35 kV及以下XLPE電力電纜試驗(yàn)方法的研究
1 引言
交鏈聚乙烯（XLPE）電力電纜絕緣介質(zhì)的體積電阻率很高，在1017Ω·m以上。在直流電場(chǎng)作用下容易產(chǎn)生和聚集空間電荷，使得XLPE介質(zhì)中局部缺陷處（如制造過(guò)程不可避免的氣隙、雜質(zhì)或運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的水樹枝等缺陷）的電場(chǎng)發(fā)生畸變，局部電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增至10倍以上，約30 kV／mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)XLPE介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)而導(dǎo)致介質(zhì)局部擊穿，形成介質(zhì)樹枝狀不可逆早期劣化，甚至發(fā)生擊穿故障。另一方面，當(dāng)直流電場(chǎng)移去后，介質(zhì)中已經(jīng)形成的空間電荷受介質(zhì)高電阻的限制不能在短時(shí)期內(nèi)泄漏，在介質(zhì)局部形成空間電荷附加電場(chǎng)。當(dāng)附加電場(chǎng)與外施工頻電場(chǎng)迭加成為很高的局部電場(chǎng)時(shí)，可能迅速擊穿XLPE介質(zhì)。這些現(xiàn)象在XLPE電力電纜直流耐壓試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常發(fā)生，如直流耐壓試驗(yàn)合格的電纜線路正常送電后不久就發(fā)生擊穿故障。
80年代初期，人們發(fā)現(xiàn)XLPE電力電纜在直流電場(chǎng)作用下，空間電荷的附加電場(chǎng)效應(yīng)加強(qiáng)了水樹枝尖端處的電場(chǎng)而引發(fā)介質(zhì)局部放電，釋放大量高能帶電粒子，不斷地轟擊水樹枝端部和水樹枝通道壁的介質(zhì)分子鏈段，使得介質(zhì)分子鏈段斷鏈、降解，水樹枝快速轉(zhuǎn)變成為電樹枝，加速了XLPE電力電纜絕緣性能早期劣化［1］，大大縮短了電纜的運(yùn)行壽命。一些電纜使用量較大的發(fā)達(dá)國(guó)家在XLPE電力電纜的預(yù)防性試驗(yàn)中均取消了直流耐壓試驗(yàn)，相繼推出振蕩波電壓試驗(yàn)、 0．1 Hz超低頻電壓試驗(yàn)和工頻電壓試驗(yàn)方法［2～5］。90年代后期，我國(guó)重新修編了電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中有關(guān)電纜預(yù)防性試驗(yàn)方法的規(guī)定，也不再推薦直流耐壓試驗(yàn)。
德國(guó)、奧地利、美國(guó)和日本等國(guó)家早在80年代中期，就著手對(duì)運(yùn)行中的XLPE電力電纜采用超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)作為發(fā)現(xiàn)電纜運(yùn)行絕緣缺陷的無(wú)損試驗(yàn)手段，開展了大量試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究工作。德國(guó)發(fā)電廠聯(lián)合會(huì)（VDEW）和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議第21．09工作組（CIGREWorking Group 21．09）研究報(bào)告表明：超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)仍是推薦用于中壓XLPE絕緣的電力電纜試驗(yàn)。一方面該試驗(yàn)不會(huì)在電纜XLPE絕緣中聚集空間電荷，畸變局部電場(chǎng)，另一方面能夠在較低的試驗(yàn)電壓下發(fā)現(xiàn)電纜絕緣水樹枝老化等缺陷，故其對(duì)XLPE絕緣的損害程度較小［2～5］。
我國(guó)從1996年開始，部分城市如上海、煙臺(tái)、北京等已逐步采用超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)并結(jié)合超低頻（0．1 Hz）電壓下電纜絕緣介質(zhì)的介損（tgδ）測(cè)量作為發(fā)現(xiàn)電纜運(yùn)行絕緣缺陷的無(wú)損試驗(yàn)手段，同時(shí)相繼開展對(duì)超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)的有效性研究。
