CN102692589B - 中压交联聚乙烯电缆终端头无遮蔽电晕试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种中压交联聚乙烯电缆终端头无遮蔽电晕试验方法，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规定使用的变频串联谐振交流耐压试验设备作为试验设备，按照现有的电缆交流耐压试验标准，将试验用的中压交联聚乙烯电缆在其正常运行相电压2.5倍的试验电压下持续5分钟，对受试电缆头进行交流耐压试验，在交流耐压试验中观察、记录电缆头半导电层切剖口的电晕强度，即为电缆头的电晕；并由红外线测温仪测量电晕温度。本发明表明交联聚乙烯电缆的交流耐压试验完全可以提前在外层绝缘管套装之前做，提前试验不仅同样可以检验电缆头的绝缘水平及工作可靠性；试验前移使得电缆头绝缘缺陷的提早发现成为现实。
Description
技术领域
本发明属于电缆终端头绝缘结构强度质量检验技术领域，特别是涉及一种中压交联聚乙烯电缆终端头无遮蔽电晕试验方法。
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（XLPE）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的故障概率极低，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。有些电缆头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。
目前，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将制作工艺不良、电缆敷设安装方法不当只是电缆、电缆头事故的原因之一，其占电缆事故起因的概率比较低。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，引起电缆头在运行中发生绝缘事故即电缆单相接地事故是目前电缆事故量大的主要原因，其占电缆事故起因的概率更大。特别是电缆头制作工艺规范存在缺陷，电缆头绝缘结构薄弱，就是其发生事故的必然结果。
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；目前这两种工艺方法制作的电缆头类似，均存在着绝缘结构缺陷。
发明人经过试验得出结论：电缆头制作时必须按照工艺规范切剖电缆各部分尺寸，电缆半导电层切剖后，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。而国内电缆在电缆附件制作水平不高的情况下，采用附件制造厂配套提供，管壁厚度很小仅在1mm左右的应力管，造成电缆终端头的绝缘结构薄弱，为电缆长期运行留下缺陷和隐患。电晕长期在电缆切剖口与绝缘层结合部产生的微弱电火花，在电缆头运行温度上叠加数十度温度，电缆绝缘层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层发生绝缘击穿，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、电压的作用下还将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即护套管或耐候管内，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。虽然电缆交流耐压试验的试验电压值是电缆工作电压的2.5倍甚至更高，仍查不出电缆头的绝缘结构缺陷或事故隐患。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，也是避免电缆事故最有效、最经济的方法。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。
发明内容
