高压测试基本原理：电缆测试的角度

高压测试基本原理：电缆测试的角度 关键词:高压测试, 电力电缆, 电缆系统, 干线绝缘 介绍日益增长的工业、商业和家庭用户电能需求，导致传输容量提高和电力供应可靠性不断增加。高压发电厂的可靠性必须维持在较高的水平，在其寿命，通常为50年。 所有新制造的电力系统元件都要进行不同类型的测试，以确保他们的可靠性和寿命。 这些测试都是按照国家和国际制定的规范来进行。这些测试名称可以用下述术语表示 l 设计验证测试 l 生产质量测试 l 安装后测试 在所有高压发电厂的电力系统中，电缆系统必须满足可能最广泛的测试要求。因此，在这篇文章中，我们使用电缆系统的电气测试来向大家展示的主要测试的由来。虽然我们指的是整个文章主要是电缆的挤压绝缘和他们的配件，大多数的结论可以推广到其他高压设备，如电力变压器或绝缘子。结论限制在大部分输电系统：绝缘电缆系统传输电压在地区电网电压水平，变压器电压水平，即被评为30 kV以上。 电缆系统测试 测试标准  伴随着测试标准的提高，电缆制造技术一直在进步。在早期，只有少数的电缆制造商，他们建立了 第十次系列特约采访来做DEIS的五十周年的纪念 Tadeusz Czaszejko 莫纳什大学电气与计算机系统工程系，克莱顿校园 ，维克3800，澳大利亚 莫纳什大学电气与计算机系统工程系，克莱顿校园 ，维克3800，澳大利亚 高压绝缘电气试验有关老化的规范讨论。主要测试类别的原理以及高压测试的复杂性说明。 他们自己的测试要求要确保他们的产品的可靠性。随着行业的增长，国家标准化组织介入统一测试程序制定，并随后建立了国际标准。国际电工委员会（IEC）是目前指定的电缆测试标准的主体，这已被世界上大多数国家采用。为挤包绝缘电缆测试规格中包含两个独立的标准，即（一）30至150 kV高压，在iec60840，和（二）超高压（超高压），150～500 kV 在iec62067。 这两个标准，在他们最新的版本，遵循几乎相同的模式，关于设计，生产质量和安装后的绝缘完整性测试要求。即使条款编号已协调。在他们被分为五大类，测试分类（文中斜体字是采取直接从标准）： ?预防（PQ）试验：为证明完整的电缆系统的长期性能，在供应之前，在一般的商业基础，一种类型的电缆系统，以证明令人满意的长期性能。 ?类型测试：在供应之前进行的测试，在一般的商业基础上，一个类型的电缆系统，以表现出令人满意的性能特性，以满足预期的应用程序的样本测试，制造商对完整的电缆样品或从一个完整的电缆或附件取下的部件进行的测试，以验证所完成的产品是否符合规定的要求 。 ?常规测试：制造商对每一个制造组件（电缆或附件的长度）进行的测试，以检查组件是否符合规定的要求 。 ?安装后测试：测试表明，安装的电缆系统的完整性。 在每个测试类别中有一套规定的测试电压水平和持续时间。在PQ测试电压为8760小时（1年），并在20天的试验。其他耐压试验较短。其中的一些显示在表1。在一些测试中，升高的温度或热循环（创建热和机械应力）同时施加的电压（创建电应力）。我们将展示后，他们是如何与电老化模型。 简短的历史回顾 测试电缆与挤压绝缘的第一个标准，借鉴了早期测试纸/油绝缘电缆的经验。他们提到的电力系统的各个组成部分的测试。随着时间的推移，一个基础系统的方法被采用，最新的标准就会遵循这种方法制定。支持新的设计或设计修改的资格预审或类型试验必须通过在完全组装好的电缆系统中执行，包含制造商打算在市场上出售的所有组件。其中一种测试电缆系统的实验数据如图1所示。 表1试验电压按iec62067 [ 1 ]。 1 2 3 41 51 61 71 81 91 101 11 额定电压 最高电压 测试电压U0值测定 电压测试9.3 局部放电试验9.2、 12.4.4 δ测量 12.4.5 加热循环电压测试12.4。6 雷电冲击电压试验 10.12，12.4.7.