58.搞清电力电缆的介质损耗及其超低频测试

2023-07-10 15:35:52 MEWOI 6

（1）漏导损耗：实际使用中的绝缘材料都不是完善的理想的电介质，在外电场的作用下，总有一些带电粒子会发生移动而引起微弱的电流，这种微小电流称为漏导电流，漏导电流流经介质时使介质发热而损耗了电能。这种因电导而引起的介质损耗称为“漏导损耗”。

对于XLPE电缆，在直流及交流电压下都存在漏导损耗，通常直流电压用泄漏电流的大小或绝缘电阻的大小来反映介质的这一损耗情况。

（2）极化损耗：在介质发生缓慢极化时（松弛极化、空间电荷极化等），带电粒子在电场力的影响下因克服热运动而引起的能量损耗。

对于XLPE电缆，只有在交流电压下才存在极化损耗，而且随着交流频率的增大，极化损耗通常也增大。

（3）局部放电损耗：通常在固态电介质中由于存在气隙或油隙，当外施电压达到一定数值时，气隙或油隙先放电而产生损耗，这一损耗在交流电压下要比直流电压时大的多。

对于XLPE电缆，在直流电压下，可用泄漏电流的大小来反映电介质的损耗，而在交流电压下，介质损耗不能单用泄漏电流来表示，通常用介质损耗正切来表示，即在一定的交流电压下，电缆绝缘所表现出的等效电阻Rg的大小值。

由于交联聚乙烯电力电缆不推广直流耐压试验，交流耐压试验仅能反映电缆的电介质击穿特性，不能反映电缆的损耗特性，因此有必要对电力电缆进行介损测量。

二、如何确定电缆介质损耗的大小？

1.交联聚乙烯电力电缆等效电路

在交流电压下，电力电缆的等效电路，如图1。

（a）理论等效电路（b）实际等效电路

图1 电力电缆的等效电路

其中，

L为电缆的等效电感，约为0.1-0.7mH/km，等效值比较小，实际分析时可视为短路；

Rx为电力电缆芯线导体直流电阻，Rx一般较小，对电压降的影响极小，可忽略不计。

Rg为电缆绝缘等效电阻，正常情况阻值一般很大；

Cg为电缆单相对金属屏蔽层的等效电容。

实际计算中，可采用图（b）等效电路。

2.电力电缆等效电路中的电流电压相量关系

图2 电力电缆的等效电路中电流和电压的关系

图3 电流波形相位差图

电流电压相量关系如图2，假如电缆为纯电容电路，则Ir=Ic，在相位上，电流超前电压90°；而实际上因为电路里的阻性电路Rg对电流产生了影响，电流超前电压度数为90°-δ。

3.介质损耗角δ

在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角(功率因数角Φ)的余角(δ)，简称介损角。

4.介质损耗正切值tgδ：

又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称介损角正切。介质损耗因数的定义如下:

总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成，因此：

这正是损失角δ=(90°-Φ)的正切值。因此现在的数字化仪器从本质上讲，是通过测量δ或者Φ得到介损因数。

即：tanδ=P/Q=UIR/UIC =IR/IC

套入公式：IR=U/Rg，Ic=U/XC，XC=1/ωCg=1/2πfCg

得到：tanδ=XC/Rg=1/ωRgCg=1/2πfRgCg

介质损耗因素（tand）是用来描述介质材料绝缘性能的重要参数之一。它直接反映了绝缘介质损耗的大小，tand值越小越好。

5.tand与绝缘电阻、电容及频率的关系

从上述公式看：

（1）tand跟绝缘电阻Rg成反比，绝缘电阻越低，介损值越大。因此，做介损测量时，应在绝缘良好的电缆上进行；如果有接头进水或受潮引起的电缆整体绝缘下降，势必会影响介损tanδ的值。(应提前用摇表测量电缆绝缘良好）

（2）跟电容Cg成反比，如果电容值Cg非常小，则介损值tanδ也会非常大，因此由于设备的限制，电缆的电容值至少要＞2nF。（至少60米，否则波形失真)

（3）跟频率f成反比。

三、为什么在超低频0.1Hz电压下测试电缆介损？

交联聚乙烯绝缘内的水树枝老化是影响交联聚乙烯绝缘电缆线路使用寿命的重要因素，因为水树枝是导电的，所以绝缘内的水树枝不发生局部放电，在交流电压下进行局放测量不能发现绝缘中的水树枝。但是电缆绝缘中导电的水树区域有电损耗存在，会引起介质损耗的增加。而介质损耗增加和电缆绝缘击穿电压下降之间是有联系的。

0.1Hz正弦波电压对交联聚乙烯绝缘水树枝具有比较适中的局放起始值和较快的局放通道（电树枝）增长速度，能在比较低的电压水平下将绝缘内已经存在的不均匀导电性缺陷比较快的转变为贯穿性绝缘击穿，检测出绝缘隐形缺陷。而且0.1Hz正弦波电压下可以对电缆绝缘线路的绝缘进行介质损失因数测量，在一定程度上获得交联聚乙烯电缆线路老化程度的信息，确保电缆线路的可靠运行。