對(duì)于超低頻（0．1 Hz）電源下進(jìn)行局部放電試驗(yàn)或介質(zhì)損耗試驗(yàn)的延伸研究工作成果，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道較多，然而關(guān)于超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)的有效性以及超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)與工頻耐壓試驗(yàn)的等效性的研究結(jié)果不多，也是人們極為關(guān)注和激烈爭(zhēng)論的焦點(diǎn)［6］。
本文通過(guò)對(duì)存在人為絕緣缺陷的XLPE電力電纜試品進(jìn)行工頻電壓、振蕩波電壓和超低頻電壓進(jìn)行平行比對(duì)試驗(yàn)，來(lái)研究這3種試驗(yàn)方法作為早期發(fā)現(xiàn)、判別XLPE電力電纜運(yùn)行事故隱患的有效性和可行性。
2 試驗(yàn)研究
平行比對(duì)試驗(yàn)方法研究是基于以下2個(gè)條件進(jìn)行的：①XLPE電力電纜存在制造質(zhì)量缺陷和施工質(zhì)量缺陷；②XLPE電力電纜運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)暴露出所存在的水樹枝早期老化的缺陷。通過(guò)對(duì)同一缺陷電纜試品分別進(jìn)行工頻電壓、0．1 Hz超低頻電壓和5～6 kHz振蕩波電壓試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比來(lái)發(fā)現(xiàn)和判別電纜缺陷。
2．1 試品制備
將在YJV－8．7／15 3×185電纜上人為制造缺陷以模擬電纜在制造、施工和運(yùn)行中的絕緣品質(zhì)缺陷以及從運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)取回的已投運(yùn)12年有嚴(yán)重缺陷的YJV22－8．7／15 3×185電纜做為試品，見表1。
2．2 試驗(yàn)
試驗(yàn)前，將試品S1、S2、S3、S4去掉外護(hù)套，各分成3只狀況相同的試樣，試樣2端均用硅橡膠預(yù)制終端，分別編號(hào)為：S1a、S1b、 S1c，S2a、S2b、S2c，…，S4a、S4b、S4c共12只試樣；同上，將試品S5去掉外護(hù)套，分成S5a、S5b、…、S5l，共12只試樣。
對(duì)同一編號(hào)試品的3只試樣分別進(jìn)行工頻電壓擊穿試驗(yàn)、0．1 Hz超低頻電壓擊穿試驗(yàn)和5～6 kHz振蕩波電壓擊穿試驗(yàn)。每擊穿1次，在擊穿點(diǎn)位置做一假接頭，再進(jìn)行同一電壓波形的擊穿試驗(yàn)。超低頻法和振蕩波法的試驗(yàn)電路如圖1所示。
圖1中，Rp為保護(hù)電阻；R1、R2組成電阻分壓器；CRT為示波器；R3為阻尼電阻；L為可調(diào)節(jié)電感；S．G為點(diǎn)火球隙。
根據(jù)試品電纜的電容量Cx和調(diào)節(jié)電感L值，由公式f=1/2π√LCx和α=R3/2√LCx計(jì)算得到振蕩波的頻率f和阻尼系數(shù)α。
2．3 試驗(yàn)結(jié)果
3種試驗(yàn)方法的擊穿電壓見表2、表3和表4。
3 分析與討論
直流電場(chǎng)的空間電荷畸變絕緣介質(zhì)局部電場(chǎng)已是不爭(zhēng)的事實(shí)，當(dāng)總空間電荷q集中分布在介質(zhì)中x處時(shí)，符合泊松方程：Ect－E＝q／（ε0ε），其中 Ect為介質(zhì)中x處局部場(chǎng)強(qiáng)，E為介質(zhì)中性體場(chǎng)強(qiáng)。空間電荷q可由空間電荷聚集率dq／dt＝γηE求得，其中γ為介質(zhì)電導(dǎo)率；η為介質(zhì)放電前的傳輸電荷分?jǐn)?shù)。當(dāng)Ect大于介質(zhì)局部擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，介質(zhì)絕緣性能將明顯下降。
從表2的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，介質(zhì)交變電場(chǎng)擊穿電壓受缺陷的影響較大。缺陷電纜試樣的工頻擊穿電壓下降的幅度很大，只有正常電纜擊穿電壓的30％～60％，主要表現(xiàn)出聚合物介質(zhì)電機(jī)械應(yīng)力擊穿。設(shè)介質(zhì)的彈性模量為Y,對(duì)介質(zhì)施加交變電場(chǎng)E時(shí),介質(zhì)中麥克斯韋應(yīng)力f為:f=ε0εE2/2 。當(dāng)電場(chǎng)應(yīng)力f引起介質(zhì)的形變△h大于介質(zhì)彈性范圍時(shí)，該介質(zhì)發(fā)生機(jī)械疲勞直至電機(jī)械擊穿。電機(jī)械擊穿的臨界條件為：EB∝[Y/（ε0ε）]1/2，即介質(zhì)擊穿的臨界條件 EB與介質(zhì)的彈性模量Y成正比變化，而XLPE介質(zhì)的彈性模量相對(duì)較低，由此可以推論，較低的工頻電壓能有效地發(fā)現(xiàn)絕緣介質(zhì)缺陷。
