CN102680871B - 中压交联聚乙烯电缆无遮蔽起晕电压试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种中压交联聚乙烯电缆无遮蔽起晕电压试验方法，其特征在于：以没有套装绝缘护套管的中压交联聚乙烯无遮蔽电缆头为受试主体，在暗室内使用目前电力系统常用的工频交流耐压器作为试验设备，对受试电缆头进行交流耐压试验，在交流耐压试验中观察并记录电缆头半导电层切剖口电晕初发时的试验电压值，即为该电缆起晕电压值。本发明使得提前发现和处理电缆头内部缺陷绝缘缺陷成为可能；尤其在电缆投入运行前尽早发现新制作的中压交联聚乙烯电缆头的绝缘缺陷；把电缆事故消除在电缆运行之前；提高中压交联聚乙烯电缆工作可靠性，以达到降低或者消灭中压交联聚乙烯电缆事故，提高提高电力系统的供电可靠性以及电缆用户的用电可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电缆终端头绝缘结构质量检验技术领域，特别是涉及一种中压交联聚乙烯电缆无遮蔽起晕电压试验方法。
背景技术
电力系统将6～35kV电压等级称为中压，中压电网指电压等级为6～35kV的电网或电力系统。
无论国内外，中压交联聚乙烯(XLPE)电力电缆被广泛用于传送电能。应用交联聚乙烯电缆时，电缆的两端必须要制作电缆终端头，业内称之为电缆终端；采用电缆长距离传送电能时，需要将两根或多根电缆连接起来，而将相邻的两根电缆连接，需要制作电缆中间接头。本文将电缆终端头与电缆中间接头简称为电缆头。
交联聚乙烯电缆和橡胶电缆是目前电力系统使用量最大的电力电缆，特别是以交联聚乙烯塑料为代表的新型绝缘材料电缆，是较安全的电能输送装备。正常情况下，中压电缆由于本体质量问题而发生故障的概率极低，大多数电缆本体事故是外力破坏或环境灾害而导致意外发生事故，但是近几年中压交联聚乙烯电缆事故频发，事故大多数发生在电缆头上，事故造成电缆头烧损，导致电缆变短而报废。有些电缆事故不仅造成电缆本身烧损，电缆短路引发的电弧还会波及到与电缆连接的变压器、开关柜等电气设备，造成变压器、开关柜等电气设备烧损甚至报废。电缆烧损造成电力企业对用户停电、限电事故；严重的影响了电力用户的生产、工作和生活秩序。
造成交联聚乙烯电缆终端头或者中间接头事故的因素很多，其中电缆终端头及中间接头的制作工艺不良、电缆敷设安装方法不当占电缆事故比率很低；中压交联聚乙烯电缆头附件制造厂商，提供的电缆附件及配套材料有缺陷，或者附件制造厂配套提供的电缆头制作工艺规范存在缺陷，造成电缆头的绝缘结构不合理，不能满足额定电压下的正常运行，电缆头在运行中发生绝缘事故即电缆单相接地的比率更大。
现行的交联聚乙烯电缆终端头和中间接头有两种制作工艺方法：一种是电缆头热缩制作工艺方法；一种是冷缩制作工艺方法；目前这两种电缆头制作工艺方法类似，均存在着绝缘结构缺陷。
电缆头制作时必须按照工艺规范切割剖剥各部分尺寸，电缆半导电层剖割后，半导电层切剖口与绝缘层结合部在运行中电场畸变，产生危险的电场切向分量和轴向分量，电缆主绝缘承受的电场强度提高10～20倍，电缆切剖口处的游离电压降低，导致电缆切剖口处产生电晕。电晕长期在电缆切剖口与绝缘层处产生的微弱电火花并在电缆头运行温度上叠加数十度温度，长期在电晕火花和电晕高温(指电晕温度高于绝缘层其他部位温度)的作用下，绝缘层交联聚乙烯塑料材质逐渐恶化，介质损耗增大，泄漏电流增加，最终导致电缆头的绝缘强度降低，在运行电压下电缆半导电层切剖口处主绝缘发生绝缘击穿，引发电缆芯线(导体)对半导电层(接地部分)发生电弧放电，造成交联聚乙烯电缆头发生单相接地事故。若电力系统继电保护装置不能及早切除故障点，发生事故的电缆头在单相接地电弧以及电网故障电流、电压的作用下发展扩大为多相短路事故。
