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随着城市建设有飞速发展，高压电力电缆在电力系统中的应用越来越广泛，与传统架空线路相比，电缆具有无可比拟的优点，最主是的体现是它几乎不占用线路走廊、不影响城市景观、不妨碍人类活动，因为它们大多敷设在地下、隧道、桥架内、水底等看不见、碰不到的地方。但也正因为这样，电缆一但出现缺陷、故障，查找和处理起来也相当麻烦，严重影响供电可靠性。电缆安装后的交接试验是判断电缆安装制作质量的重要保障，必须严格把关，同时运行中的例行和诊断试验也是判断电缆健康状况，确保持续可靠运行的重要手段。为此，笔者就来谈一谈电缆试验的那些事。 一、电缆基本知识 （一） 电缆基本结构 了解电缆的基本结构、原理是进行试验的前提，是确保试验方法和数据判断准确的必备条件。不同电压等级、不同材质、不同用处的电缆种类繁多，不可能全部讲到，一般电缆厂家都会随电缆附上说明书，认真阅读说明书是开展后绪工作的前提。 图1：某型号单芯电缆 电缆结构随电压等级、用途等的不同有所区别，非专业人士很难全部弄清楚，对于试验人员来说也没有必要，但我们要弄清楚以下基本问题： 首先，电缆内部大体分为导体、半导体、绝缘体三种材质的东西。 1.第一类材质：导体 又可分为三类，第一是载流部分，这个不用说，位于电缆最内层，国标中定义为“电缆中具有传导电流特定功能的一个部件”。 第二个可导电的是：“接地屏蔽”，或者叫“金属屏蔽”，国标中定义为“将电场限制在电缆内部和（或）保护电缆免受外界电气干扰的外包接地金属层”，需要注意的是“金属套、金属箔、编织层、铠装层及接地同心导体也可作为接地金属屏蔽”。从标准可以看出：首先，这个金属屏蔽在运行中是接地的，其次金属屏蔽并非所有电缆都有，更高电压等级的电缆中就没有，而用“皱纹铝护套”代替铜屏蔽。 那么，这个“金属屏蔽”起什么作用呢，主要有三个方面的作用：一是使电场方向与绝缘半径方向相同。这个很好理解，就像平板电极。二是承担不平衡电流。作为中心线，正常情况下流过电容电流，当电缆发生故障时，铜带作为短路故障电流回路。三是防止轴向表面放电。电缆在良好接地环境中，由于半导电屏蔽层有一定电阻，在电缆轴向可能引起电位分布不均匀而造成电缆沿面放电，而金属屏蔽层能起到进一步均压的作用，可以消除沿面放电。 第三个可导电的是“铠装层”，它“由金属带或金属丝组成的包覆层，通常用来保护电缆不受外界的机械力作用”。这一层也不是一定会有的，它的作用就是防止外力挤压、弯折等，在不存在外力破坏的地方，比如桥架内，可以不用铠装电缆。 2.第二类材质：半导电层 包括两个部分：导体屏蔽和绝缘屏蔽，前者位于主绝缘内部，紧靠导体和绝缘表面，也称为“内屏蔽”，后者位于主绝缘外部，同样也是紧靠绝缘表面，也称为“外屏蔽”。 内外半导电层是由PE、EPM或EVA等极性聚合物和特选的高导炭黑混成的。其作用是：均匀电场防止局部放电。 3.第三类材质：“绝缘体” 首先是主绝缘，最常见的就是交联聚乙烯（XLPE），这也是交联聚乙烯电缆名称的由来，在型号名称中表示为“YJ”，其中“Y”为聚乙烯（PE），“J”表示“交联”。另外就是除了主绝缘外的其它一些“绝缘”材料，它们主要起填充、紧固、支撑、阻水、隔离等作用，包括常提到的“内衬层”、“外护套”，虽然把它们列入“绝缘材料”但其实不一定是绝缘的，比如外护套为了保证接地良好会在表面覆上一层导电的石墨材料。 综合所述，我们大体可以把电缆从内到外分成以下几大层： 第一层：主导体，载流的，一般是铜或铝。 第二层：主绝缘，绝缘主要靠它。起于主导体，止于金属屏蔽（或金属护套）。 第三层：内衬层，起填充、紧固、支撑、阻水、隔离等作用。起于接地屏蔽，止于铠装层。要注意这一层不同电缆可能不同。 第四层：外护套，主要起防护作用，比如防止进水受潮、保护铠装层不被腐蚀等。 搞清楚了电缆的基本结构，再来看试验标准有些问题就不难理解了，其实高压试验最重要就是一是要找到接高压的地方，二是要找到接地的地方。这也是为什么前面要把电缆分成导电材质和绝缘材质的原因。 （二） 常用电缆参数 首先来看与电缆有关的电压符号： U0——电缆设计用的每一导体与屏蔽或护套之间的额定工频电压有效值。 这里面的“屏蔽”就是前面说的“金属屏蔽”。 U——电缆设计用的任何两个导体之间的额定工频电压有效值。可以理解为系统标称电压。 Um——电缆设计用的任何两个导体之间的最高工频电压有效值。 常见的U0/U(Um)值见下表： 表1：常用电缆的U0/U(Um)值（同样适用于电缆附件）
