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1、现场试验及方法1电缆测试车的选用陆伟颖（上海市电力公司市南电缆管理处） 摘 要 XLPE 绝缘电缆由于材料、结构的特殊性，带来了在试验和故障检测方面的诸多特点：其一，是耐压试验中原有的直流试验方法需被取代；其次，故障定位由于绝缘材料的不同，亟需新的方法、设备。所以必须用理论的指导和设备的配置为日常的运行管理工作带来实际的效益。关键词 XLPE 电缆 电缆测试车 耐压试验 超低频 故障定位 三次脉冲法1 前言随着电缆新工艺，新材料的使用，XLPE 电力电缆日渐取代了油纸电缆，其原因主要在于XLPE 电缆的现场安装施工快捷方便，运行维护简单，并且在工程中易于配套等诸多优点。然而新的问题也随之而来，
2、由于 XLPE 电缆和油纸电缆的绝缘材料不同，绝缘结构不同，XLPE 为整体均匀介质，油纸电缆为油纸复合层状介质，老化机理和击穿的现象都不同，这对我们在原有的油纸电缆上使用得十分成功的测试方法就不再适用于 XLPE 电缆了，随着 XLPE 电缆的不断增多，新的测试手段的应用日益重要。2 测试车的需求市南电缆的管辖特点：地方大，地区偏僻，路途远，供电半径长，包括金山、青浦、松江、嘉定、闵行和徐汇部分地区，占上海市行政地域的 48%；比如 220KV 杨思站供 35KV 竹园站的电缆长约 10km；定广 894 线路由 220KV 嘉定站供广安和方泰两座 35KV 变电站，其跨越电缆多达九段，单次
3、行程十几公里。应用电缆测试车做周期维修，预防性试验等电缆运行维护管理工作十分合适我处实际生产的需求，尤其是结合目前的精益化生产、试验设备和故障测试仪器的一体化，不仅能减少装卸工器具所需要的时间，同时进一步降低了现场工作人员搬运工器的工作强度，客观上还起到了预防工器具遗漏的效用，更显著的则是测试车无论是接交、预防性试验还是电缆的故障测试，在车内操作不受外界环境的干扰和影响，尤其是做跨越电缆线路的试验更显示出优越性，如果一旦在预试中发现问题，电缆绝缘在试验过程中击穿，车内仪器齐全，能应付各类电缆故障性质所需的测试工作，在很大的程度上缩短了抢修的时间，加快了检修的速度。一般对终端的故障处理都能在正常
4、的停役时限内就能及时处理完毕，满足系统停电停役的规定要求，达到保证电网安全可靠运行的技术标准，减少电网和用户的停电时数，做好电缆抢修的精益化工作。今年，我们组织了对国内外的同类设备的比较和实际现场的试用，从性价比上全方面调研，我们选定的德国 SebaKMT 公司的电缆测试车，在交流耐压试验和故障定位方面能满足 XLPE 电全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集2缆的特性要求。3 耐压试验首先我们来浅析如下现象：XLPE 电缆和油纸电缆的绝缘材料截然不同，对油纸电缆，应用小巧轻便，成本低廉且携带方便的直流耐压试验器具取得了很好的交接和预防性试验的效果。而XLPE 的整体均匀绝缘材料在交流电压和直
5、流电压的作用下其电场分布不一样，在交流时（运行电压） ，电场强度按介电常数反比分布，直流时电场强度按电阻率正比分布，特别是在电缆终端和接头部位，直流电场和交流电场的分布完全不同，在运行电压下局部电场较高的部位即较易击穿的部分，反而是直流试验电压下电场最低的，不会发生击穿。所以完全背离了试验的目的。其次是空间电荷积累。由于直流耐压的试验电压高，一般为 5-6 倍 U0，直流试验可能在电缆本体或附件上形成空间电荷的积累，使电场畸变。由于 XLPE 的电阻率很高，积累的电荷很长时间不能消散，很可能在耐压试验后恢复交流送电时，形成击穿，这便是直流试验的有害之处。取而代之的是交流试验，有超低频（0.1H
