0.1赫兹超低频耐压技术在厂用电缆试验上的应用
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摘要:本文主要介绍了田家庵发电厂目前在电气设备预试工作中采用的0.1Hz超低频耐压试验技术。通过该测试技术的原理、特点、标准的简介及在厂用电缆耐压试验上的运用实例，验证了该技术在现场耐压试验工作中的适应性。在解决了试验设备容量不足难题的同时还减轻了设备重量节约了成本，简化了诊断测试程序，提高了电缆供电的可靠性。
Abstract: The article mainly introduces the 0.1Hz very-low frequency withstand voltage technique，in Tian Jia'an power plant's electric equipment preventive test.Through introducing this kind of test technique's principle,characteristic ,standard and real example in auxiliary cable test,proving the adapatation of the technique.This kind of technique can solve the problem of the test equipment capacity.Meanwhile,it makes the test equipment lighter,save the cost and simplify the diagnose test programme and improve the cable's reliability.
Keywords:0.1Hz；very -low frequency; sine wave; electric cable; AC voltage withstand test
中图分类号：TM247 文献标识码：A 文章编号：
目前交联聚乙烯（XLPE）电缆以其优异的性能已普遍应用于各厂矿高压厂用电系统中。为保证它供电的可靠性就需要定期对电力电缆进行耐压试验即检查电力电缆的绝缘状况。传统油纸电缆的直流耐压试验已不适用于此类电缆。这是因为交联聚乙烯电缆绝缘层中的材料含有多种成分，导致其电阻率分布不均匀，同时电阻率受温度等因素影响也大。在直流电压下其电场分布呈不均匀状态，且直流电压所建立的电场强度分布状况与运行中的交流电场强度分布状况不同，直流耐压不能模仿运行状态下电缆承受的过电压。此外在直流电场作用下容易产生和聚集空间电荷，使得XLPE介质中局部缺陷处（如制造过程不可避免的气隙、杂质或运行过程中产生的水树枝等缺陷）的电场发生畸变，局部电场强度剧增，形成介质树枝状不可逆早期劣化，甚至发生击穿故障。因而交流耐压即成为鉴定XLPE电缆绝缘好坏的决定性试验。
0.1赫兹超低频耐压技术的选用及原理。
1.1 0.1赫兹交流电压与工频电压的等效性
电缆为容性负载，其绝缘构成属典型的夹层绝缘结构。随着其截面积及长度地增加它对地的电容量也越来越大。大容量容性试品被施加交流电时必需要在每个半波放电，传统的工频交流试验在试品和电源之间有很大的能量流动，这就需要大型的变压器、调压器等设备。而这些设备既庞大笨重不易搬运，且因容量限制而不易制造。此时探索一种新的试验电压及其装置就顺理成章了。0.1Hz超低频技术通过降低工作频率来降低试验电源容量，理论上其对试验设备的容量要求可减小到工频设备容量的1/500，且试验程序大大简化。
一项试验技术的产生只有符合现场工况才有它存在的意义。实际的试验结果表明，超低频0.1Hz的交流电压在夹层绝缘中是按电容分配的。电缆夹层绝缘体的等值电路如图1所示（单元等值电容C1、单元等值电阻R1组成单元等值电路，等效电容Cn、等效电阻Rn组成等效等值电路）。在单元等值电路中的等效阻抗为Z=R1/1+j2fC1R1，若2fC1R1»1时,则Z=1/2fC1。当频率一定时，阻抗Z仅决定于电容C1，这样简化的近似误差与2fC1R1值的大小有关。即2fC1R1=10时，近似误差为0.5％；2fC1R1=50时，近似误差为0.02％；2fC1R1=100时，近似误差为0.005％.对常用绝缘材料实测的结果表明，当电源频率在0.1~100范围内时，2fC1R1的值，即RX/XC均大于10，且在50~100的范围。由此可见，0.1Hz的电压在夹层绝缘中的分配如同工频50Hz的电压一样，也即按电容CX分配。误差在0.5％以内，这在工程上是容许的。超低频0.1Hz的交流电压完全可以替代工频交流电压。
