XLPE电缆绝缘性能参数测量

【摘要】

交联聚乙烯绝缘电力电缆（简称XLPE电缆），通过物理或化学方法将聚乙烯进行交联而成，性能优良、工艺简单、安装方便、载流量大、耐热性好，目前在配电网、输电线中应用广泛并逐渐取代了传统的油纸绝缘电缆，于是我们针对交联聚乙烯的绝缘性能的测量进行了论述。

【关键词】 交联聚乙烯 电线电缆 绝缘性能 参数 测量方法

0. 引言

近20年来，大量引进的66—220kV级和国产的66—220kV级的XLPE电缆已广泛应用于城网送电系统中。随着时间的推移，如今运行的66kV及以上高压的XLPE电缆，有些已逐渐进入电缆及其附件预期寿命“中年期”。电缆系统在实际使用状况下，能够继续长时期可靠工作或因绝缘老化加速而缩减使用寿命是运行管理部门十分关注的问题。

1. XLPE电力电缆劣化机理

交联聚乙烯绝缘电力电缆由线芯、半导体屏蔽层、XLPE绝缘、铠甲、护套等结构组成，在实际运行中，XLPE绝缘会由于老化造成绝缘性能劣化。XLPE电力电缆劣化机理包括：

⑴ 热劣化：电缆运行温度超过材料允许温度时，材料发生氧化分解等化学反应，从而使电缆绝缘电阻和耐压性能下降；

⑵ 电气劣化：绝缘内部气隙、绝缘和屏蔽层之间的空隙部位的电晕放电、屏蔽层上的尖状突起等引发局部放电，并产生电树枝，引起耐电强度下降；

⑶ 水树枝劣化：有机材料在长时间受水浸渍将吸潮，在强电场作用下水分将呈树枝状侵蚀电缆，生成水树枝；

⑷ 化学性劣化：有机材料溶胀、溶解、龟裂、化学树枝状裂化。

这些电缆的劣化都可以通过检测直流泄漏电流和交流电压下的tgδ 和局部放电来判断其绝缘状况

2. 绝缘性能测量

2.1绝缘电阻测量

测量电力电缆的主绝缘电阻可以检查电缆绝缘是否老化、受潮，以及耐压试验中暴露出来的绝缘缺陷。根据不同的机理，可以得出不同的诊断方法。

2.1.1停电诊断方法

我国《规程》规定的停电诊断方法有： （1）测量电缆主绝缘绝缘电阻

对 0． 6／1kV电缆用 1000V绝缘电阻表； 0.6/1kV以上电缆用2500V绝缘电阻表；其中6kV及以上电缆也可用5000V绝缘电阻表。对重要电缆，其试验周期为1年；对一般电缆，3．6／6kV及以上者为3年，3．6／6kV以下都为5年，要求值自行规定。

（2）测量电缆外户套绝缘电阻

这个项目只适用三芯电缆的外护套。对单芯电缆，由于其金属层（电缆金属套和金属屏蔽的总称）采用交叉互联接地方法，所以应按交叉互联系统试验方法进行试验，即除对外护套进行直流耐压试验外，如在交叉互联大段内发生故障，则应对该大段进行试验。如在交叉互联系统内直接接地的接头发生故障时，则与该接头连接的相邻两个大段都应进行试验。

对三芯电缆外护套进行测试时，采用500V绝缘电阻表，当每千米的绝缘电阻低于0．5MΩ时，应采用下述方法判断外护套是否进水。

当外护套或内衬层破损进水后，用绝缘电阻表测量时，每千米绝缘电阻值低于0．5MΩ时，用万用表的“正”、“负”表笔轮换测量销装层对地或销装层对铜屏蔽的绝缘电阻，此时在测量回路内由于形成的原电池与万用表内干电池相串联，当极性组合使电压相加时，测得的电阻值较小；反之，测得的电阻值较大。因此上述两次测得的绝缘电阻值相差较大时，表明已形成原电池，就可判断外护套和内衬层已破损进水。

