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高压电缆线路试验标准和条件 国家电力公司武汉高压研究所 二○○二年一月
高压电缆线路试验标准和条件1电力电缆线路概述2电缆的技术性能1) 通流性能(电缆的导体电阻 线芯损耗 载流量 电容 电感)2)绝缘性能(绝缘电阻 工频耐电强度)3) 防护性能(机械强度 密封防水性能 阻燃耐火性能)4)护层接地方式(感应电压及计算)3 电缆行业标准概述(电力行业电缆标委会,CSBTS,IEC,CIGRE)4电缆性能的监测与试验技术4.1概述(试验类型及目的)4.2 电缆性能监测主要试验项目 1)塑料电缆(重点:交联聚乙烯绝缘电缆)的试验项目及标准要求A. 交联电缆主要性能特点 B. 交联电缆最重要的性能参数C. 交联电缆产品标准技术要求的新内容与趋势2)油纸绝缘电缆的试验项目及标准要求4.3 当前国内外开展的交联电缆线路性能新试验技术简介附录 国家电力公司超高压电缆实验室简介
1. 电力电缆线路概述 • 电力电缆线路--- 1电缆本体(一般简称电缆) • 2 附件-- 中间接头 • 终端(户内型、户外型、 • 可分离终端 或连接器) • 3 其他安装器材(桥架、穿管、防火材料等 • 电力电缆线路由电缆本体和附件及其他安装器材组成 • 电缆之间的接续由中间接头完成。 • 电缆与其他电器设备的连接由终端或 可分离终端完成 电缆线路输电特点:高压输电导线通过固体绝缘体隔离后被封闭在接地的金属屏蔽内部 (架空输电线路:高压输电导线通过空气绝缘体隔离,大地为地电极。)
电力电缆本体基本结构及各组成部分的作用和特点电力电缆本体基本结构及各组成部分的作用和特点 • 图1 电力电缆的结构
导体提供负荷电流的通路。 • 主要技术指标和要求: • 1)导体截面和直流电阻:由于电流通过导体时因导体存在电阻而会产生热,因此,要根据输送电流量选择合适的导体截面,其直流电阻应符合规定值,以满足电缆运行时的热稳定要求。 • 2)导体结构:导体也是电缆工作时的高压电极,而 • 且其表 面电场强度最大,如果局部有毛刺则该处的 • 电场强度会更大。因此,设计和生产中以及使用部 • 门在制作接头的导体连接时,要解决的主要技术问题 • 之一就是力图使导体表面尽量做到光滑圆整无毛刺, • 以改善导体表面电场分布。
金属屏蔽 • 1)形成工作电场的低压电极,当局部有毛刺时也会形成电场强度很大的情况,因此,也要力图使导体表面尽量做到光滑圆整无毛刺。 • 2)提供电容电流及故障电流的通路,因此也有一定的截面要求。 • 半导电屏蔽层 • 半导电屏蔽层是中高压电缆采用的一项改善金属电极表面电场分布,同时提高绝缘表面耐电强度的重要技术措施。 1)首先代替导体形成了光滑园整的表面,大大改善了表面电场分布。 2)能与绝缘紧密接触,克服了绝缘与金属无法紧密接触而产生气隙的弱点,而把气隙屏蔽在工作场强之外。在附件制作中也普遍采用这一技术。
绝缘将高压电极与地电极可靠隔离的关键结构 • 1)承受工作电压及各种过电压长期作用,因此其耐电强度及长期稳定性能 是保证整个电缆完成输电任务的最重要部分。 • 2)能耐受发热导体的热作用而保持应有的耐电强度。 • 电缆技术的进步主要由绝缘技术的进步所决定。从生产到运行,绝大部分试验测量项目都是针对监测绝缘的各种性能为目的的。 • 护层保护绝缘和整个电缆正常可靠工作的重要保证。 • 针对各种环境使用条件设计有相应的护层结构。主要是机械保护(纵向、径向的外力作用),防水、防火、防腐蚀、防生物等。可以根据需要进行各种组合。