鉴于目前国内外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，本发明要解决的技术问题在于提供一种中压交联聚乙烯电缆终端头无遮蔽电晕试验方法。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下：一种中压交联聚乙烯电缆终端头无遮蔽电晕试验方法，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规定使用的变频串联谐振交流耐压试验设备作为试验设备，按照现有的电缆交流耐压试验标准，将试验用的中压交联聚乙烯电缆在其正常运行相电压2.5倍的试验电压下持续5分钟，对受试电缆头进行交流耐压试验，在交流耐压试验中观察、记录电缆头半导电层切剖口的电晕强度，即为电缆头的电晕；并由红外线测温仪测量电晕温度；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；
对于正在制作尚未的运行使用的电缆头，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变频串联谐振交流耐压试验设备的高压线接线柱连接、将变频串联谐振交流耐压试验设备的接地线接地；
D、试验电压升至受试电缆正常运行相电压的2.5倍，电缆头半导电层切剖口处套装应力管窗口出现电晕火花，立即使用红外测温仪测量并且记录电晕火花的温度；再将试验电压降低至电晕火花熄灭，再次升压至受试电缆正常运行相电压的2.5倍，电晕火花再次出现，再立即使用红外测温仪测量并且记录电晕火花的温度。
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。为了方便观察中压交联聚乙烯电缆电晕情况，在电缆引线上暂时不套装外护套管或耐候管的情况下进行交流耐压试验，能够在电缆头制作期间即可直观明确的观察并且听到电缆头的电晕放电情况。无遮蔽电缆头电晕试验方法能够直观的发现电缆绝缘缺陷部位，查明电缆头的事故潜伏点，并且将电缆终端头缺陷的检查提前到制作期。
本发明在电缆行业首次提出了电缆终端头运行中有电晕，电晕能够直观的目测到。本发明证明：目前电缆行业的电缆交流耐压试验标准无法发现电缆头的绝缘结构性缺陷，因为现有的电缆交流耐压试验，是在电缆头完全制作好之后进行的，即使试验中能够听到放电发出的响声，但因绝缘护套管看不用到痕迹，即使不合格的电缆头也作为合格而通过检验，为电缆运行埋下隐患。
本发明实质上提供了一种中压交联聚乙烯电缆头绝缘结构缺陷的检验方法和电缆头制作工艺质量缺陷的检验方法，只是现有的电力系统规定使用的变频串联谐振交流耐压试验设备无法找到发生电晕的临界点，电缆行业的科研人员在本发明的教导下，开发一种试验电压能够逐步连续调整，如以试验用交联聚乙烯电缆的50%额定相电压为试验电压的起点，逐步阶段加压，同时观测电晕火花出现时的电压值，找到发生电晕的临界点，进一步量化得到发生电晕的临界电压。
无遮蔽电缆头电晕试验表明：中压即6～35kV交联聚乙烯电缆的交流耐压试验完全可以提前在外层绝缘管套装之前做，提前试验不仅同样可以检验电缆头的绝缘水平及工作可靠性；试验前移使得电缆头绝缘缺陷的提早发现成为现实。为电缆头绝缘缺陷的处理赢得了时间和机会，也使得电缆头制作及运行人员对电缆在额定电压下的工作状态心中有数，将电缆事故消除在电缆投入使用的前期，保证新制作的电缆终端头的绝缘结构强度能够满足中压交联聚乙烯电缆安全运行。对应用运行的中压交联聚乙烯电缆头应用本发明起晕电压试验方法提前发现电缆头内部缺陷，进而提早进行修理。
本发明为消除电缆终端头事故隐患提供了直观、可靠的检验手段，为避免电缆事故隐患发展为电缆事故提供了技术保障。不仅节约了大量的物资、人员和资金，而且避免了电缆报废带来的环境污染和人财物的大量浪费，提高电力系统供电可靠性以及电缆用户用电可靠性。
附图说明
图1是中压交联聚乙烯电缆头起晕电压试验接线示意图，
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—变频串联谐振交流耐压试验设备，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
实验例所使用的相关设备是目前电力系统电缆试验通用的变频串联谐振交流耐压试验设备，试验设备参数如下：
