高压交联聚乙烯绝缘电力电缆型式试验

高压交联聚乙烯绝缘电力电缆型式试验

李晓 张捷勇 梁国斌

青岛海洋电气设备检测有限公司

【摘要】高压电力电缆作为电网中电力运输的载体，其性能良好对保证电网安全稳定运行具有重要意义。为验证出厂电缆产品其绝缘系统负荷能力，对成品电缆系统及其附件进行高负荷工况模拟，进行相应的电气等类型试验。本文主要对其中局部放电、热循环电压、介质损耗角正切、雷电冲击及工频交流耐压试验原理、方法进行介绍。

【关键词】高压电力电缆型式试验试验方法

0 引言

自我国经济发展各地电力设备升级扩容，高压电力电缆作为电网系统中电力传输的传输载体，其负荷不断增长，更加考验电缆本体及其附件的运行可靠性。为加强行业产品质量管控，验证电缆产品是否满足技术规范的全部要求，需依据国家检测标准对高压电缆及其附件进行包含局部放电，热循环电压，雷电冲击以及工频交流耐压等电气试验在内的型式试验。

1、型式试验概述

为检测出厂电缆质量，确认高压电力电缆满足高压输电标准，其电缆系统具有良好的性能，需要对成品电缆系统进行电气试验，对包含电缆组件及成品电缆进行非电气试验。其中进行的一系列电气试验作为破坏性试验，要求试验人员有较高的的操作规范程度，避免因非试验原因造成的成品电缆系统损伤，对试验结果造成损伤。

2、局部放电试验

当电缆内部绝缘存在空洞、半导电层不均匀等情况出现时，电缆在外加高电场强度的作用下，缺陷处会发生局部短路现象并产生放电。局部放电现象发生时不会立即使绝缘击穿，但由于积累效应的存在，局部放电过程中产生的高能量电弧、电晕以及腐蚀性气体等会不断降低绝缘的介电性能，最终使其失效击穿，产生严重的安全隐患。局部放电试验依据国家标准GB/T 3048.12—进行，为屏蔽外界干扰，应在全屏蔽室内进行，由于多数被试品如电力电缆、变压器、套管、SF6断路器等呈容性且一般数值较大，需要较大容量的试验电源和设备提供激励，串联谐振系统因波形失真度小，其畸变率低，能够抑制高次谐波，改善试验电源波形，有利于减少背景噪声等优点，广泛应用于试验电源[4]。其系统由变频开关电源， 电抗器，励磁变压器，补偿电容器和电容分压装置等构成，其中的可调电抗器与被试品等组成R-L-C串联电路，调整电抗器连入电路的部分实现电路谐振，使施加在试品上的电压达到最大。RLC串联电路及较常使用的串联谐振回路,回路复阻抗可表示为：

          （1）

式中：R为电阻，L为电感，C为电容，Z为总阻抗，XL为感抗，XC为容抗。

当电路发生串联谐振时，XL=XC，此时电感两端电压与电容两端电压大小相同、相位相反，电路呈纯阻性状态，回路中电流与电压同相位且施加在试品电缆两端的电压为最大值。高压端电压与串联谐振电路品质因数可表示为式：

                                  （2）

式中：U为高压谐振系统输出电压；Um为激励变压器输出电压；Q为品质因数。

当回路中的电信号通过耦合电容器后送入输入单元与检测仪器中，通过使用通过局部放电检测仪等方式分析信号可测得试验过程中的局部放电水平，观察信号波形可判断局放类型。

3、 介质损耗角正切试验

介质损耗角正切（tanδ）值作为介质损耗程度的量化指标, 是电力电缆试验中一种较为有效的绝缘性能试验，在电气工程中具有重要意义。绝缘损耗会引起介质损耗发热，因此要求高压电缆绝缘具有极小的介质损耗角正切值。其引起的功率损耗可以表示为：

                   （3）

式中：P为绝缘介质中的绝缘损耗。IR为流过电阻的有功电流。IC为流过电容的无功电流。U为加在被试品上的交流电压。ω为电源角频率。

若电缆绝缘系统性能良好，其tanδ不随电压的升高而发生明显变化。若绝缘系统内部存在缺陷，则tanδ将随电压的升高而升高。电缆介质损耗角正切值试验对于检测绝缘受潮、老化或绝缘中存在气隙等缺陷较为灵敏。

试验程序按照GB/T 3048.8进行，使用串联谐振系统提供工频交流电压，同时使用标准电容器及西林电桥测量tanδ值，检测方式多采用QS1型高压西林电桥，其检测原理如图所示：