交联聚乙烯电缆在正常的运行电压下，如果电缆头的绝缘结构能够保证电缆的长期安全运行，电缆头半导电层切剖口处不会发生电晕；若电缆头制作的工艺或者电缆质量等原因造成电缆头的绝缘结构有缺陷，就不能保证电缆的长期安全运行，电缆在正常的运行电压下，电缆头半导电层切剖口处就会发生电晕；但是此电晕放电能量很小，加上此放电电晕被包覆在电缆终端引线的辅助绝缘层内，无论国内还是国外目前广泛采用的电缆试验方法——交流耐压试验查不到电缆头的绝缘结构缺陷，或者说交流耐压试验查不到电缆头的事故隐患。因为电缆电晕放电的能量很小，交流耐压试验无论试验时间多长，在试验过程中电缆不会出现任何异常，也不会留下任何放电痕迹。除了电缆头存在很严重的绝缘缺陷，正常情况下，交流耐压试验对隐性的电缆事故隐患无能为力；但是交联聚乙烯电缆带电运行后，隐性的电缆事故隐患以微弱的电晕放电火花为表现形式，长期在电缆头内部灼烧，半导电层切剖口处主绝缘层的介质损耗增大，泄漏电流增加，最终导致电缆芯线(导体)对半导电层(接地部分)绝缘击穿，引发电弧放电，造成电缆事故。
尽早发现新制作的中压交联聚乙烯电缆头的缺陷，尽早发现正在使用中电缆头内部的缺陷，是中压交联聚乙烯电缆头缺陷消除的前提。但是，无论国内外目前均无新制作电缆头和正在使用中电缆头内部缺陷的前期查找方法。本发明申请，是通过试验手段发现新制作的中压交联聚乙烯电缆头内部缺陷和正在使用中电缆头内部缺陷的一种缺陷确定方法；若此方法推广使用，可以达到消除和降低交联聚乙烯电缆头发生单相接地事故的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种操作简便、结论可靠的中压交联聚乙烯电缆无遮蔽起晕电压试验方法。
本发明的解决上述技术问题采取的技术方案是：一种中压交联聚乙烯电缆无遮蔽起晕电压试验方法，其特征在于：以没有套装绝缘护套管的中压交联聚乙烯无遮蔽电缆头为受试主体，在暗室内使用目前电力系统常用的工频交流耐压器作为试验设备，对受试电缆头进行交流耐压试验，在交流耐压试验中观察并记录电缆头半导电层切剖口电晕初发时的试验电压值，即为该电缆起晕电压值，具体包括如下步骤：
A.以中压交联聚乙烯无遮蔽电缆头为受试检验主体；对于运行使用的电缆头，将电缆头引线部分的绝缘护套管割除，露出电缆引线半导电层切剖口和主绝缘层；对于正在制作程序尚未运行使用的电缆头，做实验之前暂不安装作为辅助绝缘层的绝缘护套管或耐候管；
B.对于按照现有的电缆头制作工艺规范制作的套装应力管的、经过步骤A处理的受试电缆头，在半导电层切剖口处的应力管上切割一个3×4mm的观察方孔；观察方孔用于方便观察试验过程中的电晕；
C.无任何光源的暗室作为试验地点，将电缆屏蔽层的接地线接地、电缆引线的接线端子与高压试验连接线连接、高压试验连接线的另一端与工频交流耐压器的高压线接线柱连接、将工频交流耐压器的接地线接地；
D.试验由零起升压，平稳加压至0.5Um，调整加压阶梯试验电压，每一个加压阶梯时间为1分钟；加压过程中观察电缆头半导电层切剖口处出现电晕时对应的电压(现有的套装应力管的受试电缆头)与电晕强度，或观察电缆应力锥与半导电屏蔽层结合部出现电晕时对应的电压(绝缘应力锥电缆终端头)与电晕强度，并记录试验数据；出现电晕时对应的试验电压值，就是为该电缆起晕电压值。