电力电缆终端及接头基本结构及作用特点电缆的电场分布特点Ex=0 = U(εv/ReqεMK) 1/2 cth[(εv/ReqεMK) 1/2 l ] = Uγcth(γl )其中:γ=(εv/ReqεMK) 1/2 ,式中:εv:绝缘层介电常数,εM:周围媒质介电常数,Req:等效半径= riln(ri/rc),ri:绝缘层半径, rc:导体半径,K:与周围媒质性质有关的系数。当[(εv/ReqεMK) 1/2 l ]≥1.5时, cth[(εv/ReqεMK) 1/2 l ]≈1, 即增加l对Ex=0值几乎没有影响。只有增加周围媒质介电常数εM、等效半径Req和表面电容(与周围媒质性质有关的系数K)可以降低Ex=0值。
2 电缆的技术性能指标及评价1)通流性能:电缆的导体电阻 直流电阻: R‘= R0 [1+α20(θc-20)],Ω/m(交流)有效电阻: R =R’[1+Ys+Yp], Ω/m线芯损耗: Wc =I 2 R, W/m恒定负载载流量:I =[((θc-θo)-Wi T1)/R T2 ]1/2,A电缆的电容:C = ε/[18 ln(R/rc)]×10-6,F/km电缆的电感:L1 = 2×10-4 ln(S/GMR)],H/km
2)绝缘性能绝缘电阻: Rx =(ρ/2π)[ ln(R/rc)],Ω/m工作电场强度: E = U/[r ln(R/rc)],MV/m耐电强度与时间关系(寿命曲线):E =E∞ + C×t-1/n或: E1 nt1= E2 nt2 = CON
3)防护性能机械强度防水密封性能:径向阻水、纵向阻水;防火阻燃性能:阻燃性能:非金属材料总体积:A类7L、燃烧40min, B类3.5L、燃烧40min, C类1.5L、燃烧20min;耐火性能:火焰温度A类:950~1000℃,90min;B类:750~800℃,90min防白蚁,微生物等性能
4)护层接地方式(感应电压及计算)感应电压应控制在50V(有防护时为100V)。--正常运行时感应电压计算(三相等边) US = 2ωj[ ln(2s/Ds)]×10-7,V/m--短路运行时感应电压计算--护层接地方式1)金属护套一点接地(一端或中点):无环流,感应电压与电缆长度成正比,短电缆线路常用。2)金属护套两端接地:有环流,感应电压为零,但影响载流量,轻负荷电缆线路常用。
3)金属护套交叉换位连接:两端接地,中间用绝缘接头将护层交叉换位连接,无环流,感应电压与电缆长度成正比,但可以限制在允许的范围内,长电缆线路常用。4)敷设“三七开”回流线:对于金属护套一点接地的较长电缆线路,沿线路敷设一条或多条两端接地良好的金属导线,即“回流线”,可以抵消部分感应电压。回流线 “三七开” 敷设,即1.7s,0.3s,0.7s敷设时效果最好。
3 电缆行业标准化工作概述1)标准化工作机构与组织电力行业电缆标委会 (秘书处:国家电力公司武汉高压研究所)CSBTS 全国电线电缆标准化技术委员会IEC 国际电工委员会CIGRE 国际大电网会议我国标准化工作的基本原则是:采用IEC 标准,一致性程度分三种:等同采用(idt):结构、内容完全一致,即翻译版等效采用(eqv):结构允许改变、内容实质上一致修改采用:结构允许改变、内容基本上一致, 允许一定程度的修改
2) 电力电缆的名称和型号规格表示方法电缆的名称及型号反映了电缆的主要结构要素导体、绝缘和护层的型式。规格主要表示额定电压和导体芯数与截面。由此来表示该种电缆的特点及适用场合。□ □ □ — □ □ ( □ )绝缘 导体 护层 — 额定电压 导体截面 标准代号YJ V 22—8.7/10 3×240 表示为额定电压8.7/10kV,导体截面为240mm2的三芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铜芯钢带铠装电力电缆。
3)电力电缆电压系列及试验电压值国际电工委员会(IEC)的表示方法为U0 / U( Um )U0为电缆的设计电压,一般相当于电缆所处的电力系统的相电压,但有时不完全一致。U为电缆可用于的系统额定线电压。 Um为电缆可用于系统的额定最高线电压。 试验电压值 统一以U0或( U0+ U )/ 2 为基准,用n U0或n ( U0+ U )/ 2来表示,或直接用计算出的具体电压值来表示