一般情況下，XLPE電力電纜受潮或存在水樹枝早期劣化缺陷時(shí)不容易用短時(shí)間的試驗(yàn)來(lái)判別，過(guò)去采用直流泄漏電流大小和三相平衡系數(shù)的方法判斷。但是，表面泄漏電流往往極大于絕緣介質(zhì)極化電流和電導(dǎo)電流，因此，時(shí)常掩蓋了電纜實(shí)際絕緣狀態(tài)真相而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。表3和表4的試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣 S2和S4的人為缺陷是模擬電纜在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受潮和存在水樹枝狀態(tài)，由于在進(jìn)潮處理后再安裝電纜終端，表面泄漏電流較小，此時(shí)外施超低頻電壓，介質(zhì)中的水分子極化過(guò)程能夠跟上外施電場(chǎng)變化，介質(zhì)電導(dǎo)受雜質(zhì)離子電導(dǎo)、水分極化和介質(zhì)電子電導(dǎo)、電機(jī)械應(yīng)力等因子協(xié)同作用，宏觀表現(xiàn)出擊穿電壓較低，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ec近似遵循集合電子理論：ln Ec＝常數(shù)＋ΔV／（2kT）的變化規(guī)律，其中ΔV為介質(zhì)能帶中雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)態(tài)的寬度；k為波爾滋曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。
同理，外施高頻振蕩波電壓時(shí)，介質(zhì)中的水分子極化過(guò)程來(lái)不及跟上電場(chǎng)變化，介質(zhì)主要受電子電導(dǎo)因子作用，宏觀表現(xiàn)為其擊穿電壓較高。試樣S1和S3主要模擬XLPE介質(zhì)中存在雜質(zhì)和氣隙以及施工過(guò)程中的絕緣損傷，可以近似地認(rèn)為是固固或固氣復(fù)合介質(zhì)，當(dāng)外施電場(chǎng)頻率較高時(shí)，復(fù)合介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)將按其介電系數(shù)分布，氣隙和雜質(zhì)處電場(chǎng)較高，首先引起局部放電，介質(zhì)局部擊穿，且局部擊穿電壓與電場(chǎng)頻率成反比。當(dāng)電壓逐步升高到能夠維持局部放電時(shí)，介質(zhì)表現(xiàn)為宏觀電熱擊穿。
試樣S5是運(yùn)行12年后退役的電纜試品，將介質(zhì)切片、染色后在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)大量水樹枝。人為制造缺陷并進(jìn)行直流電壓試驗(yàn)、工頻電壓試驗(yàn)、 0．1 Hz超低頻電壓試驗(yàn)和5～8 kHz振蕩波電壓試驗(yàn)，以驗(yàn)證其與工頻電壓試驗(yàn)的等效性K＝Ux／Uac，結(jié)果列于表5。
在電纜介質(zhì)中，直流電場(chǎng)按電阻率分布，交變電場(chǎng)按介電系數(shù)分布。比較表5的結(jié)果，直流擊穿電壓試驗(yàn)的K值因電纜缺陷類型差異而在較大的范圍（2．6～4．3）內(nèi)變化。這是由于電纜介質(zhì)中缺陷的介電系數(shù)變化梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻率變化梯度，同一類型缺陷介質(zhì)的直流擊穿電壓是工頻擊穿電壓的2倍以上。如果在直流電壓試驗(yàn)時(shí)選取K＝2．6，則電纜的切痕缺陷、針尖缺陷或尖端缺陷不易被發(fā)現(xiàn)；如果選取K＝4．3，則有可能因很高的直流電場(chǎng)向電纜介質(zhì)中注入或聚集大量的空間電荷而損傷電纜介質(zhì)。因此，直流電場(chǎng)不能有效地發(fā)現(xiàn)電纜介質(zhì)中存在的缺陷。
振蕩波電壓試驗(yàn)的K值分布較為均勻（1．1～1．5），表明其能夠較全面地發(fā)現(xiàn)電纜介質(zhì)缺陷并與工頻電壓試驗(yàn)的等效性相對(duì)較好，特別是對(duì)切痕缺陷敏感（K＝1．1），可作為電纜竣工后的交接試驗(yàn)方法之一。