外护套破损不一定要立即检修，但内衬层破损进水后，水分直接与电缆芯接触并可能会腐蚀铜屏蔽层，一般应尽快检修。

对重要电缆，试验周期为1年；一般电缆，3．6/6kV及以上者为3年，3．6/6kV以下者为5年。要求值为每千米绝缘电阻值不应低于0．5MΩ。 （3）测量电缆内衬层绝缘电阻。测量方法、周期及要求值同（2）

（4）测量铜屏蔽层电阻和导体电阻比。在电缆投运前、重作终端或接头后、内衬层破损进水后，应测量钢屏蔽电阻和导体电阻比 其测量方法是：

1）用双臂电桥测量在相同温度下的铜屏蔽和导体的直流电阻。

2）当前者与后者之比与投运前相比增加时，表明钢屏蔽层的直流电阻增大，铜屏蔽层有可能被腐蚀；当该比值与投运前相比减少时，表明附件中的导体连接点的接触电阻有增大的可能。 2.1.2在线诊断方法

在国外（主要是日本），交联聚乙烯电缆在线诊断方法主要有直流法、工频法、低频法及复合判断法等四大类。目前国外仍处于研究阶段，国内处于起步阶段。由于国内的研究是以上述方法为基础的，主要介绍直流叠加法。其基本原理如图1所示。利用在接地的电压互感器的中性点处加进一低压直流电源（常用50V）：即将此直流电压叠加在电缆绝缘原已施加的交流相电压上，从而测量通过电缆绝缘层的微弱的直流电流（一般为nA级以上）或其绝缘电阻。

图1 直流叠加法测量原理图

试验证明：用直流叠加法测得的绝缘电阻与停电后加直流高压时的测试结果很相近。

直流叠加法在国内已有应用，但因积累数据及经验还不多，尚无判断标准，目前日本利用直流叠加法测出绝缘电阻的判据，但判断时要了解被试电缆的长度、材料及原始数据等。

2.2介质损耗测量

电缆与架空线相比受气候的影响小,安全可靠,隐藏耐用,是绝缘结构比较简单的传输线之一。介质的功率损耗与介质损耗角正切tanδ成正比,tanδ是绝缘

品质的重要指标,因此测量tanδ值是判断电气设备和电缆绝缘状况的一种较灵敏和有效的方法,特别对受潮、老化等分布性缺陷较为有效。同轴电缆和高速数字通讯电缆的芯线电容，是影响电缆传输性能的重要参数，将同轴电缆单位长度电容控制在允许范围之内，可以保证电缆传输阻抗的均匀。

tanδ和c测量使用的是DEL TA22000 测试仪,其基本电路基于西林电桥。

西林电桥电路如图2 所示

图2 西林电桥电路

它由四个桥臂组成,臂1 为试样用Cx 和Rx 的并联等值电路表示;臂2 为标准电容CN ;臂3 和臂4 为装在电桥本体内的操作调节部分,包括可调电阻R3 ,可调电容C4 及与其并联的固定电阻R4 。外加的交流电源接在电桥的对角线CD 上,在另一对角线A B 上接入平衡指示仪表G, G 一般为振动式检流计。根据电桥平衡原理有:Zx Z4 = ZN Z3 (1)式中Zx , ZN , Z3 , Z4 分别为电桥的臂1 、臂2 、臂3 和臂4 的阻抗。则tanδ为:

当tanδ< 0. 1 时,试样电容可近似按下式计算,其误差一般不大于1 %。

因此,当电桥桥臂电阻R3 , R4 和电容CN ,C4 已知时,就可以求得试样电容Cx 和tanδ。

为了避免外界电场对电桥各部分产生的杂散电容对电桥的干扰,必须对电桥本体进行屏蔽,如图1中的虚线所示。由试样和标准电容连到电桥本体的引线也要使用屏蔽导线。没有屏蔽时,由高压引线到A B 间的杂散电容分别与Cx 及CN 并联,将会影响电桥平衡。加上屏蔽后,上述杂散电容变为高压对地电容,与整个电桥并联,就不会影响电桥平衡了。加上屏蔽后,屏蔽与低压臂3 、臂4 间也会有杂散电容存在,如要进一步提高测量准确度,必须消除它们的影响,但在一般情况下,由于低压臂的阻抗及其压降都很低,这些杂散电容的影响可忽略不计。 实际接线图为：