IEC推荐U0/U序列为:中低压:IEC60502(U=1~30(Um=36))GB127060.6/1;1.8/3;(3.6/3)、3.6/6;(6/6)、6/10;(8.7/10)、8.7/15;12/15;12/20;18/30;(21/35);(26/35);高压:IEC60840(U=45~150(Um=170))GB11017 (26/35)、26/45~47;36/60~69;64/110~115;76/132~138;87/150~161;超高压:IEC62067(U=220~500(Um=550)GB/Z127/220~230;160/275~287;190/330~345;220/380~400;290/500。上述序列中,括号内电压仅为中国系统采用。
4)接地方式对电缆的影响(电缆的ABC分类及中国电网概况)IEC标准将电力系统划分为三类:A类:该系统任一相导体与地或接地导体接触, 能在1min 内与系统分离;B类:该系统仅包括单相导体与地或接地导体接 触,接地故障时间不超过8h,每年总累积 时间不超过125h;C类:该系统为所有不属于A类及B类的系统。预期会经常处于接地故障运行的系统,选 用C类为宜。
A U0 A U正常时 故障时B C B C中性点非有效接地系统在单相接地故障时相量原理图中性点有效接地系统一般选用U0相当于系统相电压的电缆,如10kV系统选用6/10的电缆,35kV系统选21/35的电缆。 中性点非有效接地系统,一般选用U0比系统相电压高一档的电缆。如10kV系统,选U0为8.7的电缆,35kV系统选用26/35的电缆。其原因是,中性点非有效接地系统在单相接地故障时,三相之间电压关系不变,允许电缆继续运行一定时间,但这时电缆非故障相电压会升高至线电压。所以为保证电缆长期可靠性(寿命)而选择高一档电缆。
电力电缆的发展过程及常用电力电缆类型1)油纸绝缘型2)塑料绝缘型 3)橡皮绝缘型 因此了解电缆的型号规格对于正确使用电缆、正确选用电缆附件是非常重要的。电压等级(绝缘性能)导体截面(通流性能)护层结构(保护性能)的正确选择是保证电缆达到预期安全可靠运行寿命所需要认真考虑的最重要内容。
4 电力电缆线路性能监测与试验技术4.1 电缆试验概述(试验类型及目的)为了对电力电缆的性能质量进行监测,从研究设计及生产,到安装以及投入运行后,都制定了相应的检测项目。根据检测目的,可以分成如下几类试验:电缆出厂前由制造部门完成的试验分为:a.例行试验,也称为出厂试验,主要目的是检验每个产品是否存在偶然因素造成的缺陷。全部产品电缆均必须做,均为非破坏性试验。b.抽样试验,主要目的是验证生产过程中产品的关键性能是否符合设计要求。一般是定期定量(一般为10%)做,也多为破坏性的,
c型式试验,主要是为了确定电缆产品的设计是否满足预期的使用要求。一般是一次性的做过后不再做了,而且多为破坏性的,它是全性能的,包括电气性能,机构物理性能及各种特定要求的性能等。d.预鉴定试验220kV及以上超高压电缆新增加的项目,必须通过该项试验,电缆才具备商业运行资格。电缆出厂后由使用部门完成的试验分为:e.交接试验,主要目的是检查电缆及附件敷设安装的质量,是否存在偶然缺陷。在电缆线路安装完成后做,有时在安装过程中也做,也属于非破坏性的试验。f.预防性试验,对运行中电缆线路定期进行检测,以监测电缆线路性能是否发生了无法保证可靠运行的变化。以避免突发故障造成各种损失。也属于非破坏性试验。c型式试验,主要是为了确定电缆产品的设计是否满足预期的使用要求。一般是一次性的做过后不再做了,而且多为破坏性的,它是全性能的,包括电气性能,机构物理性能及各种特定要求的性能等。d.预鉴定试验220kV及以上超高压电缆新增加的项目,必须通过该项试验,电缆才具备商业运行资格。电缆出厂后由使用部门完成的试验分为:e.交接试验,主要目的是检查电缆及附件敷设安装的质量,是否存在偶然缺陷。在电缆线路安装完成后做,有时在安装过程中也做,也属于非破坏性的试验。f.预防性试验,对运行中电缆线路定期进行检测,以监测电缆线路性能是否发生了无法保证可靠运行的变化。以避免突发故障造成各种损失。也属于非破坏性试验。