超低頻電壓試驗(yàn)的K值因缺陷類型不同而在1．2～2．6范圍內(nèi)變化，與工頻電壓試驗(yàn)的等效性還有待作更深入的研究。但該試驗(yàn)方法的突出特點(diǎn)是能夠有效地發(fā)現(xiàn)電纜介質(zhì)的進(jìn)潮和水樹枝缺陷（K＝1．2），而實(shí)際運(yùn)行中的XLPE絕緣電纜最常見的早期絕緣性能劣化現(xiàn)象就是電纜介質(zhì)樹枝狀老化或進(jìn)潮。相對(duì)來(lái)說(shuō)，該方法更適合于作為XLPE絕緣電纜的預(yù)防性試驗(yàn)方法。
工頻電壓試驗(yàn)當(dāng)然是理想的試驗(yàn)方法（K＝1），但是，由于XLPE絕緣電力電纜的電容量較大，特別是高壓電纜試驗(yàn)，要求工頻試驗(yàn)設(shè)備的容量較大，設(shè)備的體積和重量很大，不便于運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。目前，人們努力通過(guò)利用多種調(diào)感方式或變頻方法與電纜的電容產(chǎn)生諧振來(lái)獲取接近工頻的高電壓，以求減小試驗(yàn)設(shè)備體積、減輕重量。
相對(duì)工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備來(lái)說(shuō)，振蕩波電壓或超低頻電壓試驗(yàn)設(shè)備的容量、重量和體積可大幅減小。但是，到目前為止，超低頻電壓試驗(yàn)設(shè)備的輸出電壓不高，只能用于配電系統(tǒng)電力電纜試驗(yàn)，且與工頻電壓的等效性還要做進(jìn)一步研究。振蕩波電壓試驗(yàn)設(shè)備相對(duì)較容易實(shí)現(xiàn)，采用現(xiàn)有的直流電源和能夠調(diào)節(jié)電感量的電抗器即可完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，需要解決的問(wèn)題仍然是其與工頻電壓等效性研究［5］。與此同時(shí)，0．1 Hz超低頻電壓和kHz振蕩波電壓下局部放電測(cè)量系統(tǒng)和介質(zhì)損耗測(cè)量系統(tǒng)也正在研究之中，以求做到既不損傷電纜絕緣，又能簡(jiǎn)便地發(fā)現(xiàn)電纜絕緣缺陷，進(jìn)一步減小設(shè)備體積、減輕設(shè)備重量，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的需要。
4 結(jié)論
（1）工頻電壓試驗(yàn)?zāi)軌蛉妗⒄鎸?shí)地發(fā)現(xiàn)XLPE電纜缺陷和運(yùn)行故障隱患，可應(yīng)用于XLPE電力電纜竣工試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)，特別是110 kV及以上電壓等級(jí)的XLPE絕緣電力電纜竣工試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)。但是，如何減小工頻電壓發(fā)生器的體積和重量需做更深入的研究。
（2）0．1 Hz超低頻電壓試驗(yàn)?zāi)軌蛟谳^低的電壓下有效地發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣電力電纜受潮和存在水樹枝運(yùn)行缺陷，可以作為配電系統(tǒng)XLPE絕緣電力電纜預(yù)防性試驗(yàn)方法。
（3）kHz振蕩波電壓試驗(yàn)?zāi)軌蛟谳^低的電壓下有效地發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣電力電纜制造質(zhì)量缺陷和施工質(zhì)量缺陷，推薦作為XLPE絕緣電力電纜竣工試驗(yàn)方法。
參考文獻(xiàn)：
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［2］ Katsumi Uchida，et al．Study on detection for the defects ofXLPEcable lines［J］．IEEE Transactions on Delivery，1996，11（2）．
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［4］ DIN VDE0276－1001，1995．
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［6］ 李祥忠．0．1Hz下電纜介損測(cè)量技術(shù)的進(jìn)展［J］．廣東電力，1998,（6）.
