孙树明
（山东华聚能源股份有限公司， 273500）
一、概述
橡塑绝缘电力电缆是塑料绝缘电缆和橡皮绝缘电缆的总称。塑料绝缘电缆包括聚氯乙烯绝缘、聚乙烯绝缘盒交联聚乙烯绝缘电力电缆；橡皮绝缘电缆包括乙丙橡皮绝缘电力电缆等。橡塑绝缘电力电缆以其合理的工艺和结构，优良的电气性能和安全可靠的运行特点，在国内外获得越来越广泛的使用。尤其在高压输电领域更取得了巨大的进展。与充油电缆相比，橡塑绝缘电力电缆敷设安装方便，运行维护简单，不存在油的淌流问题。但是，近年来的运行和研究表明，橡塑绝缘电力电缆的绝缘在运行中易产生树枝化放电，造成绝缘老化破坏，严重地影响了橡塑绝缘电力电缆的使用寿命。因此，充分认识橡塑绝缘电力电缆的绝缘特性，及时有效地发现和预防绝缘中存在的某些缺陷，对保障设备乃至系统的安全运行具有十分重要的意义。
二、影响绝缘的主要因素
橡塑电缆内部存在的绝缘缺陷易产生树枝化放电现象，其结果影响电缆的绝缘性能。树枝化放电据其形态和生成机理不同主要分为电树枝和水树枝。
（一）电树枝
主要是由于绝缘内部放电产生的细微开裂，形成细小的通道，其通道内空，管壁上有放电产生的碳粒痕迹。分枝少而清晰，呈冬天的树枝状。电树枝按产生的机理分为以下几种类型：
1、由于机械应力的破坏使橡塑电缆绝缘产生应变造成气隙和裂纹，引发电树枝放电。机械应力一方面是因为电力电缆生产、敷设运行中不可避免地弯曲、拉伸等外力产生应力，另一方面是由于电缆在运行中电动力对绝缘产生的应力。
2、气隙放电造成电树枝的发展。现代的生产工艺尽管可以消除橡塑电缆生产线中某些宏观的气隙，但仍有1～10μm或少量的20～30μm的气隙形成的微观多孔结构。多孔结构中的放电形式主要以电晕放电为主。通道中的放电所产生的气体压力增加，导致了树枝的扩展和形状的变化。
3、场致发射效应导致树枝性放电。在高电场作用下，电极发射的电子由于隧道效应注入绝缘介质，电子在注入过程中获得足够的动能，使电子不断地与介质碰撞引起介质破坏，导致树枝放电。
4、缺陷。缺陷主要是导体屏蔽上的节疤和绝缘屏蔽中的毛刺以及绝缘内的杂质和空穴。这些缺陷使绝缘内的电场集中，局部场强提高。引起场致发射，导致树枝性放电。
（二）水树枝
主要是由于水分浸入绝缘，在电场作用下形成树枝状物。水树枝的特点是引发树枝的空隙含有水分，且在较低的场强下发生。水树枝的产生，将会使介质损耗增加，绝缘电阻和击穿电压下降，电缆的寿命明显缩短。目前国内外对水树枝的生长研究尚不完善。一般认为，水树枝的发展过程有以下几种形式：
1、剩余应变使水树枝增长。当电缆在外加电压下，若绝缘中含有水分，导体附近的绝缘材料中剩余的应变就会增加，而应变较大的局部区域便会生成水树枝。
2、电场下的化学作用发展了水树枝。
3、电泳与扩散力的作用使水树枝生长。介质电泳可以认为是不带电荷的，但是已经极化的粒子或分子在畸变的电场中运动，若绝缘中含有带水分的杂质，这些杂质会向导电线芯附近的高电场区聚集。这一区域的温度相对偏高，水分因此而膨胀，形成较大的压力，使间隙扩大，引起水树枝的扩大和发展。电树枝往往在绝缘内部产生细微开裂，形成细小的通道，并在放电通道的管壁上产生放电后的碳化颗粒。水树枝的产生，将会使介质损耗增加，绝缘电阻和击穿电压下降。因此，电缆中的电树枝和水树枝对电缆的电气性能将会带来严重的故障隐患。
三、电缆耐压试验方法
（一）直流耐压试验
为了保证电缆安全可靠运行，有关的国际标准对电缆的各种试验做了明确的规定。主要试验项目包括：测量绝缘电阻、直流耐压和泄漏电流。其中测量绝缘电阻主要是检验电缆绝缘是否老化、受潮以及耐压试验中暴露的绝缘缺陷。直流耐压和泄漏电流试验是同步进行的，其目的是发现绝缘中的缺陷。
（二）交流耐压试验
1、串联谐振
如果被试品的试验电压较高,而电容量较小, 一般可采用串联谐振方法,见图1所示。
图1 串联谐振的等效电路
当试验回路中ω0L =1ω0C(C包括CX、C1、C2)时,试验回路产生串联谐振,此时能在试品上产生较高的试验电压(试验电压高低与回路品质因数有关),如果电容C较大,试验回路电流也较大,通过电抗器的电流也较大,这时试验设备一般难以满足现场试验需要;通常该试验接线仅适用于被试品电容量较小而试验电压较高,试验变压器能满足试验容量要求而不能满足试验电压要求的情况。
对于电力电缆来说,被试设备的电容量C是固定的,要使试验回路产生谐振就要改变试验回路的电感L或频率ω,即:ω0=1 LC或L =1ω02C;
采用改变电感的方法来满足串联谐振需采用可调电抗器,但限于运输和在现场搬动,电抗器的体积和重量不能做得很大,因此可调电抗器的调节范围是有限的。所以在现场试验时采用调感的方法往往由于电抗器的范围有限而不能满足试验要求。
另一种方法是采用调频的方法,即当电抗器和电容固定时通过改变试验电源频率来使ω0L = 1 ω0C来达到所需的电压,但这时需要一套调频电源装置。
2、并联谐振
如果被试品的试验电压较低而试品容量较大时,一般可采用并联谐振方法,见图2所示。
图2 并联谐振的等效电路