本发明是以中压交联聚乙烯无遮蔽电缆头为主体，无论是使用中的还是新制作的电缆终端头、中间接头，必须将电缆头引线部分的绝缘护套管割除；露出电缆引线半导电层切剖口和主绝缘层。本发明的有益效果主要在于：
1、本发明提出了发现电缆头起晕电压和确定电缆头的起晕电压的方法；通过电缆头无遮蔽起晕电压试验，使得提前发现和处理电缆头内部缺陷绝缘缺陷成为可能；尤其在电缆投入运行前尽早发现新制作的中压交联聚乙烯电缆头的绝缘缺陷；进而可以提前采取增加电缆头关键部位绝缘厚度等技术手段提高起晕电压值，提高电缆头内起晕电压，这是目前降低或消灭中压交联聚乙烯电缆终端头事故唯一有效的试验方法；
2、对于运行使用的中压交联聚乙烯电缆，进行无遮蔽起晕电压试验，不需要刻意安排停电，只须在电气设备或输电线路正常计划安排的检修或预防性试验的停电期间，即可完成电缆头内部的绝缘缺陷检查和处理。这个方法无论电力系统的发电企业、供电企业还是电力用户均可使用；
3、尽早发现中压交联聚乙烯电缆头的绝缘缺陷、并及时消除中压交联聚乙烯电缆头的绝缘缺陷，不仅避免了电力系统对用户停电造成的巨大损失，最重要的是本发明提供的方法能够有效地查明电缆终端头的事故潜伏点，及时消除潜在危险点，避免电缆事故潜伏点发展为电缆事故。把电缆事故消除在电缆运行之前；提高中压交联聚乙烯电缆工作可靠性，避免中压交联聚乙烯电缆、特别是电缆终端头、中间接头事故及故障；以达到降低或者消灭中压交联聚乙烯电缆事故，提高电力系统的供电可靠性以及电缆用户的用电可靠性。
附图说明
图1是中压交联聚乙烯电缆无遮蔽起晕电压试验方法接线示意图，
图2是绝缘应力锥电缆终端头的结构示意图。
图中：1—电缆引线，2—高压试验连接线，3—工频交流耐压器，4—试验设备接地线，5—电缆屏蔽层接地线，6—绝缘应力锥。
具体实施方式
实验例所使用的工频交流耐压器技术参数：调压器型号：HTC-25/0.22；试验变压器：CQSBJ；25kVA；输入：200V/1.258A；输出：50kV/0.5A。
实验例1.套装应力管的中压交联聚乙烯电缆无遮蔽起晕电压试验
选择YJV22-3×35mm28.7/15kV交联聚乙烯电缆作为试验品。首先使用现行的套装应力管工艺制作电缆头，套装应力管的电缆头在半导电层切剖口处的应力管上切割一个3×4mm的方孔，但是作为辅助绝缘层的护套管或耐候管暂不安装，以便于观察试验过程中的电晕。试验地点必须选在无任何光源的暗室中进行。
试验的目的：测量确定使用套装应力管工艺方法制作电缆终端的起晕电压值。
按照图1所示，将电缆屏蔽层的接地线5接地、电缆引线1的接线端子与高压试验连接线2连接、高压试验连接线2的另一端与工频交流耐压器3的高压线接线柱连接、将工频交流耐压器的接地线4接地。
试验由零起升压，平稳加压至0.5Um，调整试验电压：0.8Um；0.9Um；1.0Um；1.1Um；1.2Um；1.3Um；1.4Um；1.5Um；1.6Um；每一个加压阶梯时间1分钟。加压过程中观察电缆应力锥与半导电屏蔽层结合部电晕情况，观察电缆头半导电层切剖口处的电晕强度并记录试验数据。
调整试验电压在1.0Um时，尚未出现电晕；当试验电压向1.1Um调整时，即试验电压升至9kV，半导电层切剖口处套装应力管的电缆头出现微弱的电晕火花。试验中不仅可以在半导电层切剖口处观察到电晕火花，而且可以听到明显的电晕放电声。试验电压降低至电晕火花熄灭，再次升压至电晕火花初现。反复三次，试验品的起晕电压值三次均为9kV，因此该电缆头的起晕电压则为9kV。试验中不仅在半导电层切剖口处观察查到初现的电晕火花，且听到明显的电晕放电声。
实验例2.绕包应力锥的中压交联聚乙烯电缆无遮蔽起晕电压试验
