关于电力电缆直流耐压试验的简单讨论

　　[摘 要]电力电缆应用于长期传输大功率电能，其线路的绝缘性能是决定电力电缆能否正常投运的前提和确保供电系统安全运行的极重要指标。本文针对电力电缆直流耐压试验的积极意义，在某些电力电缆故障判定中的实际作用，以及该项试验操作的部分注意事项，作浅略讨论。 

　　[关键词]电力电缆、直流耐压、绝缘、检测 

　　中图分类号：P871 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0020-02 

　　1、直流耐压试验的意义 

　　耐压测试（Withstanding Voltage Test），在某些场合又被称为介电强度试验（Dielectric Test），是一种以规定时间内施加高压到被测设备的方法，检验瞬态高压下产品绝缘能力的电气试验，用以确认设备的绝缘性能是否满足工程安全的需要。耐压试验属于带有破坏性质的试验，因为试验电压高于设备的工作电压，所以被测对象的绝缘要经受严格考验，尤其在危险性较大的集中性缺陷附近，耐压试验还可能会给绝缘造成一定程度的损伤。但耐压试验在揭露试验对象绝缘缺陷方面的贡献是有目共睹的。 

　　实施于2006年11月1日，代号为GB50150―2006的《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》，对各型电力电缆的直流耐压试验作出了详细规定，直流耐压试验可以被认为是电力电缆交接试验的基本内容，也是判断电缆线路能否正常投入运行的基础手段之一。对照交流耐压的基本原理，我们可以发现直流耐压试验的一些显著优越性，例如，在被测线路存在较大Y电容的条件下，直流高压加在Y 电容上时，电容将不允许电流通过，这使得耐压试验的试验结果清晰明了，易于判断；而针对这种检测对象，在某些情况下，交流试验将增加误判的可能性。 

　　电力电缆的直流耐压试验，能直观反映电缆的内部缺陷。高压电气设备的供电端都是交流线路，直观地来看，应利用同等频率的交流试验电压来判断设备的主绝缘性能，然而由于电力电缆的电容量较大，此项目的开展常会因交流耐压装置的容量而受到限制。同时，同样等级的交流电压对电缆绝缘的损害程度要大于直流电压，所以直流耐压试验往往成为检测电缆缺陷、保障线路安全投运的常用方法，作用明显。 

　　2、直流耐压试验结果的基本判断方法 

　　正常情况下，电缆绝缘良好，在直流电压按照规定的上升速率稳步提高的过程里，尤其是阶段性暂停后继续升压的初始阶段，由于电缆线路的分布电容、杂散电容等存在一定程度的充电效应，电流示值可能发生幅度较大的突增，在升压过程结束后的电压保持阶段，电流示值会随时间推移而逐步下降。基本上在绝缘未损坏的状态下，泄漏电流将跟随电压的上升成比例增加，而在阶段性电压保持达到60s的时间节点后，泄漏电流基本会下降至初始读值的三分之一甚至更低。而当局部绝缘出现损坏时，电压保持的过程中，泄漏电流不随时间的延长而逐渐下降，相反地呈现不稳定状态甚至继续上升。由于所施直流电压将按照电缆绝缘部分的电阻成比例分布，使得电缆局部缺陷更容易暴露出来，通过观察泄漏电流在升压过程中的阶段性增长趋势，可以判断电缆可能的缺陷部位，甚至是某些经交流耐压试验不易被发现的局部缺陷。 

　　在升压的过程中，如果出现电流数值急剧变化的状态，则应该立即终止试验，并分析现象的可能原因。电流不稳定，一方面可能源于电缆线路本身的局部损坏，另一方面，也可能是由于高压仪器本身的连接问题，或者是对环境温湿度的影响估计不足等等。无论如何，在试验终止，切断电源以后，应立即检查设备各部线路是否完好，以及连接是否完善。如果设备外壳或者测量回路的接地线路连接混乱，甚至与主回路距离过近，那么随着试验电压的升高，不仅可能造成高压对地间空气电离、击穿，泄漏电流陡增，更可能形成操作过程的不安全因素；如果电缆的接地相、电缆的屏蔽层接地不牢固甚至虚接，或试验过程中松脱，也可能造成泄漏电流值不稳定。同时，由于电力电缆的绝缘电阻随温度上升而减小，随温度降低而升高，泄漏电流值随温度上升而增大，随温度降低而减小，在排除检测系统本身故障的可能性以后，还应该观察试验现场的温湿度情况。在确定试验数据的异常状态与以上非被测对象本身的因素无关的前提下，关注点就应集中在电缆线路上，寻找可能的故障部位。 