图3 成品电缆介质损耗测试接线图

对电缆的预处理

图4 成品电缆介质损耗测试终端断面预处理示意图

影响tgδ测量值的因素有三种:一是保护环制作所选用的材料;二是保护环与绝缘屏蔽层之间距离(或间隙) ;三是所施加的测试电压的大小。

(1) 从实验数据可知,采用自粘型铜带保护电极的试验数据最小,铜丝缠绕保护电极的试验数据最大。从测量原理和被测绝缘材料介电特性分析,测量的介质损耗角正切数据越小越好,越精确。因为这时表面泄漏电流很小,对测量值的影响已可忽略不计了。所以用自粘型铜带作为保护电极材料为最佳。 （2）当保护间隙较小时,可以把边缘电容和对地电容纳入保护电极对不保护电极的电容中,消除了它们对测量电容的影响,并使测量电极下的电场趋近均匀电场,所以试验数据影响和变化不大;当保护间隙增加后,保护电极的功能逐渐消失,所以试验数据逐渐增大,最终当保护间隙大到一定值后,不具备保护功能,所以试验数据变化不大。 （3）在同一间隙下,电压增加时,介质损耗角正切数据也增加,这主要原因是在高电压下,电缆端部的边缘效应较明显,所以反映到介质损耗测量数据较大,同时还发现无论是在高电压下,还在低电压,随保护间隙的增大,介质损耗测量数据也增大。

2.3介电常数测量

设固体介质圆片样品的厚度为t、直径为d，面积为S．当电极问为空气介质时(图l—a)测得电容量为C0，放入介质时(图l—b)电容量为Cx。

图5 实验装置示意图

C0是电极以空气为介质、极板面积等于介质圆片面积S而计算出的电容量，即

按图l连接好线路，调节固体测量电极上、下极板的间距，使间距为交联聚乙烯样品厚度的1.3倍左右，并从电极的标尺上读出该间距D。将被测样品放入两极板间的中心，再用电桥测出电极中有介质时的电容量Cx(Cx可参考前面方法测量）。

由 ε=

CX 可算得其介电常数值。 C0 聚乙烯为对称性的中性分子，其介电常数较低，为2.3左右且在很大的温度、频率范围内几乎不变。ε与密度呈线性关系。

2.4耐压试验

交联聚乙烯电缆的检测方法主要有直流耐压检测和交流耐压检测两种。其中，对于直流耐压检测，1990年奥地利Kruger首次提到塑料电力电缆经过直流耐压试验之后，投入运行后不久即发生绝缘击穿现象。[1]由于直流耐压试验自身存在的局限性，不能满足电气耐压试验的需要。我们阐述交流耐压试验的常用方法。

2.4.1超低频(0.1HZ)交流耐压试验

随着变流设备的进步，超低频交流电的获得变得容易。与50 Hz交流电压相比，在拥有良好好的等效性的同时，0.1Hz能降低对试验设备容量的要求。从理论上而言，可使其容量减少到50 Hz时的l／500（于结构原因，实际下降50—100倍）。这有效降低了对于设备的要求。

首先，将50 Hz电源通过整流和滤波变成所需直流电压，通过逆变电路变成1kHz电压；再由0.1 Hz正弦振荡器作调幅处理，使其原I kHz电压等幅波变成0．1 Hz的变化调幅波。这个调制电压通过两个高压变压器和电压倍增电路产生正的和负的按0.1 Hz正弦波变化的高电压。用压敏电阻器VDRl和VDR2进行解调，从而使负载上输出0.1Hz高压正弦电压波形，其原理如图6[2]所示。

图6 0.1Hz发生器原理图

试验研究表明，0.1 Hz电压对水树的监测十分有效，而水树的产生和发展是交联聚乙烯绝缘电缆最主要的老化方式。[3]

目前，该方法主要应用于中低压电缆的试验。由于电压等级偏低，不能用于66 kV及以上高压电缆试验。[4]

2.4.2振荡式交流耐压试验

振荡电压试验是用直流电源给电缆充电，然后通过一个放电球隙给一组串联电阻和电抗放电，得到一个阻尼振荡电压。

图2是高频振荡波试验的接线图，直流电源对充电器C，充电，达到预定值后使球隙放电，试验电压通过C1和电感线圈、试品电缆Cx。形成振荡放电回路，试品电缆Cx上的电压最大值为：