6、z）电压、振荡波、工频谐振、变频谐振等耐压试验设备。根据国内外实践证明超低频（0.1Hz）电压、变频谐振电压更具优越性，同时考虑到超低频（0.1Hz）电压体积更小，且能和故障定位系统一体化操作，故对于中压电缆系统的运行管理单位，超低频（0.1Hz）电压更为适用和方便。目前市场上的变频系统大多是组装式，现场搭接十分烦琐，接线也较复杂，安全系数低。超低频（0.1Hz）电压，又有两种试验输出波形可以选择（如图 1） ，即正弦电压和余弦方波，余弦方波的特点是其模拟了工频运行电压的过渡过程，使输出电压的极性变化时间为 2-5mS，从而在超低频（0.1Hz）下模拟了运行电压的工况，满足了试验电压尽量接近运
7、行电压的要求，使超低频（0.1Hz）电压耐压有效性更高。212151 01 52 03030m s m s 459045-90k V 0807878 k V76 k V-75 k V80 k V1 245试验电压时间ms3图 1现场试验及方法3超低频 0.1Hz 余弦方波技术兼有直流和交流二者的优点，同时避免了各自的缺点。这项试验主要是以每 5ms 的间隔（0.1Hz 频率）定期变换极性。通过一个旋转整流器，一个扼流线圈（电感 L）和一个由 0.5uF 的系统电容器和被测电缆本身的电容组成的电容器（C） ，产生了极性的转换，这些装置构成了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
8、就通过整流器转移到 LC 电路中，电缆首先放电，其能量以磁场形式储存在 LC 电路中。当达到零时，LC 释放其能量，并以反向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，极性转换 26ms，其变化相似于 50Hz 的正弦波（换向前缘波宽为 10ms） 。这种特性的基础是所谓的局部放电初始电压，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 LC 电路“再循环”储存在电缆电容内的能量，由于这个技术，大功率高压
9、电源和放电装置就不需要了。我们选定 SebaKMT 公司的 0.1Hz 80KV 超低频余弦方波测试系统来对 35KV 电缆（3U0）进行交接试验和预防性试验。在 0.1Hz 频率下，最高输出电压时（80kV） ，最大可测电缆电容为2uF。如电缆的单位长度每公里电容以 0.2uF 计算，可测单相长度达 10kM 满足我公司现有设备状况的实际要求。当然在电缆较短时，可以将三相串联或并联起来试验，以节约更多的时间。具体的技术参数为：直流输出电压：0-80kV，连续可调0.1Hz 输出电压：0-80kV（有效值） ，连续可调输出频率：0.1Hz输出波形：余弦方波最大可测电缆电容：2F放电单元：3 秒
10、内 5F，内置于系统内电源：外接 220V AC ，50Hz4 故障定位根据 XLPE 电缆绝缘和结构的特性，结合电力网的运行方式，市南地区 10KV 系统采用中性点不接地方式，接地电流一般小于 30A；35KV 系统当接地电流 IC 小于 10A 时，采用中性点不接地方式，一般也不设置零流保护装置，从而电缆故障实物和实际的故障侧试和定位过程中能比较明显的得到辨析。实例：2005 年 11 月 23 日松其 183 电缆 A 相接地故障：（1）电缆型号：ZRYJV-26/35，3*400电缆结构：三层共挤，外屏蔽可剥离，绝缘标准 26/35制造厂家：飞航电缆厂接运日期：2004 年 12 月故
11、障时间：2006-11-23/9：4311-24/2：15全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集4测出故障部位：中间接头内的电缆本体接头工艺：3M 绕包式工艺电缆背景：松其 183（其昌-学府）电缆线路由 220KV 松江站供入其昌站（35KV 配电站） ，再有其昌站环出至学府站（35KV 配电站） ， （220KV 松江站无零流保护装置） 。该电缆运行时间仅11 个月，2005-11-23/7：43 发生 A 相接地故障，故障地点在其昌变电站出来的第一个工井内，故障的具体部位是中间接头内的电缆本体上，其中心点离恒力弹簧 8.5cm，恒力弹簧宽度为 2.0cm；三相电缆按规范呈品字形排列，故障