交鏈聚乙烯（XLPE）電力電纜絕緣介質(zhì)的體積電阻率很高，在1017Ω·m以上。在直流電場(chǎng)作用下容易產(chǎn)生和聚集空間電荷，使得XLPE介質(zhì)中局部缺陷處（如制造過(guò)程不可避免的氣隙、雜質(zhì)或運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的水樹枝等缺陷）的電場(chǎng)發(fā)生畸變，局部電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增至10倍以上，約30 kV／mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)XLPE介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)而導(dǎo)致介質(zhì)局部擊穿，形成介質(zhì)樹枝狀不可逆早期劣化，甚至發(fā)生擊穿故障。另一方面，當(dāng)直流電場(chǎng)移去后，介質(zhì)中已經(jīng)形成的空間電荷受介質(zhì)高電阻的限制不能在短時(shí)期內(nèi)泄漏，在介質(zhì)局部形成空間電荷附加電場(chǎng)。當(dāng)附加電場(chǎng)與外施工頻電場(chǎng)迭加成為很高的局部電場(chǎng)時(shí)，可能迅速擊穿XLPE介質(zhì)。這些現(xiàn)象在XLPE電力電纜直流耐壓試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常發(fā)生，如直流耐壓試驗(yàn)合格的電纜線路正常送電后不久就發(fā)生擊穿故障。
80年代初期，人們發(fā)現(xiàn)XLPE電力電纜在直流電場(chǎng)作用下，空間電荷的附加電場(chǎng)效應(yīng)加強(qiáng)了水樹枝尖端處的電場(chǎng)而引發(fā)介質(zhì)局部放電，釋放大量高能帶電粒子，不斷地轟擊水樹枝端部和水樹枝通道壁的介質(zhì)分子鏈段，使得介質(zhì)分子鏈段斷鏈、降解，水樹枝快速轉(zhuǎn)變成為電樹枝，加速了XLPE電力電纜絕緣性能早期劣化［1］，大大縮短了電纜的運(yùn)行壽命。一些電纜使用量較大的發(fā)達(dá)國(guó)家在XLPE電力電纜的預(yù)防性試驗(yàn)中均取消了直流耐壓試驗(yàn)，相繼推出振蕩波電壓試驗(yàn)、 0．1 Hz超低頻電壓試驗(yàn)和工頻電壓試驗(yàn)方法［2～5］。90年代后期，我國(guó)重新修編了電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中有關(guān)電纜預(yù)防性試驗(yàn)方法的規(guī)定，也不再推薦直流耐壓試驗(yàn)。
德國(guó)、奧地利、美國(guó)和日本等國(guó)家早在80年代中期，就著手對(duì)運(yùn)行中的XLPE電力電纜采用超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)作為發(fā)現(xiàn)電纜運(yùn)行絕緣缺陷的無(wú)損試驗(yàn)手段，開展了大量試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究工作。德國(guó)發(fā)電廠聯(lián)合會(huì)（VDEW）和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議第21．09工作組（CIGREWorking Group 21．09）研究報(bào)告表明：超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)仍是推薦用于中壓XLPE絕緣的電力電纜試驗(yàn)。一方面該試驗(yàn)不會(huì)在電纜XLPE絕緣中聚集空間電荷，畸變局部電場(chǎng)，另一方面能夠在較低的試驗(yàn)電壓下發(fā)現(xiàn)電纜絕緣水樹枝老化等缺陷，故其對(duì)XLPE絕緣的損害程度較小［2～5］。
我國(guó)從1996年開始，部分城市如上海、煙臺(tái)、北京等已逐步采用超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)并結(jié)合超低頻（0．1 Hz）電壓下電纜絕緣介質(zhì)的介損（tgδ）測(cè)量作為發(fā)現(xiàn)電纜運(yùn)行絕緣缺陷的無(wú)損試驗(yàn)手段，同時(shí)相繼開展對(duì)超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)的有效性研究。