变频串联谐振交流耐压试验设备：HDSR─F，额定容量：104kVA，输出电压：0～100kV（有效值），输出频率：30～300HZ，输入工作电源：220V±10%，50HZ；励磁变压器：F─LB6F，额定容量：6.0kVA，输入电压：0～250V（有效值），输出电压0～1.5kV×4；变频控制箱：HDSR─F─Y6，最大输出容量：6.0kVA，输入工作电源：220V±10%，50HZ，输出电压：0～100kV（有效值），输出频率：30～300HZ；谐振电抗器：F─DK26/26，额定最高工作电压：26kV（有效值），额定最大工作电流：1.0A（有效值），额定电感量：129.3H，工作频率：32～300HZ；电容分压器：WJ─F100，输入电容500pF±5%，额定分压比5110:1，额定电压：100kV（有效值），工作频率：30～300HZ。
电晕测量仪器：红外线测温仪：RAYTEK-Raynger˚stTM型。
实验例1. 中压交联聚乙烯电缆头无遮蔽电晕试验
试验选择已经使用了8年的YJV22─3×185mm2；8.7/15kV；350米长交联聚乙烯电缆作为试验品。为了便于观察电缆在试验过程中的电晕，首先使用现行套装应力管的工艺制作电缆头，应力管为高介电常数塑料制作。套装应力管的电缆头须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。试验地点选在无任何光源的暗室中进行。
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的另一端与变频串联谐振交流耐压试验设备3的高压线接线柱连接、将变频串联谐振交流耐压试验设备的接地线4接地。
试验目的：其一，观察使用套装应力管工艺方法制作电缆头的电晕强度，确定电缆头发生电晕的部位；其二，测量电晕火花的温度。
电缆交流耐压试验标准：21.75kV/5分钟，2.5Ue；Ue=8.7kV，是试验用交联聚乙烯电缆的额定相电压。
试验过程：试验设备一通电，试验电压至21.75kV，电缆头半导电层切剖口处套装应力管窗口处立刻出现电晕火花。试验中不仅可以在半导电层切剖口处观查到电晕火花，而且可以听到明显的电晕放电声。电晕火花出现后，立即使用红外测温仪测量并且记录电晕火花的温度试验电压降低至电晕火花熄灭，再次升压至21.75kV，电晕火花再次出现。反复三次，试验品的电晕火花反复出现三次。
试验结论：电晕火花明亮发出白光，火花密度大，火花明显集中在半导电层切剖口边沿，电晕的放电声音大。现场进行电晕的红外测温仪测量表明：电缆头的电晕温度60℃，高出试验现场温度32℃。
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。试验选择同一根已经使用了8年的YJV22─3×185mm2；8.7/15kV；350米长交联聚乙烯电缆作为试验品。在实验例1在已经套装应力管的且进行了实验例1电晕试验的同一根电缆的另一相芯线，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。
试验目的：
第一，观察使用套装应力管电缆头与绕包应力锥工艺方法制作电缆头的电晕强度；
第二，观察对比两种工艺方法制作电缆头电晕强度的差别；
第三，观察对比两种工艺方法制作电缆头发生电晕的部位及形状的差别。
第四，测量电晕火花的温度。
在已经套装应力管的且进行了实验例1电晕试验的同一根电缆的另一相芯线上绕包应力锥，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叠绕的方法包缠制作绝缘应力锥6，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∅16，绝缘应力锥屏蔽锥面长度L1为70 mm，应力锥最大直径∅31，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。
电缆交流耐压试验标准，与实验例1相同：21.75kV/5分钟，2.5Ue；Ue=8.7kV，是试验用交联聚乙烯电缆的额定相电压。
试验过程：加压进行无遮蔽电缆电晕强度对比试验。
试验设备通电，试验电压至21.75kV，电缆头半导电层切剖口处出现电晕火花，电晕火花出现后，立即使用红外测温仪测量并且记录电晕火花的温度试验电压降低至电晕火花熄灭，再次升压至21.75kV，电晕火花再次出现。反复三次，试验品的电晕火花反复出现三次。
