1、高壓測試基本原理：電纜測試的角度關鍵詞: 高壓測試, 電力電纜, 電纜系統(tǒng), 干線絕緣介紹 日益增長的工業(yè)、商業(yè)和家庭用戶電能需求，導致傳輸容量提高和電力供應可靠性不斷增加。高壓發(fā)電廠的可靠性必須維持在較高的水平，在其壽命，通常為50年。 所有新制造的電力系統(tǒng)元件都要進行不同類型的測試，以確保他們的可靠性和壽命。 這些測試都是按照國家和國際標準制定的規(guī)范來進行。這些測試名稱可以用下述術語表示 設計驗證測試 生產質量測試 安裝后測試在所有高壓發(fā)電廠的電力系統(tǒng)中，電纜系統(tǒng)必須滿足可能最廣泛的測試要求。因此，在這篇文章中，我們使用電纜系統(tǒng)的電氣測試來向大家展示的主要測試的說明書由來。雖然我們指的是整

2、個文章主要是電纜的擠壓絕緣和他們的配件，大多數的結論可以推廣到其他高壓設備，如電力變壓器或絕緣子。結論限制在大部分輸電系統(tǒng)：絕緣電纜系統(tǒng)傳輸電壓在地區(qū)電網電壓水平，變壓器電壓水平，即被評為30 kV以上。電纜系統(tǒng)測試測試標準 伴隨著測試標準的提高，電纜制造技術一直在進步。在早期，只有少數的電纜制造商，他們建立了第十次系列特約采訪來做DEIS的五十周年的紀念Tadeusz Czaszejko莫納什大學電氣與計算機系統(tǒng)工程系，克萊頓校園 ，維克3800，澳大利亞莫納什大學電氣與計算機系統(tǒng)工程系，克萊頓校園 ，維克3800，澳大利亞高壓絕緣電氣試驗有關老化的規(guī)范討論。主要測試類別的原理以及高壓測試的

3、復雜性說明。 他們自己的測試要求要確保他們的產品的可靠性。隨著行業(yè)的增長，國家標準化組織介入統(tǒng)一測試程序制定，并隨后建立了國際標準。國際電工委員會（IEC）是目前指定的電纜測試標準的主體，這已被世界上大多數國家采用。為擠包絕緣電纜測試規(guī)格中包含兩個獨立的標準，即（一）30至150 kV高壓，在iec60840，和（二）超高壓（超高壓），150500 kV 在iec62067。 這兩個標準，在他們最新的版本，遵循幾乎相同的模式，關于設計，生產質量和安裝后的絕緣完整性測試要求。即使條款編號已協(xié)調。在他們被分為五大類，測試分類（文中斜體字是采取直接從標準）： 預防（PQ）試驗：為證明完整的電纜系統(tǒng)的

4、長期性能，在供應之前，在一般的商業(yè)基礎，一種類型的電纜系統(tǒng)，以證明令人滿意的長期性能。類型測試：在供應之前進行的測試，在一般的商業(yè)基礎上，一個類型的電纜系統(tǒng)，以表現(xiàn)出令人滿意的性能特性，以滿足預期的應用程序的樣本測試，制造商對完整的電纜樣品或從一個完整的電纜或附件取下的部件進行的測試，以驗證所完成的產品是否符合規(guī)定的要求 。 常規(guī)測試：制造商對每一個制造組件（電纜或附件的長度）進行的測試，以檢查組件是否符合規(guī)定的要求 。 安裝后測試：測試表明，安裝的電纜系統(tǒng)的完整性。 在每個測試類別中有一套規(guī)定的測試電壓水平和持續(xù)時間。在PQ測試電壓為8760小時（1年），并在20天的試驗。其他耐壓試驗較短。

5、其中的一些顯示在表1。在一些測試中，升高的溫度或熱循環(huán)（創(chuàng)建熱和機械應力）同時施加的電壓（創(chuàng)建電應力）。我們將展示后，他們是如何與電老化模型。簡短的歷史回顧測試電纜與擠壓絕緣的第一個標準，借鑒了早期測試紙/油絕緣電纜的經驗。他們提到的電力系統(tǒng)的各個組成部分的測試。隨著時間的推移，一個基礎系統(tǒng)的方法被采用，最新的標準就會遵循這種方法制定。支持新的設計或設計修改的資格預審或類型試驗必須通過在完全組裝好的電纜系統(tǒng)中執(zhí)行，包含制造商打算在市場上出售的所有組件。其中一種測試電纜系統(tǒng)的實驗數據如圖1所示。 表1 試驗電壓按iec62067 1 。12341516171819110111額定電壓最高電壓測試

