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0.1Hz超低频(VLF)余弦方波耐压试验技术[德国]

作者:皮特.海尔佩茨来源:德国SEBAKMT 日期:2010年7月16日 16:19

1.引言 

    保证供电可靠性的重要措施之一就是对(地埋)电力电缆进行耐压试验(预防性试验)即检查电力电缆的绝缘状况。70年代以来,聚乙烯/交联聚乙烯电缆得到广泛应用并逐步取代传统的油纸电缆,特别是中低压电力电缆,传统的耐压试验方法(直流耐压)已不适用于这类电缆,0.1Hz超低频余弦方波耐压实验技术就是根据这一需求由德国SEBAKMT公司与大学研究所,供电公司共同通过近二十年研究发展的耐压实验新技术,这一技术不仅在德得到电力部门认可和广泛应用,而且逐步为欧州其它国家接受,德国DIN VDE 0276-620/621和欧州电工技术标准委员会(CENELEC)HD620/621 SI标准中都将0.1Hz超低频电压作为耐压试验方法写入耐压试验规范。

2.历史 

     历史上只有两种型式的电力电缆;几乎全部是铅包外护套的油浸纸绝缘电缆;以及特别用于长距离和高电压上的压力充油或充气电缆。

     通常大部分采用的电缆形式几乎全部是油浸纸绝缘电缆,其中有些电缆运行已超过80年。但是大量的制造工序和复杂的安装、接头工艺带来了相对较高的安装费用。

    充气或充油电缆的故障定位非常不容易,特别是,充油电缆和外泄漏显然对环境是个危害,而且变得越来越不能被接受。

    在60年代初出现一种聚乙烯(PE)的新材料,在以后几年内又发展和改进为交联聚乙烯(XLPE)。这类且有奇异的介电常数的新材料曾经是所有问题的解决办法,无功损耗低,并有惊人的绝缘性能。这类材料的安装费用低,而使电缆本身的敷设更容易。从而为许多薄弱的架空线路走向地下提供了可能。但10至15年后,对这些电缆和这种初始欣慰开始终止了。特别是首先送电的聚乙烯电缆开始坏得比更换和修复还要快。

3.问题 
 
     检测到的问题是水,单纯的纯水,首先是作为聚合过程的残余物而产生的水,有时则通过电缆外伤,不正确的安装或外层绝缘戳穿的机械损伤而进的水。这种水经过长时间过程逐渐形成水树枝。这种水树枝的形成持续时间取决于自由水分的可获量和电场,可能会要几十年,但是其最终结果是在整个绝缘的各处有一个或许多充满水分的只有几个微米(m m)宽的狭窄通道。只要不发生极端情况,这种充满着分子状态纯水的通道可以长时间不发生问题。只要负荷变化,发热由直流电压造成的完全变干或电气反应或因外护层故障而从外部使盐分增加等,将使该部位产生闪络。

     如果水树枝还未完全形成,其剩余绝缘还有约1mm厚,则剩余的PE/XLPE绝缘仍可足够使电缆“安全”运行。但是,一旦这个“通道”或“空间”变干或处于更高的电压下或因邻近的其他电缆和故障而引起快速瞬变,水树枝通道会变为电树枝。

     这些电树枝发展得比水树枝快得多,而且一旦开始,就会被称为并可测得的局部放电(PD)将聚乙烯熔解而使电树枝继续发展。在几个星期内,电缆就会击穿,其时间取决于负荷和电场强度。

     原先开发用于聚乙烯和交联聚乙烯电缆测试的SebaKMT公司的0.1 Hz余弦方波超低频测试技术也已证实了对已有的铅包纸绝缘电缆和所有其他形式(例如乙炳橡胶EPR电缆)电缆的常规直流和超低频试验的有效性,当然也包括对接头和终端头的试验。

     该系统除了可输出超低频电压外,还可以常规的直流电压对电缆及其附件作试验。

     该设备配备了一个电子计时器,在闪络时会自动停止,而在电缆修复后能自动根据剩余时间继续工作。

     目前这一系列产品有27KV输出,电压用于电压等级16KV以下电缆的耐压实验,52KV输出电压,用于电压等级30KV以下电缆的耐压试验,70KV输出电压用于电压等级40KV以下电缆的耐压试验以及114KV输出电压用于66KV以下电缆的耐压试验,以上的输出电压均为有效值。