本试验方法与上实验例1的相同，并与实验例1进行对比。为了避免不同电缆的质量偏差，特别是电缆绝缘层厚度及材质的差别，造成实验结果偏差。试验选择同一根3.9米长的同规格YJV22-3×35mm28.7/15kV交联聚乙烯电缆作为试验品。在实验例1已经套装应力管的同一相电缆的另一端再使用绕包应力锥工艺方法制作中压交联聚乙烯绝缘应力锥电缆终端头，进行电缆头起晕电压对比试验。中压交联聚乙烯绝缘应力锥电缆终端头与本发明申请同日提交专利申请。
试验的目的有两个：第一，分别测量确定套装应力管及绕包应力锥电缆终端的起晕电压值，第二，对比套装应力管电缆头与绕包应力锥电缆头起晕电压值的大小。
在实验例1已经套装应力管的同一相电缆的另一端按照芯线主绝缘层的半导电层切剖口上部绕包应力锥的工艺制作电缆终端头，制作方法是：
自芯线半导电层切剖口开始用半重叠缠绕的方法包缠制作绝缘应力锥，即第二圈无色透明聚氯乙烯塑料带将第一圈无色透明聚氯乙烯塑料带一半宽度重叠包缠，第三圈无色透明聚氯乙烯塑料带将第二圈无色透明聚氯乙烯塑料带一半宽度重叠包缠，以此类推；包缠时注意填充芯线绝缘层的低凹部位，将绝缘应力锥外形包缠成曲线圆滑的萝卜头形状，并且包缠成与半导电层截止端对应的位置的绝缘应力锥外形尺寸最大；使用聚氯乙烯胶或聚氯乙烯塑料胶带将加包的聚氯乙烯塑料带端头粘接牢固，制作成绝缘应力锥6。
应力锥6尺寸：主绝缘层直径绝缘应力锥屏蔽锥面长度L1为70mm，应力锥最大直径绝缘应力锥上段长度L2为30mm；电缆主绝缘层厚度5mm，绕包应力锥最厚点绝缘厚度为7.5mm，
同样电缆终端头的引线上暂时不套装外层绝缘套管，待试验完成后再按照电缆头制作工艺规范套装外层绝缘管。
试验由零起升压，平稳加压至0.5Um，调整试验电压：0.8Um；0.9Um；1.0Um；1.1Um；1.2Um；1.3Um；1.4Um；1.5Um；1.6Um；每一个加压阶梯时间1分钟。加压过程中观察电缆应力锥与半导电屏蔽层结合部电晕情况，观察电缆头半导电层切剖口处的电晕强度并记录试验数据。
电晕出现后，记录此时试验电压值；将试验电压平稳的降低至电晕熄灭，再将试验电压平稳的小幅升至电晕初现，再记录此时试验电压值；此试验过程反复循环三次，试验品的起晕电压值三次均为16kV，因此该电缆头的起晕电压为16kV。
注意：对比上述三次试验记录的3个电压值，若3个电压值接近但不相等，则其算数平均值即为起晕电压值；若3个电压值相等，则此值即为起晕电压值；若3个电压值相差较大，说明读取的某一个或几个试验电压值存在误差，则应重复上述试验。
若试验电压大于1.6Um，电缆头仍无电晕，可以继续加压直至电晕出现；也可以停止试验不再继续加压。因为试验电压大于1.6Um电缆头仍无电晕，可以认为此电缆头无论绝缘结构还是制作工艺，均达到了电缆安全运行的高水平，此电缆头在运行中不会产生电晕，此电缆在设计寿命期内也不会发生事故。
实验1与实验2电缆头起晕电压的对比试验结果：
同一根3.9米长电缆的两个终端头试验测得：包缠应力锥的一端起晕电压为16kV；而在半导电层切剖口处套装应力管的一端电缆头起晕电压为9kV。试验中可以在半导电层切剖口处观查到初现的电晕火花，且可以听到明显的电晕放电声。