图3 Q1型高压西林电桥检测原理图

当电桥平衡时，流过检流计的电流Ig=0，此时

                       （4）

西林电桥桥臂复数阻抗平衡，此时被试品电容及其tanδ可表示为：

                      （5）

试验过程中，为提高测量精度，可在被试样的端部开切保护环，按试验规定连接高压与接地，测量时电压从不高于试验电压40%开始，缓慢升至规定电压值，进行电桥平衡并测量tanδ值。测量结束后，电压降低至所规定的测试电压的40%后，再切断电源，最后将检流计灵敏度调至最低值。

4、 热循环电压试验

在电缆的实际运行过程中，由于载流量的限制以及通风条件较差等原因，在电缆运行时导体温度将不断升高，当电缆导体温度长时间接近或超过最大允许温度（

90℃）时，在温度场、电场等复合场的作用下会催生出水树枝及电树枝，破坏绝缘结构，加速绝缘的老化进程。随用电量增多，高压电缆负荷不断升高，热循环电压试验作为模拟高压电缆高负荷工况的一项试验，对检验高压电缆绝缘系统电压耐受能力具有重要意义。

依据电磁感应定律：

                                     （6）

试验过程中，由穿心式变压器充当一次侧，闭合的试样电缆回路充当二次侧，当电源系统提供大电压时，在二次侧感应出大电流。

电缆阻抗的存在会使电缆温度不断升高，至导体温度超过其正常运行的最大导体温度5K~10K（交联聚乙烯绝缘电缆正常运行的最大温度为90K），每个加热周期至少8h，在加热期内，导体温度保持在上述温度范围至少2h，随后自然冷却至少16h，全过程内在电缆上施加2U0，测试电缆绝缘在高温条件下对高电压的负荷能力。

由于需要对电缆导体温度进行监控且不能破坏电缆的完整性， 因此一般选择使用一段较短的相同电缆作为试验的模拟回路，由模拟回路的温度表征试验回路温度。

根据试验标准，在模拟回路上开窗至导体表面，并在开窗位置导体、表面以及两侧各1m位置通过布置热电偶等方式感知模拟回路导体以及电缆表面温度。同时在试验回路电缆表面布置相同数量的热电偶。

5、交流耐压试验

交流耐压试验作为电缆最重要的电气试验项目之一，为尽可能模拟电缆在真实运行条件下的工况，应使用试验变压器或串联谐振装置产生高于电缆实际运行条件的工频交流电压值。

在电压值固定的基础上，绝缘的耐受能力与持续时间成反比，对试样耐压时间过短容易忽略绝缘存在的缺陷，耐压时间过长则容易造成绝缘击穿，根据GB/T 3048.8—2007，对试样电缆施加电压值及持续时间应按照产品标准规定进行，电源系统施加电压值应从低于试验电压值40%开始，缓慢升至试验电压值70%后，以每秒2%的速率升压，试验电压保持规定时间后，电压值降至40%后，才允许切断试验电源。

6、雷电冲击试验

自然界雷电现象作为一种超长气隙放电，会在高压电力电缆上产生很高的电压。作为检验高压电缆遭受雷电冲击时的绝缘耐受性能的测试，雷电冲击试验波形具有频带宽、上升速度快、持续时间短等特点，其试验系统组成如图所示：

图4 雷电冲击试验系统组成

单级冲击电压发生器能够达到的电压峰值一般为200~300kV，因此多采用多级冲击电压发生器并联充电，串联放电的方式得到更高的电压，多级冲击发生器的原理图如图所示：

图5 多级冲击电压发生器原理图

云地闪作为从云端向地面放电的形式，在其中最为常见且可分为正闪和负闪，须在试验过程中分别对试品绝缘系统进行正负极性试验。

7、结束语

型式试验作为检验高压电力电缆是否能够安全稳定运行的重要手段，其中的电气试验为检验其绝缘系统质量提供了较为严格的方法。通过型式试验中的电气试验，可以有效协助制造方发现绝缘系统缺陷，进行技术革新等。

参考文献

[1]王贤湖,张正,周杰.高压电力电缆试验方法与检测技术分析[J].大众标准化,2022,(23):186-188.

[2]冉勇.箱式变电站及变压器雷电冲击试验浅析[J].电器工业,2024,(04):11-14+65.

[3]曹宁,赵岩,向超,.海底电缆交流耐压试验工程实践与应用[J].船舶工程,2023,(S1):120-123.

[4]林开彪,.串联谐振原理在电力设备交流耐压试验的应用[J].光源与照明,2022,(10):143-145.

作者简介： 李晓（1996-）， 男， 汉族 ，山东省青岛市，毕业于哈尔滨理工大学电气工程专业， 检测工程师，现在青岛海洋电气设备

检测有限公司 工作。