對(duì)于超低頻（0．1 Hz）電源下進(jìn)行局部放電試驗(yàn)或介質(zhì)損耗試驗(yàn)的延伸研究工作成果，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道較多，然而關(guān)于超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)的有效性以及超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗(yàn)與工頻耐壓試驗(yàn)的等效性的研究結(jié)果不多，也是人們極為關(guān)注和激烈爭(zhēng)論的焦點(diǎn)［6］。
本文通過(guò)對(duì)存在人為絕緣缺陷的XLPE電力電纜試品進(jìn)行工頻電壓、振蕩波電壓和超低頻電壓進(jìn)行平行比對(duì)試驗(yàn)，來(lái)研究這3種試驗(yàn)方法作為早期發(fā)現(xiàn)、判別XLPE電力電纜運(yùn)行事故隱患的有效性和可行性。
2 試驗(yàn)研究
平行比對(duì)試驗(yàn)方法研究是基于以下2個(gè)條件進(jìn)行的：①XLPE電力電纜存在制造質(zhì)量缺陷和施工質(zhì)量缺陷；②XLPE電力電纜運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)暴露出所存在的水樹枝早期老化的缺陷。通過(guò)對(duì)同一缺陷電纜試品分別進(jìn)行工頻電壓、0．1 Hz超低頻電壓和5～6 kHz振蕩波電壓試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比來(lái)發(fā)現(xiàn)和判別電纜缺陷。
2．1 試品制備
將在YJV－8．7／15 3×185電纜上人為制造缺陷以模擬電纜在制造、施工和運(yùn)行中的絕緣品質(zhì)缺陷以及從運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)取回的已投運(yùn)12年有嚴(yán)重缺陷的YJV22－8．7／15 3×185電纜做為試品，見表1。
2．2 試驗(yàn)
試驗(yàn)前，將試品S1、S2、S3、S4去掉外護(hù)套，各分成3只狀況相同的試樣，試樣2端均用硅橡膠預(yù)制終端，分別編號(hào)為：S1a、S1b、 S1c，S2a、S2b、S2c，…，S4a、S4b、S4c共12只試樣；同上，將試品S5去掉外護(hù)套，分成S5a、S5b、…、S5l，共12只試樣。
對(duì)同一編號(hào)試品的3只試樣分別進(jìn)行工頻電壓擊穿試驗(yàn)、0．1 Hz超低頻電壓擊穿試驗(yàn)和5～6 kHz振蕩波電壓擊穿試驗(yàn)。每擊穿1次，在擊穿點(diǎn)位置做一假接頭，再進(jìn)行同一電壓波形的擊穿試驗(yàn)。超低頻法和振蕩波法的試驗(yàn)電路如圖1所示。
圖1中，Rp為保護(hù)電阻；R1、R2組成電阻分壓器；CRT為示波器；R3為阻尼電阻；L為可調(diào)節(jié)電感；S．G為點(diǎn)火球隙。
根據(jù)試品電纜的電容量Cx和調(diào)節(jié)電感L值，由公式f=1/2π√LCx和α=R3/2√LCx計(jì)算得到振蕩波的頻率f和阻尼系數(shù)α。
2．3 試驗(yàn)結(jié)果
3種試驗(yàn)方法的擊穿電壓見表2、表3和表4。
3 分析與討論
直流電場(chǎng)的空間電荷畸變絕緣介質(zhì)局部電場(chǎng)已是不爭(zhēng)的事實(shí)，當(dāng)總空間電荷q集中分布在介質(zhì)中x處時(shí)，符合泊松方程：Ect－E＝q／（ε0ε），其中 Ect為介質(zhì)中x處局部場(chǎng)強(qiáng)，E為介質(zhì)中性體場(chǎng)強(qiáng)。空間電荷q可由空間電荷聚集率dq／dt＝γηE求得，其中γ為介質(zhì)電導(dǎo)率；η為介質(zhì)放電前的傳輸電荷分?jǐn)?shù)。當(dāng)Ect大于介質(zhì)局部擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，介質(zhì)絕緣性能將明顯下降。