因此用0.1Hz超低频交流电压测量电缆绝缘的tand已经被证实是判断电缆绝缘老化程度行之有效的方法。

四、超低频介损测试的原理

介质损耗因素（tand）是用来描述介质材料绝缘性能的重要参数之一，tand越大的绝缘材料其漏电损耗越大。tand与测试电源电压角频率w、电容C、并联等效电路的绝缘电阻R有如下关系：

tanδ=1/(ωRC)

由于R和C基本不随频率变化，因此，当频率变小时，tand会变大，即在低频下应有较大的介质损耗因素。

超低频介损测试，即超低频电压（0.1Hz）下测试10kV电缆的介质损耗角正切值，用于诊断交联电缆整体绝缘老化、受潮以及发生水树枝劣化，是评估电缆绝缘状态的有效手段。

五、有哪些超低频介损测试的设备？

目前，超低频介损测试设备主要有奥地利保尔、德国赛巴、奥地利B2、美高测等厂家设备，其设备样式参见

图4 相关设备

六、0.1Hz超低频介损测试的方法及步骤

1.测试方法

在0.1Hz超低频正弦电压下进行超低频介损测试，对被测电缆施加0.5Uo，1.0Uo，1.5Uo三个电压步骤，每相电缆单独进行测试。通过采集流经电缆的泄漏电流信号，比较电流与电压之间的相位差得到介损值。在每个测试电压下，分别测量8个介质损耗（TD）数值，测量结果给出TD平均值、TD差值和TD标准偏差，以及介损值随测试电压变化曲线。

根据国际电力电子工程师协会IEEE400-2013《有屏蔽层电力电缆系统绝缘层现场型试验与评估导则》国际标准，判断测试电缆是否为正常状态、注意状态、异常状态。

2.测试步骤：

（1）将电缆与两侧设备断开；

（2）电缆测距：测距仪对电缆线路的长度、接头位置与数量进行测试；

（3）绝缘电阻测量：超低频介损测试前，采用5000V绝缘摇表测量电缆的绝缘电阻；

（4）试验接线：检查电缆终端清洁并处于良好状态，将高压连接电缆一侧与被测电缆终端连接，另一侧与测试主机连接，将其他相电缆终端与检测装置接地；

（5）参数设置：测试前在测试主机上设置电缆名称、长度、电缆绝缘类型、敷设方式等信息，选择交联电缆测试程序；

（6）介损测试：对被测电缆进行加压，自动测试0.5Uo，1.0Uo，1.5Uo三个电压下相关介损数据，得到介损值以及测试曲线；

（7）数据保存：将测试结果与测试报告，通过USB接口保存至PC机。

七、超低频介损测试结果如何评价？

1. IEEE-400-2013评价标准

依据IEEE-400-2013《有屏蔽层电力电缆系统绝缘层现场型试验与评估导则》，基于“介损随时间稳定性”、“介损变化率”、“介损平均值”三个指标作为电缆绝缘老化的判据，如表5-3所示，得出正常状态、注意状态、异常状态三种状态，并相应制定“无需采取行动”、“建议进一步测试”、“立即采取检修行动”三个等级的检修策略。

（1）正常状态：不需要采取措施；

（2）注意状态：建议一定时期后进行复测；

（3）异常状态：建议对电缆或电缆接头进行检修处理。

表1 IEEE-400-2013 超低频介损诊断标准

随时间稳定性	关系	介损变化率	关系	介损平均值	电缆状态
＜0.1	与	＜5	与	＜4	正常状态
0.1至0.5	或	5至80	或	4至50	注意状态
＞0.5	或	＞80	或	＞50	异常状态

国网标准-配电电缆线路试验规程（报批稿）介损检测采用上述标准。

八、超低频介损测试实践中的注意事项

注意事项：

（1）宜结合停电开展；

（2）宜重点对超过一定年限，且通道环境较差的电缆进行测试，宜对电缆绝缘情况进行长期监测并生成一个历史记录（现有设备厂家均未提供历史数据集成软件），通过测试数据分析，评定电缆绝缘状态，以确定如何进行下一步计划和安排。

（3）优先考虑重要用户电缆；

（4）因试验时需要拆卸插拔头等终端设备，宜备好所测设备的插拔头等终端备品。

（5）测试电缆段的长度不宜过短（不小于60米），最大长度不应超过0.1Hz下测试设备的最大负载容量对应的电缆长度值；

（6）诊断试验中介质损耗检测试验时，升压过程中若介质损耗指标已达异常标准可不继续提升激励电压，直接开展缺陷定位或消缺。

（7）当诊断为异常状态时，宜结合振荡波局放设备进行定点。

九、待解决的问题

1. 超低频正弦波与余弦方波的区别？为何介损测试设备均采用正弦波？

2.如何建立超低频介损测试数据库，以用于积累历史数据

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