6、電壓U0值測定電壓測試9.3局部放電試驗9.2、測量加熱循環(huán)電壓測試12.4。6雷電沖擊電壓試驗10.12，12.4.7.和513.2脈沖電壓測試后的電壓測試12.47開關脈沖電壓測試電壓試驗安裝16.3U (kV)Um (kV)U0 (kV)Voltage2 (kV)Duration2 (min)1.5U0 (kV)U0 (kV)2U0 (kV)(kV)2U0 (kV)(kV)( kV )220 to 230245127318301901272541,050254180275 to 287300160400302401603201,050320850210330 to 34536219042

7、0602851903801,175380950250380 to 400420220440603302204401,4254401,050260500550290580604352905801,5505801,1753201.如果有必要，這些試驗電壓應按列表調整。2.門檻限制27到30 kV/mm不應超過某些絕緣材料（如指定的供應商）來避免任何可能削弱絕緣之前交貨，這可能導致服務失敗。在9.3的電壓測試，例如額定電壓為330至500千伏，電壓降低，并結合較長的測試時間，以避免太高的應力。絕緣在門檻的限制不是問題，供應商可能會增加測試電壓和降低測試時間。然而，持續(xù)時間至少應為30分鐘。制造商和買

8、方之間的協(xié)議，9.3的電壓測試可能會被替換由一個測試在較低的電壓和更長的時間，即使在絕緣中的最大應力低于30千伏/毫米。然而，電壓等級不得低于1.5u0和持續(xù)時間不超過10小時。 對高壓和超高壓電纜IEC測試規(guī)范的進展如下： l 1988-iec60840（原來iec840）指定類型，程序，和只對樣品電纜的測試；l 1999-iec60840包括類型試驗要求的配件；l 2001-iec62067介紹超高壓電纜系統(tǒng)的PQ測試和避免直流系統(tǒng)安裝后主絕緣直流測試的建議； l 2004IEC60840 增加了電力系統(tǒng)類型測試以及樣品測試的預制附件;l 2011-iec62067修改了PQ測試程序，并介

9、紹了PQ測試部分； l 2011-iec60840指出為高壓電纜系統(tǒng)的PQ測試和延伸PQ測試中的無效設計。 我們現(xiàn)在描述IEC標準的演變，從預IEC時代。19世紀從發(fā)電機的發(fā)明絕緣導線已被用于電網。圖1。澳大利亞耐克森的132 kV，800-mm2，交聯(lián)聚乙烯電纜類型試驗裝配車間。在第十九世紀額定值為11 kV的浸漬紙絕緣電纜已投入使用末。此后，絕緣電纜的額定電壓呈指數增長，高達400千伏的充油電纜已經在使用時，20千伏電纜聚乙烯絕緣聚乙烯絕緣出現(xiàn)在20世紀50年代，但是，聚乙烯絕緣電纜的電壓等級迅速增加，如圖2所示。擠壓絕緣電纜在不到40年里達到400千伏級，不僅如此在1986已經達到500

10、千伏 4 。 電纜技術的新一代變革正在發(fā)生。紙/油絕緣技術是成熟的，并已在最高電壓水平被驗證非常可靠，而擠壓絕緣還必須經受驗證。這就是為什么新一類的測試，即PQ測試，被添加到擠包絕緣電纜試驗標準的原因。對于通過這樣的測試的電纜系統(tǒng)來說，它已經被論證具有令人滿意的長期工作的性能，因此可以為一般的商業(yè)提供依據。 圖2。電力電纜電壓等級的增加，從數據繪制 2 4 。聚乙烯=聚乙烯。 圖3。計算擠壓絕緣電纜的額定電動力 ，Er在導體屏蔽下的激勵，而ER是絕緣屏蔽下的激勵。 在20世紀90年代中期和90年代中期，首先由CIGRE研究委員會推薦工作組wg21.03和wg21.09的高電壓絕緣電纜的PQ測試