4.2 电缆性能监测主要试验项目一)塑料电缆(重点:交联聚乙烯绝缘电缆)的 试验项目及标准要求----交联电缆主要性能特点及参数的意义---最新IEC标准对有关项目指标修改的评价---敷设后及运行中电缆线路性能监测主要试验项目
A) 交联电缆绝缘的性能特点 交联电缆绝缘由单一介质交联聚乙烯(XLPE)构成 它的主要优点: 1 优良的电气性能:耐电强度高(长期工频击穿强度 20~30MV/m, 冲击击穿强度40~65MV/m), 损耗小 (工频时 tgδ=0.0005),介电常数小(2.5); 2 耐热性能好(连续工作温度90℃,载流量较大); 3 不受落差限制。
但它也有明显的缺点:1耐局部放电性能差(受杂质和微孔及水份的影响很大,在这些缺陷处易产生局部电场集中,发生局部放电,造成不可恢复的永久性损坏)2热膨胀系数大,热机械力效应严重。但它也有明显的缺点:1耐局部放电性能差(受杂质和微孔及水份的影响很大,在这些缺陷处易产生局部电场集中,发生局部放电,造成不可恢复的永久性损坏)2热膨胀系数大,热机械力效应严重。
交联电缆的生产特别强调纯净,高压超高压电缆绝缘的质量更是由材料及生产过程的纯净度决定的。交联电缆的生产特别强调纯净,高压超高压电缆绝缘的质量更是由材料及生产过程的纯净度决定的。 • 交联电缆的附件,除了结构设计正确合理外,最重要的问题也是清洁问题,尤其是附件所涉及绝缘界面往往是电场易畸变的地方,一但有杂质、气隙等,其绝缘性能会显著下降。
塑料电缆(重点:交联聚乙烯绝缘电缆)的 电性能试验项目及标准要求:a)局部放电试验;b)弯曲试验及随后的局部放电试验;c)tanδ测量;d)热循环试验及随后的局部放电试验;e)冲击电压试验及随后的工频电压试验;f)4h电压试验。g) 半导电屏蔽电阻
结构尺寸检查 厚度测量机械性能(抗张强度和断裂伸长率)老化前在空气箱老化后成品电缆段老化浸入热油后 热塑性能高温压力试验(凹痕) 低温试验在空气烘箱内的失重试验热冲击试验(开裂)抗臭氧试验热延伸试验不延热试验(若要求)吸水试验热稳定试验收缩试验碳黑含量试验* 硬度确定弹性模量确定可剥离试验* *渗水试验* * * 微孔杂质及界面突起尺寸
B) 交联电缆最重要的性能参数 • 从检查交联电缆成品质量角度来看,最重要的性能参数有: • 局部放电量; • 耐电强度; • 结构尺寸; • 微孔杂质及界面突起尺寸; • 交联度(热延伸试验); • 内应力性能(热收缩试验); • 导体直流电阻; • 护层绝缘电阻。
C) 交联电缆产品标准技术要求的新趋势 • 最新版本的IEC和国标的交联电缆产品标准: • 中低压电缆GB12706 对应 IEC60502-1997, • 1~30kV • 高压电缆 GB11017 对应 IEC60840-1999, • 45~150kV • 超高压电缆 GB/Z 对应 IEC 62067-2001 , • 220~500kV • (相应的国家标准正在修订报批中)
1) 更加注重交联电缆产品(电缆本体及其附件)出厂前的质量水平,而且更加注重的是其长期性能(30年以上的安全运行寿命) • 随着交联电缆特别是高压、超高压交联电缆的广泛使用, 交联电缆的运行安全可靠性问题越来越重要。 • 由于交联电缆的使用经验不足,许多性能了解不够,特别是在运行中的各种性能和效应。 • 监测方法上存在不足 • 高阻和闪络性故障,故障探测难度大。 • 使用高质量的电缆产品,是确保交联电缆运行可靠性,并达到预期的使用寿命的最根本的途径。国外发达国家对电缆的质量要求:“遗忘工程(Forget it)”