和 513.2 脉冲电压测试后的电压测试 12.47 开关脉冲电压测试 12.4.7.1 电压试验 安装16.3 U (kV) Um (kV) U0 (kV) Voltage2 (kV) Duration2 (min) 1.5U0 (kV) U0 (kV) 2U0 (kV) (kV) 2U0 (kV) (kV) ( kV ) 220 to 230 245 127 318 30 190 127 254 1,050 254 — 180 275 to 287 300 160 400 30 240 160 320 1,050 320 850 210 330 to 345 362 190 420 60 285 190 380 1,175 380 950 250 380 to 400 420 220 440 60 330 220 440 1,425 440 1,050 260 500 550 290 580 60 435 290 580 1,550 580 1,175 320 1.如果有必要，这些试验电压应按列表调整。 2.门槛限制27到30 kV/mm不应超过某些绝缘材料（如指定的供应商）来避免任何可能削弱绝缘之前交货，这可能导致服务失败。在9.3的电压测试，例如额定电压为330至500千伏，电压降低，并结合较长的测试时间，以避免太高的应力。绝缘在门槛的限制不是问题，供应商可能会增加测试电压和降低测试时间。然而，持续时间至少应为30分钟。制造商和买方之间的，9.3的电压测试可能会被替换由一个测试在较低的电压和更长的时间，即使在绝缘中的最大应力低于30千伏/毫米。然而，电压等级不得低于1.5u0和持续时间不超过10小时。                         对高压和超高压电缆IEC测试规范的进展如下：  ● 1988-iec60840（原来iec840）指定类型，程序，和只对样品电缆的测试； ● 1999-iec60840包括类型试验要求的配件； ● 2001-iec62067介绍超高压电缆系统的PQ测试和避免直流系统安装后主绝缘直流测试的建议； ● 2004—IEC60840 增加了电力系统类型测试以及样品测试的预制附件; ● 2011-iec62067修改了PQ测试程序，并介绍了PQ测试部分； ● 2011-iec60840指出为高压电缆系统的PQ测试和延伸PQ测试中的无效设计。 我们现在描述IEC标准的演变，从预IEC时代。19世纪从发电机的发明绝缘导线已被用于电网。 图1。澳大利亚耐克森的132 kV，800-mm2，交联聚乙烯电缆类型试验装配车间。 在第十九世纪额定值为11 kV的浸渍纸绝缘电缆已投入使用末。此后，绝缘电缆的额定电压呈指数增长，高达400千伏的充油电缆已经在使用时，20千伏电缆聚乙烯绝缘聚乙烯绝缘出现在20世纪50年代，但是，聚乙烯绝缘电缆的电压等级迅速增加，如图2所示。挤压绝缘电缆在不到40年里达到400千伏级，不仅如此在1986已经达到500千伏 [ 4 ]。 电缆技术的新一代变革正在发生。纸/油绝缘技术是成熟的，并已在最高电压水平被验证非常可靠，而挤压绝缘还必须经受验证。这就是为什么新一类的测试，即PQ测试，被添加到挤包绝缘电缆试验标准的原因。对于通过这样的测试的电缆系统来说，它已经被论证具有令人满意的长期工作的性能，因此可以为一般的商业提供依据。 图2。电力电缆电压等级的增加，从数据绘制[ 2 ] [ 4 ]。聚乙烯=聚乙烯。 图3。计算挤压绝缘电缆的额定电动力，Er在导体屏蔽下的激励，而ER是绝缘屏蔽下的激励。 在20世纪90年代中期和90年代中期，首先由CIGRE研究委员会推荐工作组wg21.03和wg21.09的高电压绝缘电缆的PQ测试其被要求复查现行的从400 kV到500 kV的标准电压。含PQ测试和其他建议的iec62067标准在2001制定和发布。 因为在绝缘上的额定电应力增加使得超高电压等级电缆制造成为可能。图三展示了一系列在市售挤压绝缘电缆的Er在导体屏蔽下，ER在绝缘屏蔽下的电应力。