11、其被要求復查現(xiàn)行的從400 kV到500 kV的標準電壓。含PQ測試和其他建議的iec62067標準在2001制定和發(fā)布。 因為在絕緣上的額定電應力增加使得超高電壓等級電纜制造成為可能。圖三展示了一系列在市售擠壓絕緣電纜的Er在導體屏蔽下，ER在絕緣屏蔽下的電應力。用 IEC60840, p.6(m)中的公式代入標稱電壓的均方根值計算出應力，單位用 kVRMS/mm.表示。在超高壓電纜中Er 可能有kVRMS/mm，而在一些高壓電纜Er 可能只有kVRMS/mm低。技術的進步導致了可靠的超高壓電纜系統(tǒng)的制造技術現(xiàn)在可以應用于高壓電纜的制造。因此，所謂的超薄設計，涉及更薄的絕緣，因此開發(fā)出可承受

12、更高的電應力的電纜。這個方法明顯的提高了超薄設計的高壓電纜的額定應力水平，甚至承受的額定應力只能在超高壓電纜中看得到。為了確保可靠，超薄設計的電纜需要一個批準程序。一個合乎邏輯的步驟是采用iec62067 的PQ測試，包括在IEC60480。 在對iec62067 2001第一版的時候，國際大電網會議研究委員會B1（前21）成立21.11專案組，和之后的b1.06工作組準備未來iec62067的版本，會考慮預期的創(chuàng)新點以及減少新產品進市場需要的時間的建議。2004年底，IEC技術委員會20決定一個iec60840重大修訂，并將CIGRE WG b1.06 6 提供的建議被納入第四版中。 PQ測

13、試被添加到超薄設計類高壓電纜系統(tǒng)的驗收要求中。這樣的電纜超過標稱最大的電應力的8伏/毫米的導體屏蔽，或4千伏/毫米的絕緣屏蔽，或兩者都超過了。人們已經認識到超高壓電纜系統(tǒng)和超薄設計高壓電纜系統(tǒng)PQ測試的引進延長了引進創(chuàng)新進入市場的過程。然而，WG b1.06 的工作證明PQ測試是驗證新的電纜系統(tǒng)設計的長期可靠性不可或缺的一部分。改進測試程序由WG b1.06提出，隨著一個被稱為延長資格測試（EQ測試）新的測試。最新的標準， 1 和 7 ，包含這些改進的程序。 固體電介質的老化規(guī)律 電工試驗的標準規(guī)范在電介質老化規(guī)律有它們的基礎。老化理論的簡要回顧將有助于了解這些基礎。因此我們采用的擠出聚合物絕

14、緣電纜為例，我們將集中精力在固體介質上，更具體地說，對交聯(lián)聚乙烯（XLPE）。 我們可以區(qū)分固體電介質三種類型的老化，分別是，即熱，電，和機械老化。他們可以單獨或組合使用，因此實際的絕緣系統(tǒng)是被考慮進行多因素老化。附加因素可能有助于高壓絕緣的老化過程。這些包括濕氣、溫度波動、放電、氧化的存在，在物質形態(tài)的差異，與所施加的電壓的高頻分量。幾個壽命模型和老化理論已發(fā)表 1 ， 8 10 。在這篇文章中，我們專注于最基本的現(xiàn)象學模型。他們相對簡單有助于解釋如何測試單一環(huán)對高壓電廠開發(fā)的影響。他們還展示了如何選擇測試條件，如試驗電壓水平和持續(xù)時間，來有目的的預測新設計和制造高壓設備使用壽命。 電老化根

15、據經驗公式，在一個受限制的時間尺度上，在高電場的存在下，大多數電介質老化的速度可以被描述的逆冪律 公式如下 t =CEn, (1)在那里T是生命的壽命（時間到故障），E是電場強度，和C和N是常數。場的頻率，F(xiàn)，也會影響老化的速度，所以 t =CEnfm, (2)其中M是一個常數。數學模型（1）和（2）不具體的降解機制但很有吸引力，因為它們簡單；如果他們是適用的，a log t對log E, 或log t 對 log 分別在坐標系上顯示的是斜率為m和n的直線。然而，使用n值推出加速試驗在高電場下的領域進行的結果可能會在高電廠和低電廠下產生終生的高估；時間對交聯(lián)聚乙烯（XLPE）迷你電纜絕緣承受