     电缆局部击穿的事故会造成不必要的损坏和费用,即使“仅仅”是对用户供电的损失。

     可惜,大家熟知且行得通的老办法,直流试验已说明是无效的,在有些情况下,还会扩大损伤而在试验时并不能发现。交流试验是有效的,但是由于电缆的无功损耗需要很大的功率。需要的试验设备太大,太重和太贵,而且在许多情况下,由于它的电力消耗太大而成为不能使用的方法。需要研究一个新的方法。

4.0.1Hz超低频余弦方波技术

     1982年,SebaKMT公司(原HDW电子器件公司)和在勃朗施维希(Braunschweig)及汉诺威(Hannover)的技术大学的合作开发了第一个超低频测试系统(SebaKMT专利)。

     这个技术的进一步发展产生了W204超低频0.1Hz余弦方波测试装置。在持续4年的大型现场测试中,证实了这个技术的适用性,并提供了大量数据和统计。在1996年和1997年应用100KHz高压转换技术SebaKMT,开发出新的一代0.1Hz超低频余弦方波耐压实验装置。

     超低频0.1Hz余弦方波技术兼有直流和交流二者的优点,但避免了他们的缺点。

     这项测试主要是以每5s的间隔定期变换极性,从而得到0.1Hz频率为基础的。通过一个能动的旋转整流器,一个扼流线圈(电感)和一个由0.5uF的系统电容器和电缆本身的电容组成的电容器,产生了从一个极到另一个极的转换。这个装置基本上是一个大功率谐振回路。在接上电缆后,储存在电缆电容内的能量就通过整流器转移到扼流线圈,电缆首先放电其能量以磁场形式储存在扼流线圈内。当达到零时,扼流线圈释放其能量,并以反过来的极性将电压加回到电缆中去。结果,电缆就以相反极性充电,而通过谐振回路的这个转换产生了一个光滑的余弦电压波形,宽度为2~6ms,其变化相似于50Hz的正弦波(换向前缘波宽为10ms 。

     会造成小空间放电的直流部分和转换过程的高频部分的组合在剩余的绝缘中导致已有的严重电树枝的快速而受控的发展。

     采用3U0试验电压和1小时试验持续时间,可保证只有最严重的部位受影响。小的不严重的损害将不受到影响。

     这种特性的基础是所谓局部放电初始电压,对一定的绝缘厚度需要一定的电压以发生局部放电和电树枝的发展。任何尺寸小于这个规定值的部位都不会受影响。

     这个产生特殊试验波形的超低频技术可以组成一个重量和体积非常小的系统。通过扼流线圈“再循环”储存在电缆电容内的能量,超低频技术在颠倒极性的过程中只是简单地将容性充电回复到电缆中去由于这个技术,大功率高压电源和放电装置就不需要了。

     通过这样的转换过程,只有在最后的5s或10s的损耗必须充电。

     SebaKMT公司的超低频测试装置是设计成以0.1Hz余弦方波测试电缆,用高达52KV(30KV电缆3U0)测0.5m F电容量的电缆,另外还有用高达70KV测2.5F电容量的电缆的装置以及可供作52/70KV的常规直流试验。

     5.5m F的可试验电缆容量容许试验最长达25km的电缆或最长达8km的三相电缆,取决于电缆型式。

5.0.1Hz超低频余弦方波耐压试验技术的应用

     如前所述,直流耐压,试验不适用于聚乙烯电缆,因为在直流电场下形成的空间电荷会保存在电缆绝缘层中,当试验完毕重新投入运行后,残存的空间电荷(电场)会与运行电压的电场叠加,在实际上仍能运行的电缆中造成击穿,交流工频耐压试验最为有效,但由于电力电缆的电容很大,需要大功率试验设备,设备笨重,难以对聚乙烯/交联聚乙烯电缆进行预防性耐压试验(现场试验),针对中压交联聚乙烯/聚乙烯电缆的现场耐压试验问题,SEBAKMT的SebaKMT公司与德国大学研究所及供电公司共同研制,试验推出了0.1Hz超低频余弦方波耐压试验技术,此后有些制造厂家出提出了一些可用于聚乙烯/交联聚乙烯电缆的耐压试验方法,比较有代表性的有0.1Hz超低频正弦波耐压试验装置,谐振耐压试验系统及振荡电压试验方法。