從表2的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，介質(zhì)交變電場(chǎng)擊穿電壓受缺陷的影響較大。缺陷電纜試樣的工頻擊穿電壓下降的幅度很大，只有正常電纜擊穿電壓的30％～60％，主要表現(xiàn)出聚合物介質(zhì)電機(jī)械應(yīng)力擊穿。設(shè)介質(zhì)的彈性模量為Y,對(duì)介質(zhì)施加交變電場(chǎng)E時(shí),介質(zhì)中麥克斯韋應(yīng)力f為:f=ε0εE2/2 。當(dāng)電場(chǎng)應(yīng)力f引起介質(zhì)的形變△h大于介質(zhì)彈性范圍時(shí)，該介質(zhì)發(fā)生機(jī)械疲勞直至電機(jī)械擊穿。電機(jī)械擊穿的臨界條件為：EB∝[Y/（ε0ε）]1/2，即介質(zhì)擊穿的臨界條件 EB與介質(zhì)的彈性模量Y成正比變化，而XLPE介質(zhì)的彈性模量相對(duì)較低，由此可以推論，較低的工頻電壓能有效地發(fā)現(xiàn)絕緣介質(zhì)缺陷。
一般情況下，XLPE電力電纜受潮或存在水樹枝早期劣化缺陷時(shí)不容易用短時(shí)間的試驗(yàn)來(lái)判別，過(guò)去采用直流泄漏電流大小和三相平衡系數(shù)的方法判斷。但是，表面泄漏電流往往極大于絕緣介質(zhì)極化電流和電導(dǎo)電流，因此，時(shí)常掩蓋了電纜實(shí)際絕緣狀態(tài)真相而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。表3和表4的試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣 S2和S4的人為缺陷是模擬電纜在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受潮和存在水樹枝狀態(tài)，由于在進(jìn)潮處理后再安裝電纜終端，表面泄漏電流較小，此時(shí)外施超低頻電壓，介質(zhì)中的水分子極化過(guò)程能夠跟上外施電場(chǎng)變化，介質(zhì)電導(dǎo)受雜質(zhì)離子電導(dǎo)、水分極化和介質(zhì)電子電導(dǎo)、電機(jī)械應(yīng)力等因子協(xié)同作用，宏觀表現(xiàn)出擊穿電壓較低，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ec近似遵循集合電子理論：ln Ec＝常數(shù)＋ΔV／（2kT）的變化規(guī)律，其中ΔV為介質(zhì)能帶中雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)態(tài)的寬度；k為波爾滋曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。
同理，外施高頻振蕩波電壓時(shí)，介質(zhì)中的水分子極化過(guò)程來(lái)不及跟上電場(chǎng)變化，介質(zhì)主要受電子電導(dǎo)因子作用，宏觀表現(xiàn)為其擊穿電壓較高。試樣S1和S3主要模擬XLPE介質(zhì)中存在雜質(zhì)和氣隙以及施工過(guò)程中的絕緣損傷，可以近似地認(rèn)為是固固或固氣復(fù)合介質(zhì)，當(dāng)外施電場(chǎng)頻率較高時(shí)，復(fù)合介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)將按其介電系數(shù)分布，氣隙和雜質(zhì)處電場(chǎng)較高，首先引起局部放電，介質(zhì)局部擊穿，且局部擊穿電壓與電場(chǎng)頻率成反比。當(dāng)電壓逐步升高到能夠維持局部放電時(shí)，介質(zhì)表現(xiàn)為宏觀電熱擊穿。
試樣S5是運(yùn)行12年后退役的電纜試品，將介質(zhì)切片、染色后在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)大量水樹枝。人為制造缺陷并進(jìn)行直流電壓試驗(yàn)、工頻電壓試驗(yàn)、 0．1 Hz超低頻電壓試驗(yàn)和5～8 kHz振蕩波電壓試驗(yàn)，以驗(yàn)證其與工頻電壓試驗(yàn)的等效性K＝Ux／Uac，結(jié)果列于表5。
在電纜介質(zhì)中，直流電場(chǎng)按電阻率分布，交變電場(chǎng)按介電系數(shù)分布。比較表5的結(jié)果，直流擊穿電壓試驗(yàn)的K值因電纜缺陷類型差異而在較大的范圍（2．6～4．3）內(nèi)變化。這是由于電纜介質(zhì)中缺陷的介電系數(shù)變化梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻率變化梯度，同一類型缺陷介質(zhì)的直流擊穿電壓是工頻擊穿電壓的2倍以上。如果在直流電壓試驗(yàn)時(shí)選取K＝2．6，則電纜的切痕缺陷、針尖缺陷或尖端缺陷不易被發(fā)現(xiàn)；如果選取K＝4．3，則有可能因很高的直流電場(chǎng)向電纜介質(zhì)中注入或聚集大量的空間電荷而損傷電纜介質(zhì)。因此，直流電場(chǎng)不能有效地發(fā)現(xiàn)電纜介質(zhì)中存在的缺陷。