16、在22°C 空氣中各種交流電場的擊穿故障( ACBD = AC 擊穿)11。長期耐壓實驗有時揭示在較低的場強下絕對值n的變化。圖4顯示了使用壽命，即，擊穿時間對交聯(lián)聚乙烯（XLPE）迷你電纜絕緣在交流中應力函數（ACBD =交流擊穿）。當相同的數據被繪制為E 對log t，“彎曲部分”在使用壽命曲線上基本上消失，如圖5所示。觀察類似的導致指數衰減模型的發(fā)展，形式上類似熱老化模型。 電老化的指數衰減方程的一個簡單的形式是由Dakin 8 提出的，即：其中E是電場強度，W是老化過程的活化能，A和B是常數。B / KT則是E與對數圖的斜率（溫度不變）。 表5. 圖4數據在半對數曲線 11

17、。XLPE =交聯(lián)聚乙烯；ACBD=交流擊穿場強。為了使物理解釋令人信服，指數衰減模型可能采取更復雜的形式，例如，動力學，熱力學和微觀的方法。這些模型的詳細討論超出了這篇文章的范圍，注釋 9 有一個很好的關于電絕緣老化模型的討論。關于復合應力模型絕緣材料的熱力學和現(xiàn)象學的方法的討論在注釋 10 。1996注釋 11 所公布的現(xiàn)有理論和資料的回顧標題一些章節(jié)標題出現(xiàn)某些短語，如“許多理論，但沒有可靠的”和“許多現(xiàn)象，但有限的理解”。從那時起，情況并沒有發(fā)生太大的變化。盡管這種不確定性，高壓絕緣測試程序中包含的標準必須是務實的，必須反映絕緣老化的最基本的模型。 熱力老化大多數對僅暴露于熱老化的固體

18、電介質壽命的最預測是基于阿倫尼烏斯方程：在那里t是加熱的時間，A是一個常數，W是老化過程的活化能，k是恒定的，而T是絕對溫度。阿倫尼烏斯方程最初是用來描述一個化學反應速率對溫度的依賴關系。介電老化的過程可以被視為一個緩慢的化學反應，導致材料的分子結構斷裂，因此其絕緣性能變差。方程（4）預測壽命和工作溫度之間的指數關系，是加速老化試驗設計的理論基礎。老化可以在升高的溫度下進行，然后外推到正常操作條件下的結論。然而，經驗表明，（4）在超過擴展的溫度范圍是不太準確的，特別是如果施加于聚合物。作為一種替代方法，被稱為速率理論設計 12 ， 13 。它的起點是Eyring方程As an alternat

19、ive, the so-called rate theory was devised 12,13. Its starting point is the Eyring equation其中h是普朗克常數，HG是由老化反應提供的自由的能量（或Gibbs能源）G =H TS, (6) H 和 S 分別代表老化反應的焓和熵。 （4）和（5）預測的熱老化壽命是沒有計其精度的，這是加速老化試驗的基礎。這樣的測試往往是在升高的溫度下進行，因為隨著T的增加測試將需要更少的時間。 圖6。 IEC62067 1規(guī)定的電壓時間。虛線綠色線是n = 16的逆冪律。PQ圖6。iec62067規(guī)定的電壓時間 1 。虛線綠

20、色線是n = 16的逆冪律。PQ =預審質量。 必須補充的是，實際絕緣系統(tǒng)受到溫度波動影響，熱壽命的預測會更加復雜。我們已經介紹了長期系統(tǒng)在電纜本身電纜密封端和電纜內的接頭的內部，甚至是相對簡單的設備中，像擠包絕緣電纜，各種材料層之間的相互作用，金屬導體半導電的屏蔽，和絕緣材料聚合物外護套。這些材料之間熱膨脹系數的差異引起的機械應力，增加了主要絕緣材料的老化或衰減率。此外，熱循環(huán)可以導致各種層的分層，特別是在材料界面，這可能會導致空隙和分層引起的裂縫間產生放電（局部放電）。往往局部放電是高壓絕緣擊穿的前兆。然而，盡管有這些復雜性情況，基于（4）和（5）的加速老化的熱壽命預測的方法仍然是令人滿意

