fā)熱問(wèn)題，因此頻率高于300Hz是不可取的。
（2）第2類(lèi)為工頻范圍
上工業(yè)頻率主要指50Hz和60Hz兩種，故IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)高壓絕緣的工業(yè)試驗(yàn)頻率范圍為45～65Hz，在我國(guó)額定工頻為50Hz。GB/T16927.1-1997規(guī)定工頻試驗(yàn)頻率范圍為45～55Hz。
認(rèn)為工頻電力電纜的試驗(yàn)電壓也必須是工頻，這是趨于比較保守的觀(guān)點(diǎn)。針對(duì)此問(wèn)題應(yīng)該著重說(shuō)明交接和預(yù)防性試驗(yàn)的目的在于發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。而且其試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)的判定原則就是根據(jù)發(fā)現(xiàn)缺陷的能力來(lái)定的。在不同的頻率下只要絕緣內(nèi)部介質(zhì)電壓分布相同，又有基本相同的檢出絕緣故障的能力，就能達(dá)到試驗(yàn)的目的。因此即使選用比工頻范圍更寬的頻率也是可以接受的。
油紙絕緣電纜一直采用頻率等于零的直流電壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，其實(shí)際效果很好，數(shù)十年來(lái)未受到置疑。
（3）第3類(lèi)為接近工頻頻率，35～75Hz
國(guó)外曾對(duì)正常XLPE（交聯(lián)聚乙烯）絕緣電纜樣品，在不同頻率下進(jìn)行擊穿試驗(yàn)。結(jié)果表明在頻率為35～75Hz時(shí)擊穿電壓均落在可置信度95%之內(nèi)。因此有觀(guān)點(diǎn)贊成試驗(yàn)電壓頻率選在35～75Hz。也較為靠近運(yùn)行電壓頻率50Hz。值得注意的是，上述測(cè)試結(jié)果是對(duì)正常絕緣做的擊穿試驗(yàn)。而交接和預(yù)防性試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)電壓值是偏低的，它只能擊穿有缺陷的絕緣弱點(diǎn)（機(jī)械損傷、水樹(shù)枝、終端頭或接頭盒應(yīng)力錐施工或用料錯(cuò)誤，等等），*不足以擊穿電纜本體的正常絕緣。可見(jiàn)兩種試驗(yàn)的目的和工作機(jī)理均不相同。似乎沒(méi)有必要將正常絕緣35～75Hz的擊穿特性“延伸”應(yīng)用到檢測(cè)絕緣缺陷方面。
（4）大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE第21、09工作組由10個(gè)國(guó)家資深的電纜專(zhuān)家組成
在90年代中期為了選擇適當(dāng)?shù)慕涣髂蛪涸囼?yàn)的頻率范圍，做了大量、仔細(xì)的基礎(chǔ)研究工作。得出頻率在30～300Hz范圍內(nèi)，橡塑電纜內(nèi)部幾種典型絕緣缺陷的擊穿特性沒(méi)有明顯差別。這應(yīng)該是可信的，也得到普遍采用。分析形成這種在不同頻率下良好的擊穿特性，主要原因是優(yōu)良的同軸絕緣結(jié)構(gòu)，單一的絕緣介質(zhì)，材質(zhì)相對(duì)純潔，電場(chǎng)分布合理、規(guī)則。因此，在不同頻率下結(jié)構(gòu)內(nèi)部電壓分布相同，形成寬頻率范圍試驗(yàn)的條件。
（5）此外，另一個(gè)研究報(bào)告（圖2），也提供了相似的結(jié)論。它比較了正常和有缺陷XLPE電纜樣品在50Hz和250Hz兩種頻率下的擊穿特性統(tǒng)計(jì)值。表明在這兩種頻率下，有缺陷的電纜的擊穿特性沒(méi)有明顯的差別。同時(shí)也比較了0.1Hz，振蕩波電壓與50Hz的試驗(yàn)結(jié)果。有幾個(gè)報(bào)導(dǎo)稱(chēng)，振蕩波電壓法不夠有效，不宜采用
0.1Hz超低頻率試驗(yàn)具有認(rèn)可的等效性，但目前0.1Hz試驗(yàn)設(shè)備的輸出電壓僅能滿(mǎn)足中壓電纜（3～35kV）的試驗(yàn)要求。國(guó)內(nèi)0.1Hz的試驗(yàn)設(shè)備還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、完善。
3.選擇試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)
3.1交流試驗(yàn)電壓國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)（適用于橡塑電纜敷設(shè)后的交接試驗(yàn)）
（1）中壓部分（3～35kV）