当试验回路中ω0L=1ω0C(C包括CX、C1、C2) 时,试验回路产生并联谐振,此时试品电压等于电抗器电压也等于升压变压器高压侧电压。由于电抗器的补偿作用,变压器理论上仅提供回路阻性电流,可以大大降低对试验变压器的容量要求。因此该试验回路适用于试品电容量大,而电压较低的情况。低电压的电抗器一般容易制作,试验时可采用几个低电压电抗器并联的方法或利用可调电抗器改变电感的方法来满足并联谐振要求。如果有一套调频电源装置的话,也可采用改变试验电源频率的方法,使回路满足试验要求。
3、串/并联法
当试验电压较高、被试品电容量较大时,采用上述两种方法都难以满足试验要求,主要是试验设备难以满足要求:一是合适的高电压大容量的电抗器一般单位都不具备;二是不同长度的电缆电容量不相同,需要的电抗器也不一样,即使是可调电抗器也往往由于可调范围有限而难以满足试验要求。因此仅靠配备合适的电抗器来满足试验要求就比较困难,所以国内外进行长电缆交流耐压试验一般均采用串、并联调频谐振方式。
图3 串/并联谐振等效电路
如图3所示,在试验回路中串入电抗器产生串联谐振来提高被试品试验电压,在被试品两端并联电抗器使被试品电容电流大部份由电抗器来补偿,从而使通过串联电路中电抗器的电流大为减少,从而降低试验对电抗器、试验变压器的要求。采用调频电源装置来改变试验频率使ω0L =1ω0C,使试验回路产生谐振。这样试验设备就比较容易满足试验要求。
四、直流耐压与交流耐压比较
过去由于受试验设备的限制,在现场对橡塑电缆进行交流耐压试验比较困难,一般采用直流耐压试验来代替。直流耐压与交流耐压比较存在两个缺点:
（一）直流电压对橡塑绝缘有积累效应,即“记忆性”。
一旦电缆有了由于直流试验而引起的“记忆性”,它就需要很长时间来释放尽残留在电缆中直流电荷。而当该电缆投入运行时,直流电荷便会叠加在交流电压峰值上,产生“和电压”,远超过电缆的额定电压,使绝缘加速老化,缩短使用寿命。
（二）交流耐压试验状况更接近电缆的运行工况。
直流电压分布与实际运行的交流电压不同,直流电场分布受电阻率影响,而交流下电场分布与电阻率和介电系数都有关。因此直流耐压试验并不能象交流耐压一样可以准确地反映电缆的机械损伤等明显缺陷,直流试验合格的电缆,投入运行后,在正常工作电压作用下,也会发生绝缘故障。由此可见,对于橡塑电缆采用传统的直流耐压试验是不可取的。华聚电气试验中心自2007年4月1日起执行的《山东电力集团公司电力设备交接和预防性试验规程》以及《GB50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准》中已明确提出，橡塑绝缘电力电缆耐压试验优先采用20~300Hz交流耐压试验，可采用0.1Hz耐压试验，不具备试验条件或有特殊规定时，可采用施加正常系统相对地电压24h方法代替交流耐压。
五、试验标准
橡塑电缆交接时20Hz～300Hz交流耐压试验和时间
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额定电压U0/U(KV) |
试验电压 |
时间(min) |
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18/30及以下 |
2.5U0 |
5 |
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2U0 |
60 | |
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21/35～64/110 |
2 U0 |
60 |
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127/220 |
1.7 U0 |
60 |
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290/500 |
1.7 U0 |
60 |
其他周期时试验电压按上表的80%进行，时间5min
六、注意事项：
1、试品表面洁净，用丙酮清洁电缆表面污物及影响绝缘的异物。
2、试验温度在10-30℃和湿度不大于80%。
3、尖端放电的问题，试验导线连接端头不得有尖端毛刺，导线连接过渡要圆滑，不得使用缠绕法导致高压引线与试品连接处有缝隙。
4、注意高压引线与带电设备安全距离。
5、操作人员不得少于两个人，使用时应严格遵守有关规程和规定。
6、耐压装置使用时，输出的是高电压或超高电压，必须可靠接地，注意操作安全距离。
7、谐振试验系统是谐振电抗器与被试品谐振产生高压的，试验人员在分析现场不能够产生所需高压时，应该分析什么破坏了谐振条件，回路是否接通。
8、谐振试验系统的激磁变压器有特定的电压和电流要求，在选用代替品时，一定要考虑电压和电流（输出电压高并且与串联谐振输出电压匹配，励磁电流小，波形稳定，励磁曲线满足回路串联谐振要求），不能采用只是容量相同的普通变压器。
参考文献：
《GB50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准》
《山东电力集团公司电力设备交接和预防性试验规程》