Ux=U1×2C1／(C1+Cx)

Ux可以最大可达2倍的U1。从国外最新的研究报告中看到，振荡波试验对人工模拟的机械损伤和水树枝类型的故障发现效果尚可，而对针板型故障不是很有效果，作为一个试验手段并不理想。

图7 高频振荡波试验线路图[6]

CIGRE WG21.0指出，此种方法优于直流耐压试验，但仍不如工频试验有效。这种方法由于放电次数多、所需时间较长，一般不为中压电缆所采用，适用于110KV及以上电压等级。[5]

2.4.3谐振式交流耐压试验

在50Hz下，试验需要面对巨大的容量，可以采用大容量谐振耐压装置，以大幅度减少试验电源的输入容量。同时，也提高试验的安全性。[8]常用的装置可以分为：调感型串联谐振电抗器、工频谐振试验变压器加固定电抗器补偿、调频串联谐振。

(1)调感型串联谐振电抗器

系统试验电压频率为50Hz，与被试电缆的运行工况一致。利用多台串级可以产生不同等级试验电压，可并联使用，以满足较低电压和较大电流。调感型电抗器的额定电流一般到4-6A 电压250-400V时体积和容量已经是相当大。更大时，体积和造价大幅度上升。所以，调感型多作为实验室固定装置，且试品电缆长度相对较短，较稳定时应该种类型较为适宜。主要不足之处即在于容量局限性较大，对公里级长度的电缆较难满足要求。而且因电压调整过程操作繁重，现场一般不宜采用。

（2）工频谐振试验变压器加固定电抗器补偿

工频谐振试验变压器同属调感型，但比上述调感型串联谐振装置灵活得多。其原理图如图8[8]。

图8 工频谐振试验变压器与固定电抗器并联的原理接线

1—自耦调压器； 2—谐振变压器； .L1、L2、L3—固定电抗器； Cx—被试电缆等值电容

这种试验变压器优点是当电缆很短时，如几十米至上万米时，只要被试验电缆的电容量小于谐振变压器的最大谐振电容量，1台谐振变压器便能自如地完成试验任务。但是，其变压器重量和体积大，一般适用于试验室的耐压试验，现场试验几乎无法使用。

（3）调频串联谐振

调频串联谐振装置的原理图如图9[2]。

图9 调谐串联谐振原理图

调频串联谐振装置的功率P和试验电流I具有下列关系式[7]:

I = 2*Pi*f* C*Utest

P = U*I.

式中:

U：调频串联谐振装置的最高谐振电压； I：调频串联谐振装置的最大试验电流； f：工频耐压试验的电流频率。

图10[10]为调频式串联谐振试验回路的原理图。

图10 调频式串联谐振试验回路的原理图

试品上电压Uc和电源电压Ue的关系如下式

当调节电源频率达到谐振状态，即X1=Xc时,

式中Q谐振回路的品质因数。

对于长电缆，单纯采用串联无法满足电流的要求，单纯采用并联不能满足电压的需求。可以采用串并联的方式。例如，在实际中采用如图10[9]的接线满足了要求。电缆越长，并联的电抗越多。但是，电抗不可无限增加，因为电抗降低了品质因数。

图11 实际接线图

2.5泄漏电流测量技术

绝缘良好的电缆泄漏电流很小，一般只有几到几十微安。由于试验设备用高压引线等杂散电流的影响，当将微安表接入低电位端测量时，往往使测量结果不准，有时误差竟达到真实值的几倍到几十倍。

直流泄漏试验，应在试验电压升至规定值后1分钟以及加压时间达到规定值时测量泄漏电流。泄漏电流值和相间不平衡率只作为判断绝缘状况的参考，不作为是否能投入运行的判据。但如发现泄漏电流与上次试验值相比有很大变化，或泄漏电流不稳定，随试验电压的升高或加压时间的增加而急剧上升时，应查明原因。如系终端头表面泄漏电流或对地杂散电流等因素的影响，则应加以消除；如怀疑电缆线路绝缘不良，则可提高试验电压（以不超过本规程规定的交接试验电压值为宜）或延长试验时间，确定能否继续运行。