12、相在上面“口”字；击穿点正面朝上，其上面及底部上下对穿，上面部位交联绝缘烧呈直径为 1.5CM 的圆状，底部交联绝缘烧呈 1.7CM 的圆状，同时在其边口上有一裂口；再从外部能清楚地观察到交联绝缘的铜导体已被烧断，且其烧毁的程度比交联绝缘更多更大，即铜导体的烧毁程度稍大于交联绝缘的表面烧毁程度。图片如下（图 2）：(a) (b)(c)(d)图 2虽然本故障性质为单相接地，从现象和故障实物中可以看出接地电流较大，在电弧的作用下电缆线芯对穿烧熔，交联主绝缘完全击穿，内外护套全都烧穿。而在测试的过程中发现其绝缘的接地电阻较高，有近上百兆，波形畸变，曲线形状毫无规则，接地的波形也不明显。测试的过称是用
13、冲闪法，利用放电间隙的声音而确定其故障的大概位置，打开工井盖，检查时发现电缆三相“品”字形排列，正面向上有一个明显的故障击穿点。8.5cm直径 1.7cm现场试验及方法5事后在总结该电缆故障的测试过程使我深深感到我们目前所使用的电缆故障测试化仪器对电缆本体故障的准确定位带来相应的难度，用大电流烧穿高阻 电缆的测试方式针对 XLPE 电缆绝缘难以见效，所以针对以上分析的诸多特点，传统的电流烧穿和电流冲击法定位，都难于进行XLPE 电缆的故障查寻了，只能借助新的方法。国外引进的设备有特别针对 XLPE 电缆的方法：弧反射法，由于厂家的不同又分为 SIM 二次脉冲法，ARM Plus 三次脉冲法，M
14、IM 多次脉冲法，确实使以上的各种难点逆刃而解。其中 ARM Plus 三次脉冲法以他的击穿能力强更具优势。ARM Plus 三次脉冲法故障预定位的工作原理如下（图 3）：冲击单元冲击单元16 / 32 kV1280 J 或或 2560J脉冲反射仪脉冲反射仪冲击和双冲击冲击和双冲击0 - 4 kV 0 8/16/32 kV 0 - 16 / 4 kV0 - 32 / 4 kV冲击单元冲击单元4 / 8 kV1200 J 或或 2400J1000 V200 V测试脉冲测试脉冲 测试脉冲用于测量测试脉冲用于测量参考波形和故障波形参考波形和故障波形图 3三次脉冲弧反射法的参考波形是用一个独立于脉冲反
15、射仪之外的专门的脉冲发生器产生的1000V 或 200V 的测试脉冲在不击穿被测电缆故障的情况下（静态）得到的，1000V 或 200V 的脉冲幅值可有效的减小干扰，优于脉冲反射仪自身的测试脉冲。紧接着高压脉冲（第一次）击穿电缆故障产生燃弧，同时触发中压脉冲（第二次）来稳定和延长燃弧至 50ms，之后发射 1000V 或200V 的低压脉冲（第三次） ，从而得到准确的故障波形。两条波形自动叠加后的变化点便是故障点（如图 4） 。图 4全国第八次电力电缆运行经验交流会论文集6三次脉冲测试过程很短，并且由于快速可靠的触发电路和闪络技术，仅仅一次测量便可以显示完美的反射波形。此种方法不需要时间调整和
16、类似的校准工作。与其它故障定位技术不同的是，单次触发脉冲技术可防止临界故障的变化或自动恢复，并提供即时可靠的预定位结果。同时，也提供了自动连续触发脉冲技术。由于预定位的高精度，精确定点过程便更加快速、简捷。三次脉冲弧反射法的优点：a)不采用 RC 电路对电缆加压，可有效的击穿高阻故障；b)中压冲击电压延长燃弧时间并稳定燃弧；c)可单次触发脉冲，也可以连续触发脉冲；d)系统自动匹配电缆参数，无须在脉冲反射仪上调节脉冲宽度。这样就可以对 XLPE 电缆故障定位的难点迎刃而解了，没有分压的大电流冲击足以保证第一次冲击就能击穿并得到故障点弧接地测量波形，故障点的指示在两波形的分散点，又避免了回路串联电阻带来的误差，测量脉冲参数的自动设置也解决了操作人员的经验误差，大大提高了XLPE 电缆故障查寻的准确性。当然，要进行准确的故障定点，先进的精确定点仪必不可少，同时现在的电缆大部分集中在电缆沟中，和原来直埋的系统情况不太一样，如果用冲击使故障点放电，在电缆沟的很长的范围内，都可能听到放电声，所以如果定点仪单测声音信号就不奏效了
