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（如制造過程不可避免的氣隙、雜質(zhì)或運行過程中產(chǎn)生的水樹枝等缺陷）的電場發(fā)生畸變，局部電場強(qiáng)度急劇增至10倍以上，約30 kV／mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過XLPE介質(zhì)的擊穿場強(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期內(nèi)泄漏，在介質(zhì)局部形成空間電荷附加電場。當(dāng)附加電場與外施工頻電場迭加成為很高的局部電場時，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時經(jīng)常發(fā)生，如直流耐壓試驗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作用下，空間電荷的附加電場效應(yīng)加強(qiáng)了水樹枝尖端處的電場而引發(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行壽命。一些電纜使用量較大的發(fā)達(dá)國家在XLPE電力電纜的預(yù)防性試驗中均取消了直流耐壓試驗，相繼推出振蕩波電壓試驗、0．1 Hz超低頻電壓試驗和工頻電壓試驗方法［2～5］。90年代后期，我國重新修編了電氣設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程中有關(guān)電纜預(yù)防性試驗方法的規(guī)定，也不再推薦直流耐壓試驗。 　　德國、奧地利、美國和日本等國家早在80年代中期，就著手對運行中的XLPE電力電纜采用超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗作為發(fā)現(xiàn)電纜運行絕緣缺陷的無損試驗手段，開展了大量試驗室和現(xiàn)場試驗研究工作。德國發(fā)電廠聯(lián)合會（VDEW）和國際大電網(wǎng)會議第21．09工作組（CIGREWorking Group 21．09）研究報告表明：超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗仍是推薦用于中壓XLPE絕緣的電力電纜試驗。一方面該試驗不會在電纜XLPE絕緣中聚集空間電荷，畸變局部電場，另一方面能夠在較低的試驗電壓下發(fā)現(xiàn)電纜絕緣水樹枝老化等缺陷，故其對XLPE絕緣的損害程度較?。?～5］。 　　我國從1996年開始，部分城市如上海、煙臺、北京等已逐步采用超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗并結(jié)合超低頻（0．1 Hz）電壓下電纜絕緣介質(zhì)的介損（tgδ）測量作為發(fā)現(xiàn)電纜運行絕緣缺陷的無損試驗手段，同時相繼開展對超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗的有效性研究。 　　對于超低頻（0．1 Hz）電源下進(jìn)行局部放電試驗或介質(zhì)損耗試驗的延伸研究工作成果，國內(nèi)外文獻(xiàn)報道較多，然而關(guān)于超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗的有效性以及超低頻（0．1 Hz）耐壓試驗與工頻耐壓試驗的等效性的研究結(jié)果不多，也是人們極為關(guān)注和激烈爭論的焦點［6］。 　　本文通過對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)行平行比對試驗，來研究這3種試驗方法作為早期發(fā)現(xiàn)、判別XLPE電力電纜運行事故隱患的有效性和可行性。 [b]2　試驗研究 [/b]　　平行比對試驗方法研究是基于以下2個條件進(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電力電纜運行一段時間后會暴露出所存在的水樹枝早期老化的缺陷。通過對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振蕩波電壓試驗進(jìn)行對比來發(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、施工和運行中的絕緣品質(zhì)缺陷以及從運行現(xiàn)場取回的已投運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 　　試驗前，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。 　　對同一編號試品的3只試樣分別進(jìn)行工頻電壓擊穿試驗、0．1 Hz超低頻電壓擊穿試驗和5～6 kHz振蕩波電壓擊穿試驗。每擊穿1次，在擊穿點位置做一假接頭，再進(jìn)行同一電壓波形的擊穿試驗。超低頻法和振蕩波法的試驗電路如圖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計算得到振蕩波的頻率f和阻尼系數(shù)α。 　　2．3　試驗結(jié)果 　　3種試驗方法的擊穿電壓見表2、表3和表4。 [b]3　分析與討論 [/b]　　直流電場的空間電荷畸變絕緣介質(zhì)局部電場已是不爭的事實，當(dāng)總空間電荷q集中分布在介質(zhì)中x處時，符合泊松方程：Ect－E＝q／（ε0ε），其中Ect為介質(zhì)中x處局部場強(qiáng)，E為介質(zhì)中性體場強(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)局部擊穿場強(qiáng)時，介質(zhì)絕緣性能將明顯下降。 　　從表2的試驗結(jié)果來看，介質(zhì)交變電場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,對介質(zhì)施加交變電場E時,介質(zhì)中麥克斯韋應(yīng)力f為:f=ε0εE2/2 。