0.1赫兹超低频正弦波技术的原理
该项技术研发的目的是试验设备输出一个超低频正弦波型的高压。用超低频以低充电电流，相对长一点的时间间隔对试品充电至高压，这里超低频的波形是关键，特别适合的是正弦波，因其避免了其他波形可能产生的高频谐波，而该高频谐波会对测试目标产生驻波或有害的电压突变。该项技术的基本理念如图2中的展示：系统所需的输入功率是从一个正常的220伏50Hz的电源处获得。输出电压的振幅是由自动可调变压器（T1）控制的，该变压器的输出用相应需要的超低频来调节，如0.1Hz。该过程在图2中用T2来表示。T2的输出以正弦波模式周期性地增加或减少，频率是两倍的输出频率，这样就会产生一个50Hz电压，。该调制工频电压经过高压变压器（T3）逐步升压。该高压变压器的输出通过一个能产生单极电压的全波整流器来整流。最后，整流器与终端之间的一个极性开关每隔半个周期就会将整流后的电压的极性翻转一下。输出电缆和被测试品的电容将提供充足的滤波，以便将120Hz的波动减至一个可接受的水平，其最终波形显示出来的就是一个高压超低频正弦波。
2超低频电缆耐压试验规范
在0.1Hz超低频耐压试验技术得到推广应用以后，各国在交联聚乙烯电缆试验上，相继制定出了相应的规程标准。最早应用该技术的德国于1995年制定了《中压橡塑电缆交接试验工频交流耐压和0.1Hz耐压试验电压标准》。提出超低频0.1Hz耐压标准为3倍相电压，持续60分钟。该国多特蒙德电力公司曾于1987~1998年间对3237次电缆耐压试验做过耐压时间与击穿发生率之间关系的统计。得出若耐压时间缩短为30分钟则约30%的潜在故障不能排除的结论。进一步明确了耐压时间问题。
美国电子与电气工程师协会在2003年8月了IEEE P400.2/D1标准。规定5-8kV电压等级的电缆在安装和验收试验时，试验电压应大于3U0；维修时的试验电压是验收试验电压的80%。以峰值电压测量时，测试时间需加倍。原因是有效值是峰值的0.707倍。此外还建议：
（1） 推荐的测试时间为15到60分钟。实际的测试时间要根据测试条件、电缆系统、安装条件、测试的频繁程度以及选择的测试方法来定。当测试被打断时需重新开始测试。 （2） VLF测试方法的频率范围为 0.01 Hz 到0.1 Hz。最为常用的为0.1Hz，如果频率低于0.1Hz，则相应的测试时间加长。 国家电网公司委托武汉高压研究所，于2004年8月《35KV及以下交联聚乙烯绝缘电力电缆超低频0.1Hz耐压试验规范》。提出试验电压峰值：3U0；试验时间：60min 的标准。
中国大唐集团公司《电力设备交接和预防性试验规程》Q/CDT 107 001-2005版规定了橡塑电缆(35KV及以下)超低频0.1Hz耐压试验标准：交接时加3倍U0，时间60分钟；预试时加2.1倍U0，时间5分钟。以上标准对试验成功的判断依据是试品在耐压过程中无闪络。作为大唐集团的下属企业，田家庵发电厂目前执行其公司标准。
0.1Hz超低频正弦波电压输出因其不具有直流分量，对预试设备不产生积累效应，与测试负荷无直接关系，故障判断直观简单等优点目前在生产现场被广泛采用。
3 0.1Hz超低频正弦波耐压试验设备的现场应用
3.10.1Hz超低频正弦波耐压试验设备的特点
（1)0.1Hz超低频正弦波耐压试验设备输入功率小，使用现场220V电源即可工作。且接线直观、简单。（2)0.1Hz超低频正弦波耐压试验设备的输出电压较高，目前已有80kV级试验设备可选。
（3)0.1Hz超低频正弦波耐压试验设备可通过采用更低的频率（仪器程序中有0.05Hz，0.02Hz的频率可选）试验较长的电缆。
（4)0.1Hz电压在试品中的损耗比工频电压试验时小得多，且与工频耐压相比对试品无累计破坏效应，尤其适合大电容试品的耐压试验。
（5)在试验设备内部采用了高、低压闭环负反馈控制电路，避免了输出容升效应。