在实际测量中应尽量将微安表接在高电位端的接线，这时对测量微安表、引线及电缆两头，应该严格地屏蔽，对于整盘电缆可以采用如图2所示屏蔽接线方式。这里微安表采用金属屏蔽罩屏蔽，微安表到被试品的引线采用金属屏蔽线屏蔽，对电缆两端头则采用屏蔽帽和屏蔽环屏蔽。屏蔽和引线之间只有很小的电位差，所以并不需要很高的绝缘。

图 12 测量直流泄漏电流时的屏蔽方法

1—微安表屏蔽罩；2—屏蔽线；3—端头屏蔽帽；4—屏蔽环

表2为通过泄漏电流对绝缘性能判定的标准

表2 6-10kV交联电缆绝缘类别划分标准 项目 类别 泄漏电流（μA/km） 第二级试验电压U2 5min的绝缘电阻值（MΩ/km） 第二级试验电压U2 时极化比 =1min时泄漏电流/5min时泄漏电流 弱点比 =U1下的绝缘电阻5min时值/U2下的绝缘电阻5min时值 注：①如铜屏蔽层绝缘电阻（即外护套绝缘电阻）<100-200Ω的电缆，即使上述指标“良好”，也划为“要注意”。

②做泄漏试验时，必须排除表面泄漏影响，并用0.5级μA表。

③电缆长度较短时（≤1kM），泄漏电流不必按μA/km考虑，直接用μA值。 ④进口电缆，泄漏电流相间不平衡率超过200%时划分为“要注意”。 ⑤记录试验时的天气、环境温度和相对湿度。

直流泄漏试验结果综合诊断为“不良”时，可适当提高试验电压（不超过本规程规定的交接试验电压值）或延长加压时间,做直流耐压试验。试验通过者，允许继续投用，但该电缆的预试周期应缩短。

6-10kV三芯交联电缆直流泄漏试验按图13、图14接线

1）如铜屏蔽层对地绝缘电阻（即外护套绝缘电阻）在0.5MΩ以上时，按图3做直流泄漏试验。（μA）表量程宜用0～10μA，串接在屏蔽线和地之间，但另一端屏蔽线必须悬空。

<5 >5 >5 良好 <1 >10000 >1 要注意 1-10 1000-10000 ≈1 不良 >10 <1000或电流波形异常 <1 图13 6～10kV三芯电缆其屏蔽层绝缘电阻≥0.5MΩ时直流泄漏测试接线图 2）如铜屏蔽层对地绝缘电阻小于0.5MΩ时，按图4做直流泄漏试验。（μA）表应置于高压回路，并用环氧绝缘支架或其他绝缘物支撑。

图14 6～10kV三芯电缆其屏蔽层绝缘电阻<0.5MΩ时直流泄漏测试接线图

3.结束语

通过对XLPE的绝缘特性的测量，我们可以对XLPE电线电缆的运行状况进行一定的了解，绝缘性能的测量结果不仅显示了XLPE的寿命与使用情况，更是电网可靠运行的保障。

参考文献

1. SWCC Information Sheet Development of high-voltage very low frequency generator for insulation test of XLPE cable 1991

2. 石峰. 交联聚乙烯电缆耐压试验方法[M].东北电力技术.2010.31(1) 3. 石峰.交联聚乙烯电缆耐压试验方法[M].东北电力技术.2010.31(1)

4. 吴胜翔.交联聚乙烯电缆谐振试验及其他方法的探讨[M].电气化铁道.2008(3)

5. 刘文先.0.1 Hz超低频(SLF)耐压试验[M].山西电力.2007(2)

6. 周良才.高压交联聚乙烯电缆现场交流耐压试验方法研究[M].中国电力2000.33(3)

7. 何兆英.6～35 kV交联聚乙烯电力电缆的绝缘试验[M].广东电力.2005,18(8) 8. 钟聪,陈洪波.220 kV交联聚乙烯电缆现场交流耐压试验[M].四川电力技术.2003,26(4)

9. 郭红兵,孟建英,杨军,张渺.串联谐振并联补偿方法在220 kV长交联聚乙烯电力电缆耐压试验中的应用[M].内蒙古电力技术.2008,26(4)