a) 局部放电性能指标更加严格: 中低压电缆:出厂试验 1.5Uo,≤20pC → 1.73Uo,≤10pC; 型式试验 1.5Uo,≤20pC →1.73Uo,≤5pC; 高压电缆: 出厂试验1.5Uo,≤10pC; 型式试验1.5Uo,≤5pC; 超高压电缆:出厂试验1.5U0,在≤10pC背景下无可分 型式试验1.5U0, 在≤ 5pC背景下 辨的局 部放电 德国、瑞士 出厂试验2Uo,≤5pC, 美国 出厂试验3Uo,≤5pC,4Uo,≤10pC
据日本的研究报道,从理论计算得到:对于8.7/10 电缆: 即微孔尺寸达到700μm 的电缆仍可能判为合格品出厂。 从理论上说,如果微孔尺寸小到1μm 以下时,根据巴申定律可知:由于路径太短已不可能产生气隙游离放电,即局部放电,所以,绝缘品质将大为提高。 实际的电缆制造水平可达到5~20μm ,局部放电指标已不是足够灵敏了。况且,这里的局部放电指标也只是视在放电,与真实放电点的局部放电量还有差别。
因此,所谓的局部放电性能指标,与其说是对电缆绝缘品质的要求,不如说是对检测系统的要求更为恰当。实际上,一般所得到的试验数据往往是检测系统的背景噪声水平。对电缆绝缘品质的要求,在这一局部放电量检测指标水平下,应无可分辨的局部放电。即:因此,所谓的局部放电性能指标,与其说是对电缆绝缘品质的要求,不如说是对检测系统的要求更为恰当。实际上,一般所得到的试验数据往往是检测系统的背景噪声水平。对电缆绝缘品质的要求,在这一局部放电量检测指标水平下,应无可分辨的局部放电。即: • 品质好的交联绝缘电缆(包括附件) 1.5U0 甚至2.5U0时, 应无可分辨的局部放电。 • 品质差的电缆(特别是附件) ,局部放电量往往很大,一般达到数十 pC 甚至更大。(局部放电测量的意义更在于此)
关键:1)提高局部放电检测系统的灵敏度,2)准确判断所测局部放电信号的性质: 分清是 电 缆试品放电还是检 测系统其它地方放电。
b ) 耐压试验指标也更加严格: • 中低压电缆:出厂试验 2.5 U0 改为 3.5 U0。 • 型式试验3U0,4h,改为 4U0,4h。 • 超高压电缆:出厂试验中,工频耐压试验采用延长时间来提高要求(330kV及以上增加为60min);抽样试验中,增加了雷电冲击试验;型式试验中,仍除保留了传统的试验项目; • 特别增加了“预鉴定试验(Proqualification • test)即(高场强热循环长期老化试验)” • 以考核超高压电缆系统的长期性能
c) 绝缘微孔杂质及半导体屏蔽微孔及突起的检测更加严格: 虽然IEC标准未要求,但我国参照美国AEIC标准作为型式试验项目列入了国家标准, 而美国和日本等先进国家的标准还将这些检测项目列作出厂试验项目。 新版的AEIC标准及相应的国家标准修订稿,微孔杂质等尺寸指标要求不断提高。 例如:110kV电缆,微孔尺寸由≤ 76μm 提高为 ≤50μm;其他指标也都相应提高(略)
0 0 0 60 40 20 击穿电压,kV 微孔 杂质 半导电层突起 100 101 102 103 尺寸,μm
实际上,交联电缆产品(电缆本体及其附件)的质量水平特别是其长期性能,本质上是由绝缘材料及其生产成电缆成品后的绝缘内微孔杂质及半导体屏蔽微孔及突起的尺寸决定的。例如,对于22kV 的交联电缆,图中,微孔尺寸大于10μm时,工频击穿电压开始快速下降,当微孔杂质尺寸大于100μm时,工频击穿电压下降了一半以上;半导电层表面的突起,对工频击穿电压下降的影响更要大得多。