     为评价各种耐压试验方法并为制定统一的耐压试验标准(主要是考虑到聚乙烯/交联聚乙烯电缆)提供理论及实验依据,从1989年至1992年柏林工业大学高压技术研究所,柏林电业公司,欧登堡(Oldenburg)电业公司,多特蒙德(Dortmund)电业公司及西门子公司共同进行了一个科研项目“中压地埋电力电缆和耐压试验方法”。这一科研项目系统地研究比较了以直流0.1Hz超低频余弦方波、0.1Hz超低频正弦波、振荡电压、50Hz工频为电压源的耐压试验方法,在1993年发表的科研结果报告中给出了以下几点重要的结论:

     ——对聚乙烯/交联聚乙烯电缆做直流耐压试验,即使加上高于试验规范(油纸电缆)的电压也无法发现电缆中的潜在故障(老化引起);

     ——对油纸电缆可以用0.1Hz超低频余弦方波进行耐压试验,试验电压可大大低于规范中的直流电压水平;

     ——现场对电缆做耐压试验,特别是聚乙烯/交联聚乙烯电缆应用0.1Hz超低频余弦方波耐压试验技术得到的结果最佳,因为在对聚乙烯/交联聚乙烯进行耐压试验时,0.1Hz 超低频余弦方波产生局部放电的初始电压较低(比0.1Hz超低频正弦波要低20%),而水树中的通道的延展速度很大,这样在给定的耐压试验时间内发现所有将在运行中出现的潜在故障点的可靠性就更大。在对同一段老化电缆做比较击穿试验时得到下面的结果:

     50Hz工频U/U0=5 0.1Hz超低频余弦方波 U/U0=7

     0.1Hz超低频正弦波U/U0=10 直流 U/U0>14

     其中U为耐压试验电压,U0为电压等级中的U0(相地电压)

     ——建议0.1Hz超低频余弦方法耐压试验的参数为:试验电压U=3U0,耐压试验时间为60分钟。

     上述的耐压试验参数的合理性在十几年中的应用得到证明,特别是耐压时间,多特蒙德电业公司关于应用 0.1Hz超低频余弦方波耐压试验技术10年经验总结报告中给出以下的统计数据:

     1987-1998年共计3237次耐压试验,在对聚乙烯/交联聚乙烯电缆做耐压试验过程中击穿点(百分比)出现的时间分布如下表: 

 

击穿发生

(%)

59

6

5

11

6

13

耐压试验时间(min)

0~10

10~20

20~30

30~40

40~50

50~60



     这一统计资料很好地解释了为什么耐压试验时间置定在60分钟。如果将耐压时间缩短到30分钟,那么统计地来说就会有30%左右的潜在故障不能在耐压试验中 发现,从而不能保证电缆重新投入运行后的可靠性。

     0.1Hz超低频余弦方波耐压试验技术还有以下显著的特点。正因为这些特点,使这一耐压试验技术得到广泛应用。

     a)0.1Hz超低频余弦方波耐压试验设备消耗功率小,例如输出电压为52KV(有效值),试验电缆电容为5微法,则设备只需要0.6KW的功率输入,而相应的0.1Hz超低频正弦波试验装置则需要8KW的功率输入。

     b)0.1 Hz超低频余弦方波的原理使得耐压设备的输出电压较高,并且为有效值。目前Seba KMT公司制造的这类设备可对全部中压电缆及部分高压电缆(最高为66KV电压等级的聚乙烯/交联聚乙烯电缆按3U0进行耐压试验,耐0.1Hz超低频正弦波的耐压设备输出电压是峰值,有效值只有70%,加之目前制造水平及设备尺寸的限制,0.1Hz超低频正弦波耐压试验装置的输出电压(有效值)做不到很高。

     c)由于输入功率小,设备的尺寸的和重量也小。0.1Hz超低频余弦方波耐压设备既可作为独立设备也可以方便地安装在电缆故障检测车中。目前SebaKMT公司可将输出电压为70KV(有效值)的0.1Hz超低频余弦方波耐压试验系统装置在电缆故障测试车中。这样电缆故障测试车就可对35KV电压等级的电缆做故障定位和耐压试验。

     d)0.1Hz超低频余弦方波耐压设备可试验较长的电缆(电容较大),例如52KV输出电压(有效值)可测试5微法电容量的电缆,相当于8Km长的三相电缆可以一次完成耐压试验,这样大大缩短了停止供电的时间,其它波形的超低频耐压设备可测电缆的最大容量一般都在3微法以下。