（6)对于有缺陷的试品，0.1Hz超低频正弦波电压产生的局放起始电压较低，这样就能在及时发现缺陷的同时，又不至于损伤试品绝缘良好的部分。
3.2现场应用
3.2.1实例（1)2012年9月田家庵电厂辅助变II路电缆预试。该电缆型号：ZR-YJV-6/6；规格：3×150mm；长度：850米。试前按工频计算其试验设备的所需容量S=CXUS2×10-3KVA，式中CX查表1得：0.358×0.85=0.3043（µF），US取工频耐压标准9.6 KV，得出S为8.81 KVA。已超出了我厂工频耐压设备的容量。于是我们选用某厂生产的超低频耐压设备，其额定输出电压为30KV，0.1 Hz输出时最大带载能力为1.1µF。我们采用分相测试加2.1倍U0，时间5分钟，B、C相均顺利通过，进行A相试验时在电压刚升过其额定电压时，仪器发击穿信号并跳闸。经故障定位发现电缆通往厂外的一处对接头处绝缘破损，处理后A相按交接标准加3倍相电压，时间60分钟。试验中电缆无闪络，交流耐压顺利通过。此后电缆运行至今一切正常。
表 1 部分厂用电缆（单芯）对地电容量参考值（µF/1km）
实例（2)2011年5月大唐洛河电厂#5机A引风机变频改造电缆交接试验。该电缆型号：ZR-YJV-6/10；规格：3×4×120mm；长度：350米。因其每相由4根电缆并接且开关柜空间有限，分根进行耐压绝缘距离难以调整。于是我们考虑利用超低频设备的优势4根并试。经计算4根电缆并联的电容量=4×0.327×0.35=0.4578µF，在试验设备的带载能力之内。在测试完每根电缆的绝缘电阻合格且相互间平衡后，采用0.1Hz正弦波耐压设备加3U0；时间：60min，顺利完成试验任务。这里需要说明的是：系统电缆预试中为保证超低频设备有一个完整正弦波输出，要求其最小负载电容不低与0.05µF，建议小电容试品的耐压采用工频装置进行。表2给出了0.1Hz超低频耐压装置与常规工频耐压装置可试电缆（单相）长度的参考值供借鉴。
表 20.1Hz超低频耐压装置与常规工频耐压装置可试电缆长度参考值
注：超低频耐压装置取0.1 Hz（正弦波输出）时仪器的最大带载能力1.1µF。
3.2.2测试要点及安全事项
（1) 测试前电缆需与所连设备完全脱离，检查电缆外观应正常。设定好监护范围及专职监护人后用2500V及以上等级的兆欧表测试其相对地及屏蔽、相间绝缘良好且应平衡。
（2) 调整好加压相与非加压相及周围物体的安全距离，非加压部位接地。
（3) 检查超低频设备接线应正确，各端子接触牢靠，接地线完备无松脱。
（3) 根据电缆截面及长度估算其电容量正确选择超低频设备输出频率。
（4) 确认升压旋钮在零位再开启电源。
（5) 仪器自检后依次设定输出波形，输出频率，测试时间，电压及电流保护值等参数并选择测试方式。。
（6) 手动升压时注意升压速度，防止升压过快其瞬时电压超出电压保护值而引起仪器跳闸。
（7) 严格遵守测试时间，因故障引起的仪器跳闸待查明原因重新升压时应重新计时。
（8) 升压时密切注意电流、电压、波形及电缆工况的变化，有异常时及时降压停止试验。
（9) 当测试结束或中断时，试品应立即接地放电并保持一定的放电时间。 4 结语田家庵发电厂2009年初引进超低频耐压试验技术。通过在交联聚乙烯电缆耐压试验中的应用，不但解决了试验设备容量不足的问题，发现并解决了数起电缆绝缘隐患，有力的保证了其供电的可靠性，同时还为现场其它电气设备的交流耐压试验提供了一个有益的探索。
参考文献：
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石卓宏,陈化钢.0.1Hz超低频试验装置电压和容量的规定［J］.东北电力技术,1999.7:39～40
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电力设备交接和预防性试验规程［S］.中国大唐集团公司,2005.
柳淑艳,杨帆. 0.1Hz超低频正弦波耐压试验技术及应用［J］.高电压技术,2004.30(136):79～80
附件---作者：唐杰飞。1973年生，男，安徽淮南人，大专学历，电气试验技师，目前在大唐淮南田家庵发电厂设备维修部电气专业从事高压试验及电气设备维护工作。联系电话：18705549257/654-2415（省内电力系统程控）。