d) 敷设安装后的主绝缘试验更加强调交流耐压试验优先采用交流试验方法,尽量避免采用直流耐压试验。试验目的、作用:粗大缺陷检查,无法了解其较小缺陷 中低压电缆:仍然保留了直流耐压试验, 而预防性试验已取消; 高压电缆: “直流方法或交流方法” 改为“交流方法或直流方法” 超高压电缆:1)采用20Hz到300Hz的交流电压, 1.1~1.7 U0。 2) 电缆附件的安装质量保证程序 和外护层直流耐压试验 代替主绝缘的交流耐压试验
2)更加注重交联电缆产品整体(电缆本体及其附件,Cable system)的质量水平 完成输电任务是由电缆及附件组成的电缆线路整体,电缆本体只是电缆线路的一部分,电缆附件是电缆线路必不可少的组成部分,没有附件则电缆是无法工作的。 交联电缆的热机械性能和内应力性能特点,在电缆本体及其附件的部件制造及敷设安装中,特别要注意它们之间的配合,因此新的标准,特别是超高压电缆,强调了电缆线路整体的试验,除了型式试验强调了的整体试验要求外,新增加的“预鉴定试验”正是这一要求的具体体现。
IEC标准的定义: 预鉴定试验(prequalification test) 在批量提供一种型号的超高压电缆系统(指电缆及其配套的附件)之前,为了验证敷设安装好的该电缆系统成品具有满意的长期性能而进行的试验。
预鉴定试验的主要内容 1)将约100m长的电缆,敷设成实际电缆线路并按实际运行条件要求安装好终端和接头,如刚性固定、挠性固定和刚性与挠性固定之间转换的布置、直埋和空气中敷设,特别是要注意对附件的热机械效应,形成被试电缆线路样品; 2)在1年期间:连续施加1.7倍额定运行电压; 3)在1年期间:≥180个循环:≥8h的加热(导体温度90~95℃≥2h),+ ≥16h的冷却; 4)对整个试验电缆线路,或取有效长度≥30m的电缆,进行雷电冲击耐压试验。 5)对全部试品进行检查,无潮气侵入,无泄漏,无腐蚀等。 试验全部通过,预鉴定试验合格,才能安全地投入商业运行。
这就是超高压电缆试验的最新发展。毫无疑问这比过去挂网试运行要严格得多。由于采用这种新发展的预鉴定试验代替直接挂网试运行,因此对电网安全运行不会构成威胁。这就是超高压电缆试验的最新发展。毫无疑问这比过去挂网试运行要严格得多。由于采用这种新发展的预鉴定试验代替直接挂网试运行,因此对电网安全运行不会构成威胁。 预鉴定试验电缆系统模拟采用各种实际敷设和固定,终端、接头安装配合技术与实际一致,这样不仅试验考核电缆本体质量,而且还考核电缆与附件的配合质量;不仅试验考核电缆与附件的长期电性能,而且还考核电缆与附件的热性能和热机械性能。这是一个综合考核电缆线路长期性能的试验。通过这个试验的电缆系统能保证长期可靠运行,因此,正规预鉴定试验通过的电缆系统可直接进入电网商业运行。
3) 敷设后及运行中电缆线路性能监测主要试验项目实际上,对于出厂时的例行试验及安装后的交接试验及运行中的预防性试验,其选取原则是一致的,首先是非破坏的,即对良好绝缘不应造成损坏,其次有效性,对存在的缺陷灵敏地检测出,最后必须可行,操作方便、技术经济合理。 目前出厂试验项目主要是导体直流电阻、交流耐压,对交联电缆还有局部放电试验。在工厂完成这些试验是符合上述一条原则的。但对于安装后及运行中的电缆线路来说,上述项目由于各种原因而不能简单照搬。针对具体电缆的特性,选择合理的试验项目。 现将1997年实施的新的电气设备预防性试验规程有关电缆试验的内容简单介绍
二) 油纸绝缘电缆的试验项目及标准要求油纸电缆试验项目仍为绝缘电阻测试和直流耐压及泄露电流测量。理论和实践已证明这些方法对油纸电缆是行之有效的。油纸绝缘结构是由油纸与油膜组成的复合结构。在交流电压作用下,油纸与油膜按介电常数反比分配电压,油纸的介电常数约为3.5,油膜的介电常数约为2.1,显然耐压强度高的油纸承受了较低电压,而耐电强度低的油膜反而承受了较高的电压,这样的分压对整绝缘是不利的。