同一根YJV22-3×35mm28.7/15kV交联聚乙烯电缆头增加应力锥后电缆头的起晕电压数值大幅度提高；高出套装应力管一端电缆头的起晕电压5kV(高出56％U应力管)。这根YJV22-3×35mm28.7/15kV交联聚乙烯电缆套装应力管的一端电缆头起晕电压为9kV，只比电缆正常运行电压8.7kV高出0.3kV。若此电缆使用在电力系统的用户端，其尚能够正常运行；若此电缆使用在电力系统的电源端，其系统电压高于额定电压5％为15.75kV，相电压为9.094kV；电缆正常运行时相电压高出此电缆头起晕电压94V；此电缆正常运行时电缆头内部即产生电晕。我国电力系统15kV电压等级多用于电力系统电源端的发电机出口电压的设备上。因此这根8.7/15kV交联聚乙烯电缆若在发电厂使用，只要一带电，电缆头内部即产生电晕。
目前，国内按照现行的电缆终端头制作工艺规范制作、安装的6～35kV交联聚乙烯电缆头均为套装应力管，而不是安装有应力锥的。实验1与实验2的8.7/15kV电缆头起晕电压的对比试验结论表明：
1、套装应力管电缆头的起晕电压低于应力锥电缆头的起晕电压；套装应力管电缆头的起晕电压9kV，接近该电缆的额定相电压8.7kV。可以推论：大量的电缆事故其电缆终端头内部运行中存在电晕放电现象，只是电晕放电的能量较小，目前常规的交流耐压试验不可能找出电缆头内部的绝缘缺陷。然而，观察不到放电火花斑痕，并不能说明此类套装了应力管的电缆在正常运行电压下，特别是长期运行后(几年或十几年)而不发生电缆头的放电击穿事故。
2、电缆头在额定电压下正常运行，目前应力管结构的电缆头是起不到预期的控制畸变电场、消弱电场切向应力的作用。可以推测这根YJV22-3×35mm28.7/15kV交联聚乙烯电缆头在额定运行相电压9.094kV下，电缆头的半导电层的剖封切口处必然产生电晕火花，由于这个电晕火花的能量不大，短时间不会对电缆的主绝缘层造成损害。当然电缆在国标规定的“2.5Ue/5min橡塑电缆20～300Hz交流耐压试验”标准检验下，没有任何问题，耐压试验可以顺利通过。在电缆试验中，电晕放电火花的能量很小，无论试验时间为5分钟还是1小时，甚至更长时间，试验后均不会在电缆头的主绝缘层留下明显的放电火花斑痕。这也揭示出背景技术所说的“近几年中压交联聚乙烯电缆事故频发，事故大多数发生在电缆头上”的根本原因。
Claims (1)
1.一种中压交联聚乙烯电缆无遮蔽起晕电压试验方法，其特征在于：以没有套装绝缘护套管的中压交联聚乙烯无遮蔽电缆头为受试主体，在暗室内使用目前电力系统常用的工频交流耐压器作为试验设备，对受试电缆头进行交流耐压试验，在交流耐压试验中观察并记录电缆头半导电层切剖口电晕初发时的试验电压值，即为该电缆起晕电压值，具体包括如下步骤：
A．以中压交联聚乙烯无遮蔽电缆头为受试检验主体；对于运行使用的电缆头，将电缆头引线部分的绝缘护套管割除，露出电缆引线半导电层切剖口和主绝缘层；对于正在制作尚未运行使用的电缆头，做实验之前暂不安装作为辅助绝缘层的绝缘护套管或耐候管；
B．对于按照现有的电缆头制作工艺规范制作的套装应力管的并经过步骤A处理的受试电缆头，在半导电层切剖口处的应力管上切割一个3×4mm的观察方孔；
C．无任何光源的暗室作为试验地点，将电缆屏蔽层的接地线接地、电缆引线的接线端子与高压试验连接线连接、高压试验连接线的另一端与工频交流耐压器的高压线接线柱连接以及将工频交流耐压器的接地线接地；
D．试验由零起升压，平稳加压至0.5Um，调整加压阶梯试验电压，每一个加压阶梯时间为1分钟；加压过程中观察电缆头半导电层切剖口处出现电晕时对应的电压与电晕强度，或观察电缆应力锥与半导电屏蔽层结合部出现电晕时对应的电压与电晕强度，并记录试验数据；出现电晕时对应的试验电压值，就是为该电缆起晕电压值。
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