　　3、直流耐压试验在电缆故障检查中的实际作用 

　　电力电缆发生故障，尤其是绝缘性能的破坏，从长期运行的角度来看，除去电缆本体的故障和外力损伤、腐蚀等外部因素，常见的原因还是在于电缆本身是否长期超负荷运行，接头是否质量完好等等。例如长距离输电电缆，由于其长度可观，且其间包含的接头数量可能较多，故其故障的发生一般来说都会成为电缆在施工和运行阶段比较棘手的问题。电缆的某一段绝缘层破坏，某个部位严重受潮，接头工艺把握不严格，封堵不严密等等，都是可能的故障源，但由于电缆距离较长，通过机械排查的办法，费时费力，而且难以发现内部缺陷。利用直流高压试验，可以在首先确定电缆实际故障程度的前提下，通过缓慢升压来查找具体的故障部位。例如，工矿现场连接于上级变电站大功率变压器出口端的长距离高压输电电缆，如果存在上述故障点，极有可能造成输电过程中因泄漏电流过大引发上级变电站的供电设备频发过电流跳闸或者开关速断跳闸现象。这个时候，采用直流高压检测的办法可以迅速帮助我们定位接头的故障位置。我们可以于电缆端头施加直流电压，严密监视泄漏电流数值，在各个电缆接头所处的区域里，用观察和声测等直观方法，就可能准确地判断出损坏的位置。在对这些部位进行处理、修补以后，再借助直流高压检测，记录泄漏电流的数值和变化趋势，就可以判断接头维修是否达到规定的要求，从而确定故障电缆是否可以安全地重新投运。 

　　同时，从电缆检测的统计数据来看，高阻泄漏故障大约占到电缆故障的80%左右，判定这类故障时，直流高压试验也是可供选择的便捷方案之一。这类故障的特点通常是电缆的绝缘电阻值比较高，通过简单的绝缘电阻测试难以发现隐藏的绝缘问题。这时我们对电缆施加直流高压，观察泄漏电流随电压升高的变化趋势，若试验电压在规定范围以内，泄漏电流却远超允许值，就基本可以认定此电缆的高阻泄漏过大，处于故障状态。确定了电缆的故障类型以后，可以进一步采取其他方法，来精确定位故障点。 　　还有一种常发生于停运电缆的故障类型，具体表现为施加直流试验电压至一定数值时，泄漏电流数值陡然上升，电流表显示频繁波动，当电压稍稍降低，电流示数即恢复正常，波动停止。出现这类故障的电缆，通常测试其绝缘阻值的结果较理想，但结合直流耐压试验的结果，便可以分析出，发生该现象的原因，比较大的可能是由于电缆的故障点尚未形成串联通道，只是放电的间隙或者闪络的表面有故障，所以此类故障一般称为高阻闪络性故障。这类故障也是一种电缆质量的重要隐患，通过直流耐压试验，可以进行直观的判断，再经由故障测距、采取处理措施等步骤，最终解决问题。 

　　上面提到的机械性损坏，化学腐蚀危害，例如外力和酸碱性物质侵蚀导致的电缆防护层破损，也是一种不可忽视的隐患类型。首先，虽然电力电缆受强外力破坏的几率相对于电气类损伤的几率要小，但这种情况在复杂的施工现场也的确屡有发生，尤其是聚乙烯电缆，机械强度低，如果遭受大型车辆碾压，或者长期承受大幅度的震动，都可能使电缆导电芯线以外的保护层甚至绝缘层受到一定程度的破坏。以图1所示的YJV22―8.7/10型三芯电缆来举例，如果电缆的外护层遭到机械碾压，其钢带铠装层断裂，内衬层破损，铜带屏蔽层因受挤压而割伤线芯的绝缘外皮，即便线芯导体没有外露，不与外界发生直接接触，也极有可能导致电缆在高压环境下的严重泄漏甚至彻底击穿。电缆穿越公路、铁路和大型建筑物敷设，可能会随着地面沉降的逐渐加剧而垂直受力，直至铠装层变形，严重的情况下可能被折断。在可预见损伤程度的机械力以外，也有一些人为的偶然因素可能导致破坏事件的发生。例如，施工人员在电力电缆终端头处进行半导体和铜屏蔽层的剥离作业时，由于用力过大，进刀过深，致使主绝缘被划伤，这样一来，在直流耐压试验的高压条件下，由于缺损处的电场集中，电缆就可能被击穿。所以，无论是现场的施工操作还是试验前的准备工作，从待测电缆上切除包裹导电芯线的绝缘部分、保护部分和其他覆盖物时，都应该谨慎进行，既要防止绝缘受损，也要避免线芯本身的毁伤，减少因人为失误而可能导致的事故隐患。再有，电力电缆的敷设路径，应该选择酸碱度接近中性的土壤层，土壤的PH值分布于6～8的区间是比较合适的。当电缆的埋设经过重酸碱环境的区域，或者与煤气站的苯蒸汽发生直接接触时，都有可能使电缆的铠装层及其他部分遭到大面积腐蚀。这些故障发生以后，往往不能由人工直观地判断故障的准确类型，隐患的严重程度以及损伤的具体位置，用直流耐压试验的办法，对电缆施加高等级的直流电压，经过规定时间的电负荷耐受，通过对泄漏电流的观察和记录，可以发现这些潜在的危险，并借助脉冲电流法、声磁同步法等具体方案来定位故障点，防止可能带来的严重后果。 