试验结论：增包应力锥电缆头的电晕的火花较暗、火花亮度低、光色微黄，火花密度小，火花松散像口杯装倒扣在应力锥增包半导电层边沿与增包锥状绝缘部位，电晕放电的声音也比较小。现场进行电晕的红外测温仪测量表明：增包应力锥电缆头的电晕温度较低30℃，接近室温28℃。
同一电缆的无遮蔽电缆头电晕强度对比试验证实：在相同电压21.75kV/5分钟试验标准下，即试验用的中压交联聚乙烯电缆在2.5倍试验电压下，套装了高介电常数塑料应力管和绕包应力锥的电缆头，均产生了电晕。但是套装应力管电缆头的电晕强度比增包应力锥电缆头的电晕强度大；从试验现场观察电晕火花的亮度和形状对比情况来看，增包应力锥电缆头的电晕的火花较暗、火花亮度低、光色微黄，火花密度小，火花松散像口杯装倒扣在应力锥增包半导电层边沿与增包锥状绝缘部位，电晕放电的声音也比较小。装设应力管电缆头在相同电压21.75kV/5分钟试验标准下的电晕火花明亮发出白光，火花密度大，火花明显集中在半导电层切剖口边沿，电晕的放电声音大。现场进行电晕的红外测温仪测量表明：增包应力锥电缆头的电晕温度较低30℃，接近室温28℃；而装设应力管电缆头的电晕温度较高为60℃，高出试验现场温度32℃。
电缆本体在试验中无异常现象发生。
同一电缆的无遮蔽电缆头的电晕强度对比试验说明：增包应力锥的电缆半导电层切剖口处电晕的能量明显小于套装应力管的电缆半导电层切剖口处的电晕能量。增包应力锥后电场强度在锥体绝缘表面得到明显消减，电缆头内切向应力的危害作用确实得到削弱，加装应力锥后使电缆头内的游离电压明显提高。
上述两项试验电晕现象说明，国内现行的使用套装应力管工艺制作电缆头内部存在着绝缘结构薄弱缺陷，造成电缆头内部在正常运行中产生了电晕。本发明的试验方法，在国内外首先发现了正常运行中电缆头内部存在电晕的事实，而国内中压交联聚乙烯电缆头内部存在电晕的现实，说明了现行的工艺规范套装应力管工艺制作的中压交联聚乙烯电缆头，其绝缘结构薄弱，不能够满足中压交联聚乙烯电缆的正常运行要求。电缆头内电晕的长期放电现象的存在和发展，必将酿成中压交联聚乙烯电缆事故。
上述试验还表明，在相同试验电压21.75kV/5分钟试验标准下，绕包应力锥后电缆头的电晕强度明显低于套装应力管电缆头的电晕强度。现阶段中压交联聚乙烯电缆终端头若将改加应力锥，不失为避免电缆头事故的有效措施。
试验使用的这根YJV22─3×185；8.7/15kV；350米长交联聚乙烯电缆是已经运行了8年的电缆。电缆落差100米，电缆头均采用套装应力管工艺制作。此电缆额定电压为15kV，但使用在额定电压13.8kV电网中，电缆工作时已有1.2kV的绝缘裕度。但是此电缆的一个终端头（上终端头）在运行中（相电压7.97kV）已发生事故，事故造成电缆头烧毁报废、造成开关柜等设备烧损。而此电缆的另一个终端头（下终端头）也出现了电晕放电现象，电缆芯线的半导电层切剖口处主绝缘层上出现电晕黄斑。进一步证明，现有的应力管结构的电缆头绝缘结构薄弱，不能够满足中压交联聚乙烯电缆的正常运行要求。
Claims (1)
1.一种中压交联聚乙烯电缆终端头无遮蔽电晕试验方法，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规定使用的变频串联谐振交流耐压试验设备作为试验设备，按照现有的电缆交流耐压试验标准，将试验用的中压交联聚乙烯电缆在其正常运行相电压2.5倍的试验电压下持续5分钟，对受试电缆头进行交流耐压试验，在交流耐压试验中观察、记录电缆头半导电层切剖口的电晕强度，即为电缆头的电晕；并由红外测温仪测量电晕温度；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主体；对于运行使用的电缆头，将电缆头引线部分的护套管割除，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变频串联谐振交流耐压试验设备的高压线接线柱连接、将变频串联谐振交流耐压试验设备的接地线接地；
D、试验电压升至受试电缆正常运行相电压的2.5倍，电缆头半导电层切剖口处套装应力管窗口出现电晕火花，立即使用红外测温仪测量并且记录电晕温度；再将试验电压降低至电晕火花熄灭，再次升压至受试电缆正常运行相电压的2.5倍，电晕火花再次出现，再立即使用红外测温仪测量并且记录电晕温度。
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