CIGRE SC21科技委員會(huì)推薦論文21-05號(hào)，1990年：交流試驗(yàn)電壓2U0～3U0是適當(dāng)?shù)?，能得出可靠的試?yàn)結(jié)果。
德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：VDE DIN 0276 Part 1001，1995
工頻交流電壓，2U0，45～65Hz，30min
（2）高壓部分（60～500kV）
3.2國(guó)內(nèi)外0.1Hz試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)（適用于3～35kV中壓橡塑電纜交接試驗(yàn)）
（1）德VDE DIN 0276，1995 0.1Hz，3U0，30min
（2）美《電力電纜現(xiàn)場(chǎng)0.1Hz高壓試驗(yàn)試行導(dǎo)則》，1996Ⅱ 美國(guó)不采用10kV電壓等級(jí)，【Un=10kV】一行是便于與我國(guó)比較，臨時(shí)用插入法正比例計(jì)算得到的。
3.3討論
（1）綜合國(guó)外和國(guó)內(nèi)采用的標(biāo)準(zhǔn)，在Un=60kV以下的中壓電纜（3～35kV）其交接試驗(yàn)電壓均為2U0，預(yù)試電壓用0.8×2U0＝1.6U0。
深入分析，可見(jiàn)交接和預(yù)試電壓的具體值是偏低的。它適宜于發(fā)現(xiàn)（擊穿）有絕緣缺陷和存在問(wèn)題的電纜絕緣。例如：10kV電纜的交接試驗(yàn)電壓2U0＝17.4kV,預(yù)試僅為14kV，比zui高工作線(xiàn)電壓Um＝11.5kV高出不多。這樣的電壓是不能用來(lái)檢測(cè)正常絕緣的絕緣水平的。因?yàn)檎＝^緣的絕緣水平相當(dāng)高,新電纜的出廠(chǎng)交流耐壓也是很高的。
（2）110kV及以上電壓等級(jí)則逐步降低為1.7Uo、1.4Uo，等等。說(shuō)明絕緣余度降低。另外這與電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式有關(guān)）。同樣，預(yù)試值也取0.8倍的交接值。
（3）從早期國(guó)外部分電力公司較早試用交流耐壓的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，例如加拿大安大略水電局對(duì)額定電壓13.8kV和8kV的橡塑電纜，5min的交流耐壓值也是接近2Uo。此標(biāo)準(zhǔn)用了6年（1983～1989年），認(rèn)為是合適的。這也是一種旁證，說(shuō)明我國(guó)一些地區(qū)制定的電壓標(biāo)準(zhǔn)，目前看來(lái)是比較合適的，可以試用一段時(shí)間，再總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。
（4）中壓電纜選用上述2Uo試驗(yàn)電壓，是否能滿(mǎn)足我國(guó)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)運(yùn)行中一相接地過(guò)電壓的要求？1994年廣東省在試用交流耐壓方法的初期階段，曾與華東所協(xié)作共同研討、制定試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)CIGRE第21.09工作組的導(dǎo)則（1997年）尚未發(fā)表，能參考的資料還不太多。針對(duì)系統(tǒng)發(fā)生一相接地，其他兩相對(duì)地電壓升高為線(xiàn)電壓（以zui大工作線(xiàn)電壓Um計(jì)算），暫態(tài)過(guò)電壓部分因時(shí)間短促暫不計(jì)入?？紤]加上15%的余度，即試驗(yàn)電壓取1.15Um?，F(xiàn)以10kV為例，Um＝Un×1.15＝11.5kV，一相接地時(shí)其他兩相電壓升為Um即11.5kV，加余度15%，即 1.15×Um＝1.15×11.5kV＝13.22kV。另外，從2Uo的耐壓水平觀(guān)點(diǎn)來(lái)計(jì)算，為安全計(jì)，取Um電壓下的相電壓，即2× ＝13.28kV，注意到兩個(gè)電壓值，基本相等，認(rèn)為適合采用。再看目前各地區(qū)對(duì)8.7/10kV電纜交接和預(yù)試電壓標(biāo)準(zhǔn)均取17.4kV和14kV，與廣東所取13kV接近。