　　此外，电缆的质量问题，也可以在直流耐压试验中被发现。电缆的质量问题常常发生于电缆通电运行后较短的一个时期内，最常见的表现形式是电缆主绝缘层介电强度下降，这个时候，如果进行直流耐压试验，电缆的泄漏电流将随电压的升高而变得很大，而且增长曲线不呈线性，增长幅度大。 

　　4、直流耐压试验操作需要关注的几个问题 

　　以上分析了直流耐压试验在几种常见电力电缆故障判定中的作用。下面就直流耐压试验的装置和方法本身需要注意的几个重要问题做些简单讨论（如图2所示）。 

　　电缆进行直流耐压试验时，导线通常应采用负极性的连接方式，其原理在于，水分子携带有正电荷，在绝缘受潮的情况下，施加直流电压将使得水分子向负极性的导体移动，形成导电通道，泄漏电流增大，利于暴露电缆绝缘层的受潮部位。反之，若电缆芯线接正极，则绝缘层中的水分将移向屏蔽层金属皮，绝缘缺陷便不易被发现。 

　　直流耐压试验的目的是检查电缆本身的绝缘强度，所以泄漏电流的测定需要兼顾安全和准确两个方面。就安全性来说，微安表接在低压侧较好，试验过程中便于调整微安表的位置或视角，尽可能避免高压环境中的作业危险，但在这种接法下，电流通道中的杂散电流与主回路电流一同流经微安表，对测量精度带来一定影响。故权衡测量需要，可将微安表装设于测试系统的高压端，同时做好表体对地的绝缘和屏蔽，并在接触性操作中配备绝缘棒。 

　　不同的直流高压发生器，硅整流堆D（如图2所示）所能承受的反向工作电压不同，图中这种整流电路，考虑交流电压的峰值，电源的浪涌电压，负载的自感电压，电源和滤波电容的电压叠加等等因素，从设备使用的角度来讲，其反向工作电压最好限制在硅整流堆反向峰值电压的一半以内，方能保证整流元件的持续安全工作。 

　　如果整流堆串联运行，就应该对元件采取均压措施，以防止某一元件承受的分电压过大，超过单元件的设计额定承载能力而损坏。若无可行的均压手段，就应把整流堆的使用电压作适当降低。 

　　使用交流电压进行电压试验时，在电压交变的一个周期内，电压将两次达到峰值，在这两个峰值点，无论电压的极性正负，被测对象都将承受最大电压。而采用直流电压测试时，直流试验电压需要达到交流试验电压有效值的倍，才可以与交流电压峰值等值，例如，1500V交流电压，对应于能够产生同等电应力的直流电压就应该是2121V。同时，由于直流耐压试验电压较高，对于发现绝缘的某些局部缺陷具有特殊作用，而且，与交流耐压试验相比，直流耐压试验的设备更为轻便，对被测物的绝缘损伤相对更小，也较易于发现测试对象的局部缺陷。 

　　同时应该注意到，任何试验数据都会因环境、仪器仪表精度和其他因素的影响而产生误差，直流高压试验当然不会例外。电力电缆的实际泄漏电流值可能与微安表最终示值存在一定差距，这是因为，直流高压发生装置在空载升压达到规定试压电压的时候，也会产生微小的泄漏电流。实际记录时应充分考虑空载泄漏电流的大小，对实测数据进行微小的调整，以减小误差，向真值靠近。 

　　同样，直流高压试验也存在理论上和实践中的局限。例如对于交联电缆，持续的直流电场能在电缆的绝缘层里形成沿线路分布的空间电荷区域，经直流耐压试验的电缆在投运后，残存的空间电荷会与工作电压的电场叠加，有可能对正常的绝缘层造成破坏。这就需要技术人员在具体的检测工作中，综合考虑试验对象的物理特性和试验方案的适用范围，以及施工场所、周围环境等客观因素，最终确定经济合理的检测手段，达到最佳检测效果。 

　　结语：直流耐压试验是电气设备检测的一项常规试验，在电力电缆的检测和故障查找方面有突出贡献。针对这个论题，本文从试验的基本原理、操作要点，以及试验工作在电力电缆故障的发现、确认和查找、定位中的现实作用等方面作了浅显和简略的讨论。通过这些讨论，进一步归纳电力电缆的故障类型、常见故障的成因和故障检查的基本方法，了解直流耐压试验的应用场合和检测工作的注意事项，从而利于检测工作的有序、有效开展。 

　　参考文献 

　　[1]韩伯锋.电力电缆试验及检测技术[M].第1版.中国电力出版社，2007. 

　　[2]沈黎明.电力电缆施工运行与维护[M].第1版.中国电力出版社，2013.