當(dāng)電場應(yīng)力f引起介質(zhì)的形變△h大于介質(zhì)彈性范圍時，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不容易用短時間的試驗來判別，過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，時常掩蓋了電纜實際絕緣狀態(tài)真相而不能及時發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。表3和表4的試驗結(jié)果表明：試樣S2和S4的人為缺陷是模擬電纜在實際運行過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，此時外施超低頻電壓，介質(zhì)中的水分子極化過程能夠跟上外施電場變化，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)能級激發(fā)態(tài)的寬度；k為波爾滋曼常數(shù)；T為絕對溫度。 　　同理，外施高頻振蕩波電壓時，介質(zhì)中的水分子極化過程來不及跟上電場變化，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)外施電場頻率較高時，復(fù)合介質(zhì)內(nèi)部電場將按其介電系數(shù)分布，氣隙和雜質(zhì)處電場較高，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頻率成反比。當(dāng)電壓逐步升高到能夠維持局部放電時，介質(zhì)表現(xiàn)為宏觀電熱擊穿。 　　試樣S5是運行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、工頻電壓試驗、0．1 Hz超低頻電壓試驗和5～8 kHz振蕩波電壓試驗，以驗證其與工頻電壓試驗的等效性K＝Ux／Uac，結(jié)果列于表5。 　　在電纜介質(zhì)中，直流電場按電阻率分布，交變電場按介電系數(shù)分布。比較表5的結(jié)果，直流擊穿電壓試驗的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時選取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的等效性相對較好，特別是對切痕缺陷敏感（K＝1．1），可作為電纜竣工后的交接試驗方法之一。 　　超低頻電壓試驗的K值因缺陷類型不同而在1．2～2．6范圍內(nèi)變化，與工頻電壓試驗的等效性還有待作更深入的研究。但該試驗方法的突出特點是能夠有效地發(fā)現(xiàn)電纜介質(zhì)的進(jìn)潮和水樹枝缺陷（K＝1．2），而實際運行中的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。相對來說，該方法更適合于作為XLPE絕緣電纜的預(yù)防性試驗方法。 　　工頻電壓試驗當(dāng)然是理想的試驗方法（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，要求工頻試驗設(shè)備的容量較大，設(shè)備的體積和重量很大，不便于運行現(xiàn)場試驗。目前，人們努力通過利用多種調(diào)感方式或變頻方法與電纜的電容產(chǎn)生諧振來獲取接近工頻的高電壓，以求減小試驗設(shè)備體積、減輕重量。 　　相對工頻電壓試驗設(shè)備來說，振蕩波電壓或超低頻電壓試驗設(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，且與工頻電壓的等效性還要做進(jìn)一步研究。振蕩波電壓試驗設(shè)備相對較容易實現(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)場試驗，需要解決的問題仍然是其與工頻電壓等效性研究［5］。與此同時，0．1 Hz超低頻電壓和kHz振蕩波電壓下局部放電測量系統(tǒng)和介質(zhì)損耗測量系統(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)場試驗的需要。 [b]4　結(jié)論 [/b]　?。?）工頻電壓試驗?zāi)軌蛉?、真實地發(fā)現(xiàn)XLPE電纜缺陷和運行故障隱患，可應(yīng)用于XLPE電力電纜竣工試驗和預(yù)防性試驗，特別是110 kV及以上電壓等級的XLPE絕緣電力電纜竣工試驗和預(yù)防性試驗。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。 　?。?）0．1 Hz超低頻電壓試驗?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)防性試驗方法。 　?。?）kHz振蕩波電壓試驗?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方法。 [b]參考文獻(xiàn)： [/b]　?。?］　羅俊華，袁淳智．XLPE電力電纜在直流電場下介質(zhì)樹枝狀劣化特性的研究［J］．高電壓技術(shù)，1993，（1）． 　?。?］　Katsumi Uchida，et al．Study on detection for the defects ofXLPEcable lines［J］．IEEE Transactions on Delivery，1996，11（2）． 　?。?］　Eager G S，et al．High voltage VLFtesting of power cables［J］．IEEE Transactions on Delivery，1997，12（2）． 　?。?］　DIN VDE0276－1001，1995． 　　［5］　Working Group 21．09．After laying tests on high voltage extrud－ed insulation cable systems electra［R］．1997，（173）：33－41． 　?。?］　李祥忠．0．1Hz下電纜介損測量技術(shù)的進(jìn)展［J］．廣東電力，1998,（6）.