（5）國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中選用電力系統(tǒng)工頻Un（或√3Uo）或相電壓Uo電源進(jìn)行試驗(yàn)（通常為24h）。著眼于較易于解決試驗(yàn)電源問(wèn)題，對(duì)超長(zhǎng)高壓電纜在沒(méi)有合適的試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)條件情況下，不失為一種解決辦法，但也存在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可行性和電網(wǎng)安全性方面的問(wèn)題。運(yùn)行部門(mén)對(duì)此尤為謹(jǐn)慎。
（6） 0.1Hz試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)時(shí)間
德、美和我國(guó)幾個(gè)地區(qū)的0.1Hz試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，都取3Uo左右，基本相同（見(jiàn)3.3節(jié)）。說(shuō)明在電壓方面觀(guān)點(diǎn)一致。不同的是在試驗(yàn)時(shí)間上，德國(guó) DIN標(biāo)準(zhǔn)選30min；美國(guó)選15min（附加說(shuō)明，如果時(shí)間延長(zhǎng)為60min，則電壓降低為0.75倍）。我國(guó)部分地區(qū)和省份，交接選60min，預(yù)試選5min。據(jù)德國(guó)1991年總結(jié)試驗(yàn)時(shí)間和電纜故障次數(shù)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)為60min后，事故次數(shù)明顯降低。
（7）歸納上述各點(diǎn)來(lái)看，30～300Hz（或其相近頻率）變頻串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)選用2Uo；0.1Hz選用3Uo，作為交接試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)是合適的。它能發(fā)現(xiàn)一般較明顯的或較嚴(yán)重的絕緣缺陷。如果選用更高一些的試驗(yàn)電壓，它有可能多發(fā)現(xiàn)一些較輕微的絕緣缺陷，但也增加了一些有輕微缺陷，但尚能繼續(xù)使用的電纜提前擊穿的危險(xiǎn)性。
zui后的判斷，應(yīng)該在試行數(shù)年后總結(jié)電纜安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上再下結(jié)論。
4.選擇試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間
4.1討論
（1）第3節(jié)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中，交流試驗(yàn)時(shí)間主要有3種：5min、30min、1h。為了取得試驗(yàn)實(shí)效，試驗(yàn)時(shí)間實(shí)際上與電壓高低密切相關(guān)。電壓高，時(shí)間可以短些；電壓低，時(shí)間需要長(zhǎng)些。
（2）過(guò)去有人對(duì)采用交流電壓對(duì)電纜作耐壓試驗(yàn)存有戒心。擔(dān)心交流電壓產(chǎn)生的局部放電損壞絕緣，降低電纜的使用壽命。產(chǎn)生局部放電的強(qiáng)弱或放電量與試驗(yàn)電壓高低和試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。因此有不少單位在施行交流耐壓初期階段，不希望選用較高的電壓，以減少局部放電；同時(shí)試驗(yàn)時(shí)間不要太長(zhǎng)，以免局部放電的積累作用，有損絕緣。
（3）國(guó)外在中壓電纜的30～300Hz（或相近頻率）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)、加拿大等國(guó)家，試驗(yàn)時(shí)間大多選用了5min；而德國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，傾向于用30min。對(duì)110kV、220kV高壓電纜，有用5min的，也有用60min的。
（4）我國(guó)處于對(duì)XLPE電纜前采用交流耐壓試驗(yàn)的初期階段,為了減少局部放電長(zhǎng)時(shí)間的積累作用，對(duì)中壓和高壓電纜建議先采用較短的試驗(yàn)時(shí)間如5min。另一方面，考慮到我國(guó)的預(yù)試體制、試驗(yàn)條件和實(shí)際可操作性，似乎較短的試驗(yàn)時(shí)間更便于推廣實(shí)施。待執(zhí)行幾年，積累一定經(jīng)驗(yàn)后，再作修訂。
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