西马力-01Hz超低频(VLF)余弦方波耐压试验技术

0.1Hz超低频（VLF）余弦方波耐压试验技术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）。

这类具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西马力公司的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， HDW电子器件公司和勃朗施维希（Braunsch-weig）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，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。

西马力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0.5μF电容量的电缆，另外还有用高达70KV测2.5μF电容量的电缆的装置以及可供作52/70KV的常规直流试验。

5.5μ 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，西马力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=50.1Hz超低频余弦方波 U/U0=70.1Hz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：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。

目前西马力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。