6.电力电缆耐压试验规范

     在对0.1Hz超低频试验的电压进行研究了许多年后,为了确定其对交联聚乙烯电缆以及混合电缆装置和油浸纸绝缘电缆作为测试标准的可用性,在1996年12月发布了DIN-VDE0276-620新标准和在1997年5月发布了DIN-VDE0276-621新标准。

     DIN-VDE0276-620适用于运行电压U0/U为3.6/6Kv到20.8/36Kv的挤塑绝缘电力电缆,并规定对聚乙烯绝缘电缆的大小和试验要求。DIN-VDE0276-621适用于中压油浸纸绝缘电力电缆。这两个规程的评价结果是0.1Hz超低频交流电压试验能可靠地使用到两种型式电缆(交联聚乙烯和纸绝缘)上去。试验电压是以3U0试验持续时间根据所用的不同材料而变化。试验成功的判断标准是没有闪络。

综述见下表。

电缆型式

VDE

试验电压-0.1Hz

(有效值)

直流试验电压

交流试验电压

45~65Hz

   

试验水平

持续时间

试验水平

持续时间

试验水平

持续时间

聚氯乙烯(PVC)绝缘

3C及4C型

0276-620

3xU0

30min

6/10kV≌34-48kV

12/20kV≌67-96kV

18/30kV≌76-108kV

15-30min

15-30min

15-30min

2xU0

30min

油浸纸绝绝缘

(3C及4C型)

0276-621

3xU0

30min

6/10kV≌34-48kV

12/20kV≌67-96kV

18/30kV≌76-108kV

15-30min

15-30min

15-30min

2xU0

30min

XLPE绝缘

(5C及6C型)

0276-620

3xU0

60min

   

2xU0

60min



    除了上述清晰的说明,还有若干脚注。有一个是规定在纸绝缘/聚乙烯-交联聚乙烯的混合电缆线路,超低频试验时间应是60分。

两个规程也都同样规定了电缆外护层的试验电压水平。

电缆外护层材料

试验电压水平

聚乙烯外护层

直流<5kV

聚氯乙烯外护层

直流<3kV


     一个重要说明或建议是对老化了的PE/XLPE电缆要将直流试验电压放在尽可能低的水平上,以避免进一步老化或损坏。因此,如不可避免地要应用直流试验时,有若干建议。

     此外,两个规程也规定了故障定位的绝缘允许试验电压水平。对这一点,VDE规程对塑料和纸绝缘电缆之间不作任何区别。 

绝缘故障定位

运行电压

试验电压水平

用直流

U0/U=6/10kV

U0/U=12/20kV

U0/U=18/30kV

<48kV

<76kV

<108kV

用交流45~65Hz

 

<2xU0(有效值)

用脉冲/冲击电压

U0/U=6/10kV

U0/U=12/20kV

U0/U=18/30kV

<48kV

<76kV

<108kV

 

     在试验后要将直流试验电压小心缓慢地放电。

     电缆的接地最好要超过12个小时,以消除任何可能的残余空间电荷。

     欧州电工技术标准委员会CENELEC已将这两个标准纳入自己的规范           (HD620/621 SI)。CENELEC 18个成员国包括欧州所有的工业国家如法国、英国、瑞典等,已开始实施这两标准了。