振蕩波電壓試驗(yàn)的K值分布較為均勻（1．1～1．5），表明其能夠較全面地發(fā)現(xiàn)電纜介質(zhì)缺陷并與工頻電壓試驗(yàn)的等效性相對(duì)較好，特別是對(duì)切痕缺陷敏感（K＝1．1），可作為電纜竣工后的交接試驗(yàn)方法之一。
超低頻電壓試驗(yàn)的K值因缺陷類型不同而在1．2～2．6范圍內(nèi)變化，與工頻電壓試驗(yàn)的等效性還有待作更深入的研究。但該試驗(yàn)方法的突出特點(diǎn)是能夠有效地發(fā)現(xiàn)電纜介質(zhì)的進(jìn)潮和水樹枝缺陷（K＝1．2），而實(shí)際運(yùn)行中的XLPE絕緣電纜最常見的早期絕緣性能劣化現(xiàn)象就是電纜介質(zhì)樹枝狀老化或進(jìn)潮。相對(duì)來(lái)說(shuō)，該方法更適合于作為XLPE絕緣電纜的預(yù)防性試驗(yàn)方法。
工頻電壓試驗(yàn)當(dāng)然是理想的試驗(yàn)方法（K＝1），但是，由于XLPE絕緣電力電纜的電容量較大，特別是高壓電纜試驗(yàn)，要求工頻試驗(yàn)設(shè)備的容量較大，設(shè)備的體積和重量很大，不便于運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。目前，人們努力通過(guò)利用多種調(diào)感方式或變頻方法與電纜的電容產(chǎn)生諧振來(lái)獲取接近工頻的高電壓，以求減小試驗(yàn)設(shè)備體積、減輕重量。
相對(duì)工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備來(lái)說(shuō)，振蕩波電壓或超低頻電壓試驗(yàn)設(shè)備的容量、重量和體積可大幅減小。但是，到目前為止，超低頻電壓試驗(yàn)設(shè)備的輸出電壓不高，只能用于配電系統(tǒng)電力電纜試驗(yàn)，且與工頻電壓的等效性還要做進(jìn)一步研究。振蕩波電壓試驗(yàn)設(shè)備相對(duì)較容易實(shí)現(xiàn)，采用現(xiàn)有的直流電源和能夠調(diào)節(jié)電感量的電抗器即可完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，需要解決的問(wèn)題仍然是其與工頻電壓等效性研究［5］。與此同時(shí)，0．1 Hz超低頻電壓和kHz振蕩波電壓下局部放電測(cè)量系統(tǒng)和介質(zhì)損耗測(cè)量系統(tǒng)也正在研究之中，以求做到既不損傷電纜絕緣，又能簡(jiǎn)便地發(fā)現(xiàn)電纜絕緣缺陷，進(jìn)一步減小設(shè)備體積、減輕設(shè)備重量，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的需要。
4 結(jié)論
（1）工頻電壓試驗(yàn)?zāi)軌蛉妗⒄鎸?shí)地發(fā)現(xiàn)XLPE電纜缺陷和運(yùn)行故障隱患，可應(yīng)用于XLPE電力電纜竣工試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)，特別是110 kV及以上電壓等級(jí)的XLPE絕緣電力電纜竣工試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)。但是，如何減小工頻電壓發(fā)生器的體積和重量需做更深入的研究。
（2）0．1 Hz超低頻電壓試驗(yàn)?zāi)軌蛟谳^低的電壓下有效地發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣電力電纜受潮和存在水樹枝運(yùn)行缺陷，可以作為配電系統(tǒng)XLPE絕緣電力電纜預(yù)防性試驗(yàn)方法。
（3）kHz振蕩波電壓試驗(yàn)?zāi)軌蛟谳^低的電壓下有效地發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣電力電纜制造質(zhì)量缺陷和施工質(zhì)量缺陷，推薦作為XLPE絕緣電力電纜竣工試驗(yàn)方法。
參考文獻(xiàn)：
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