用 IEC60840, p.6(m)中的公式代入标称电压的均方根值计算出应力，单位用 kVRMS/mm.表示。在超高压电缆中Er 可能有kVRMS/mm，而在一些高压电缆Er 可能只有kVRMS/mm低。 技术的进步导致了可靠的超高压电缆系统的制造技术现在可以应用于高压电缆的制造。因此，所谓的超薄设计，涉及更薄的绝缘，因此开发出可承受更高的电应力的电缆。这个方法明显的提高了超薄设计的高压电缆的额定应力水平，甚至承受的额定应力只能在超高压电缆中看得到。为了确保可靠，超薄设计的电缆需要一个批准程序。一个合乎逻辑的步骤是采用iec62067 的PQ测试，包括在IEC60480。 在对iec62067 2001第一版的时候，国际大电网会议研究委员会B1（前21）成立21.11专案组，，和之后的b1.06工作组准备未来iec62067的版本，会考虑预期的创新点以及减少新产品进市场需要的时间的建议。2004年底，IEC技术委员会20决定一个iec60840重大修订，并将CIGRE WG b1.06 [ 6 ]提供的建议被纳入第四版中。 PQ测试被添加到超薄设计类高压电缆系统的验收要求中。这样的电缆超过标称最大的电应力的8伏/毫米的导体屏蔽，或4千伏/毫米的绝缘屏蔽，或两者都超过了。 人们已经认识到超高压电缆系统和超薄设计高压电缆系统PQ测试的引进延长了引进创新进入市场的过程。然而，WG b1.06 的工作证明PQ测试是验证新的电缆系统设计的长期可靠性不可或缺的一部分。改进测试程序由WG b1.06提出，随着一个被称为延长资格测试（EQ测试）新的测试。最新的标准，[ 1 ]和[ 7 ]，包含这些改进的程序。  固体电介质的老化规律 电工试验的标准规范在电介质老化规律有它们的基础。老化理论的简要回顾将有助于了解这些基础。因此我们采用的挤出聚合物绝缘电缆为例，我们将集中精力在固体介质上，更具体地说，对交联聚乙烯（XLPE）。 我们可以区分固体电介质三种类型的老化，分别是，即热，电，和机械老化。他们可以单独或组合使用，因此实际的绝缘系统是被考虑进行多因素老化。 附加因素可能有助于高压绝缘的老化过程。这些包括湿气、温度波动、放电、氧化的存在，在物质形态的差异，与所施加的电压的高频分量。几个寿命模型和老化理论已发表[ 1 ]，[ 8 ] [ 10 ]。在这篇文章中，我们专注于最基本的现象学模型。他们相对简单有助于解释如何测试单一环对高压电厂开发的影响。他们还展示了如何选择测试条件，如试验电压水平和持续时间，来有目的的预测新设计和制造高压设备使用寿命。 电老化 根据经验公式，在一个受限制的时间尺度上，在高电场的存在下，大多数电介质老化的速度可以被描述的逆幂律 公式如下 t =CE?n,  (1) 在那里T是生命的寿命（时间到故障），E是电场强度，和C和N是常数。场的频率，F，也会影响老化的速度，所以 t =CE?nf?m,(2) 其中M是一个常数。数学模型（1）和（2）不具体的降解机制但很有吸引力，因为它们简单；如果他们是适用的，a log t对log E, 或logt 对 log 分别在坐标系上显示的是斜率为m和n的直线。然而，使用n值推出加速试验在高电场下的领域进行的结果可能会在高电厂和低电厂下产生终生的高估； 时间对交联聚乙烯（XLPE）迷你电缆绝缘承受在22°C 空气中各种交流电场的击穿故障( ACBD = AC 击穿)[11]。 长期耐压实验有时揭示在较低的场强下绝对值n的变化。图4显示了使用寿命，即，击穿时间对交联聚乙烯（XLPE）迷你电缆绝缘在交流中应力函数（ACBD =交流击穿）。当相同的数据被绘制为E对log t，“弯曲部分”在使用寿命曲线上基本上消失，如图5所示。观察类似的导致指数衰减模型的发展，形式上类似热老化模型。 电老化的指数衰减方程的一个简单的形式是由Dakin [ 8 ]提出的，即： 其中E是电场强度，W是老化过程的活化能，A和B是常数。–B / KT则是E与对数图的斜率（温度不变）。