21、的方式。 老化規(guī)律和電壓測試規(guī)范 電老化 電老化模型，即逆冪法和指數衰減規(guī)律，使從高壓絕緣加速壽命得出試驗數據來估計其預期使用壽命。同樣，他們是給各種測試類別選擇電氣測試條件的基礎。這一點最好以圖形方式說明。圖6是一個雙對數圖（符合逆冪律），藍色圓圈顯示了五類主要耐壓試驗的電壓持續(xù)時間圖，由超高壓電纜的規(guī)定iec62067 1 ，在額定電壓（1單位）的圈代表電纜的預期壽命。綠色虛線是n = 16的逆冪定律（1），并可能被解釋為絕緣工作年限，即，絕緣工作在電壓-持續(xù)時間曲線以下。圖7顯示了同樣的數據進行對數線圖，與指數衰減規(guī)律一致（3）。圖7。圖6的數據用半對數圖表示。綠色線虛線是b = 6.0

22、的指數衰減法， PQ =質量預審。 這兩個數字清楚地顯示測試條件（電壓水平和持續(xù)時間）和電纜的使用壽命之間的關系。基本前提是如果新制造的高壓設備的絕緣通過一系列提高電壓和持續(xù)適當的時間的試驗，絕緣在正常的工作條件下應在其整個設計壽命期間可靠工作，通常為30至50年。熱老化熱老化定律（絕緣）不被納入標準規(guī)格，在某種程度上可以清楚地被電老化法解釋。原因是在正常情況下90°C，在瞬時105°C，交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣的最大操作溫度主要取決于交聯(lián)聚乙烯的力學性能。簡單的說，105°C以上交聯(lián)聚乙烯電纜變得過軟，無法支持導體的重量。 導體的錯位比絕緣材料的熱老化對長期性能帶來更

23、大的風險。然而，發(fā)生在XLPE的熱老化，在100以上的溫度下老化的電強度的急劇下降。圖8顯示了隨熱老化交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣模型電氣強度的變化 9 。這些結果定性說明在任何給定的熱老化溫度，有一個時間，下降過程發(fā)生的非常緩慢。 測試中使用的是熱循環(huán)，而不是恒定升高的溫度。IEC標準 1 和 6 中，在正常條件下（95100°C交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜）要求電纜的導體加熱到最大操作溫度以上高5至10°C的態(tài)溫度，保持在這一水平的兩個小時，然后冷卻，循環(huán)反復。在熱循環(huán)的穩(wěn)態(tài)溫度低于熱老化閾值。圖8 100，110，和130°C時進行，電強度（ES）對老化時間的熱耐久性試驗模型電

24、纜 9 。ES0是試驗開始時的電氣強度。 穩(wěn)態(tài)溫度不是關鍵的因素，而是循環(huán)溫度，它能測試在熱膨脹和周期收縮情況下電纜系統(tǒng)中不同材料的相容性。電壓和熱循環(huán)同時應用在部分類型試驗和PQ試驗中這種測試可以正確地認為是復合應力（電、熱、機械老化）試驗。復合應力老化的詳細討論超出了本文的范圍。這個主題的綜合處理方法可以在 10 中找到。結論我們已經使用了一個采用擠出絕緣的電力電纜系統(tǒng)的例子來解釋電絕緣老化規(guī)律和從產品開發(fā)到安裝不同階段的電纜系統(tǒng)的實施的耐壓測試之間的關系。電力線路受到電應力和熱應力的通電時間隨著測試的目的不同而不同 ，PQ測試最長而樣本，常規(guī)，安裝后測試時間更短。其中某些測試，例如沖擊電

25、壓試驗 和局部放電實驗在升高的溫度下進行局部放電試驗，使熱，機械和電應力同時作用。耐壓試驗的整個實驗順序，從PQ試驗到安裝后的試驗對絕緣系統(tǒng)絕緣壽命相關。 測試標準規(guī)定的電壓-持續(xù)時間點的坐標，以及測試設備的設計壽命（30 - 50年），定義了絕緣使用壽命。 參考文獻1 Power Cables With Extruded Insulation and Their Accessories for Rated Voltages Above 150 kV (Um = 170 kV) up to 500 kV (Um = 550 kV) Test Methods and Requirements,

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