7.0.1Hz 超低频余弦方波耐压试验技术在中国应用的探讨

     聚乙烯/交联聚乙烯电缆目前在中国应用越来越广,已逐步代替了中低压油纸电缆。这样与德国在80年代一样,也涉及到以什么样的耐压试验方法来取代直流耐压试验(预防性试验)。中国电力部门已积极开展了这方面的研究工作,如谐振耐压装置(220KV超高电缆)和超低频耐压试验装置。中国的电力电缆的结构、布局及城网系统与德国有很多相同之处,因此,德国的电力电缆耐压试验标准在中国电力部门做这方面工作时借鉴和引用。0.1Hz超低频余弦方波耐压试验技术经过近二十年的研究发展和经验积累已成为一项比较成熟的耐压试验技术,不仅仅在德国、欧州得到广泛的应用,而且逐步推广到世界各国,美国纽约、曼哈顿供电部门已决定装备若干SebaKMT公司输出电压为60kV的0.1Hz超低频余弦方波耐压试验装置,被试验电缆电容可高达25微法。谐振耐压系统由于体积大、价格高,很难在中低压电缆耐压试验中推广,其它一些电缆耐压试验新技术目前还处于研究阶段,因此不属于德国电缆耐压试验规范中的标准试验方法,我们认为鉴于0.1Hz超低频余弦方波耐压试验技术的优点,特别是二十年的应用经验,这一新技术也适合中国国情,一旦得到电力部门的认可,将会在中国迅速推广。目前中国电业局和一些大型企业已经引进了近10台0.1HZ 超低频余弦方波耐压试验装置及系统。

     关于电压等级和电缆绝缘等级需要做一个解释,因为两者都以U/U0表示。在耐压试验标准中,试验电压是以相地之间电压的倍数来表示,例如对聚乙烯/交联聚乙烯电缆应用超低频电压试验方法时,试验电压为3U0。

     根据中国“高压电缆选用导则”电网单相接地故障持续时间长于一分钟时应选用第二类电缆,否则可选用第一类电缆。第一类电缆的绝缘级与电压等级一致,第二类电缆的绝缘等级要高于电压等级,这是因为单相接地情况下中性点会偏移,非故障相对地电压最高可达到线电压的105%。单相接地故障的持续时间是由电网中性点接地方式决定,中国6-63KV电网系统大部分采用中性点不接地的方式,允许在单相接地情况下继续运行,因此电缆一般应选第二类。这样对应于35KV电压等级(U/U0=35/20KV)的在第二类电缆的绝缘等级为35/26KV(U/U0)。有人将电缆绝缘等级的U0当做试验电压的U0,认为这样的试验结果可靠一些,实际上德国中压电网系统绝大部分是采用中性点经消弧线圈接地,这与中性点不接地的情况一样,都属于非有效接地,所以在单相接地继续运行时,非故障相对地电压也可高达线间电压的105%,相应的电缆绝缘等级也必须高于电压等级,因此选用的电缆相当于中国的第二尖电缆,只是德国对中性点直接接地的情况下也是选用同样的电缆(就高不就低)。从以上分析可以看到中国和德国的电力电缆运行条件相同,那么德国的耐压试验标准也应该适用于中国。所以将电缆绝缘等级的U0作为耐压试验电压的U0是不正确的,这样对35KV交联聚乙烯电缆用0.1Hz超低频余弦方波耐压试验设备进行耐压试验,要求试验设备的输出电压(有效值)为3U0=60KV而不是3U0(电缆绝缘等级的U0)=78KV。

     另一方面,采用第二类电缆的U0意味着耐压试验电压的提高,电场作用区域的增大 ,这样会在已经试验的电缆中产生新的潜在故障,甚至引起不必要的电缆击穿。

8.小结

     0.1Hz超低频余弦方波耐压试验技术经过近二十年的研究、发展和应用的检验,成为比较完善的一项耐压试验新技术,它不仅对聚乙烯/交联聚乙烯电缆的耐压试验提供了一个可靠和有效的方法,而且也可用于油纸电缆的耐压试验。0.1Hz超低频耐压试验方法是在德国DIN VDE 620/621中规定的标准耐压试验方法。

     0.1Hz超低频余弦方波耐压试验技术也得到学术界工业界的承认,在德国得到广泛应用。SebaKMT公司生产的0.1Hz超低频余弦方波耐压试验设备体积小,重量轻,输入功率小,输出电压(有效值)高(可对66KV以下电缆进行试验),并且可对电容量大的电缆进行耐压试验(三相同时试验,从而减少电缆停止运行时间)。

我们认为0.1Hz超低频余弦方波耐压试验技术适合中国国情。

所属类别: 0.1Hz超低频高压技术

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