二、电缆交接试验 GB50150-2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》第17部分“电力电缆线路”规定的交接试验项目共计8项，包括： 1.主绝缘及外护套绝缘电阻测量； 2.主绝缘直流耐压试验及泄漏电流测量； 3.主绝缘交流耐压试验； 4.外护套直流耐压试验； 5.检查电缆线路两端的相位； 6.充油电缆的绝缘油试验； 7.交叉互联系统试验； 8.电力电缆线路局部放电测量。 其中：橡塑绝缘电力电缆可按第1、3、5和8款进行试验，其中交流单芯电缆应增加第4、7款试验项目。为了表示得更清楚，把试验项目列于下表： 表1：橡塑绝缘电力电缆试验项目
其中，标准中第6项“充油电缆的绝缘油试验”仅对自容式充油电缆适用，这种类型的电缆已基本淘汰。 这里说一下“橡塑电缆”即指橡胶电缆和塑料电缆，前者主要指“乙丙橡皮绝缘电力电缆”（很少见），后者指“氯乙烯绝缘”、“交联聚乙烯绝缘”（常用）电缆。 （一）绝缘电阻测量 我们首先来说电缆的绝缘电阻测量。标准见GB/T3048.5-2007《电线电缆电性能试验方法第5部分：绝缘电阻试验》，说得很详细，大家可以自行查阅。需要说明的是，这个标准和GB50150有所不同的是，GB50150最新版本在第17.0.2的第4款中指出“对具有统包绝缘的三芯电缆，应分别对每一相进行，其他两相导体、金属屏蔽或金属套和铠装层应一起接地；对分相屏蔽的三芯电缆和单芯电缆，可一相或多相同时进行，非被试相导体、金属屏蔽或金属套和铠装层应一起接地。” 这里说的“统包绝缘的三芯电缆”是指三相导体被主绝缘包裹在一起的三芯电缆，而分相屏蔽的三芯电缆是指每一相均有金属屏蔽的电缆（如图1），常用的三芯电缆是分相屏蔽的。对于这种电缆，GB50150指出可以三相并在一起同时测量绝缘电阻和耐压，这是为了提高试验效率，这样做的问题是一旦试验结果不合格，就需要每相单独再进行试验以确定是哪相出了问题，而且对试验电源的容量要求也更高。现场试验时可根据实际进行选择。 图1：分相屏蔽的三芯电缆 GB/T3048.5-2007《电线电缆电性能试验方法第5部分：绝缘电阻试验》内容很详细也很具体，我想大家不一定会去看，现将标准中笔者认为比较重要的条款摘录于下。 第6.6条，“测试充电时间：为使绝缘电阻测量值基本稳定，测试充电时间应足够充分，不少于1min，不超过5min。” 第8.3条“重复试验时，在加电压之前应使试样短路放电，放电时间应不少于试样充电时间的4倍；如因试样有剩余电荷而造成测量结果有明显差别时，必须先进行充分放电。对于这类试样，无论是第一次测试或重复测试，均需充分放电。” 另外，GB50150中还提到“橡塑电缆外护套、内衬层的绝缘电阻不应低于0.5MΩ/km”。这里外护套和内衬层在前一篇已介绍过，测量外护套绝缘电阻时，兆欧表高压端接在金属套（见图2皱纹铝护套）或铠装层（见图3不锈钢带），接地端接在外护套表面（通常是接地的），测量内衬层绝缘电阻时，兆欧表高压端接在金属屏蔽上（如有），另一端接在金属套或铠装层上。同理，测量主绝缘电阻时兆欧表高压端接线芯（导体），另一端接金属屏蔽或金属套和铠装层，并一起接地。 表2：绝缘电阻测量使用的仪器
（二）交流耐压试验 首先要说的是，标准中给出了三种耐压试验方法，交流耐压、直流耐压、0.1HZ耐压。并做如下要求：“额定电压U0/U为18/30kV及以下电缆，当不具备条件（交流耐压）时允许用有效值为3U0的0.1HZ电压施加15min或直流耐压试验及泄漏电流测量代替交流耐压试验”。我们把上一篇的表格再放在这里。 表3：常用电缆的U0/U(Um)值（同样适用于电缆附件）
这里，我们先说交流耐压试验。GB/T3048这个标准系列并不包含电缆的交流耐压试验，在这里面我们可以参考另一个标准DL/T474.4-2006《现场绝缘试验实施导则交流耐压试验》，在标准第5.1条交流试验电压的产生方式指出“工频高电压通常采用高压试验变压器来产生；对电容量较大的被试品，可以采用串联谐振回路产生高电压”，后半句是什么意思呢，我们先来看一组公式（标准中第6.1）： 公式1：U=I*R 公式2：P=UI=U2/R 公式3：R=1/?C 公式4：P=?CU2 公式1、2为电压和功率公式，公式3为电容的阻抗公式，这里要说一下的是，与绝缘材料对应的是电容参数，我们可以把电缆线芯导体看作是电容的一极，把大地（金属屏蔽、金属套、铠装）看成是另一极，电缆越长，电容就越大。公式4中?为电源角频率，数值上等于2πf，对于工频电源为314。C为电缆导体对地电容，U为试验电压。 从公式可以看出，当试验电压及电源频率一定，需要的试验电源功率与被试品电容成正比，也就是说电缆越长，需要的电源容量越大，而电源容量越大往往意味着试验设备体积、重量越大。 DL/T474.4-2006中给出了常见被试品电容量参考值，其中电力电缆为每米50～400pF。我们以某8.7/15kV型号为YJV22-3×240的三芯电缆为例，该电缆厂家给出的每公里电容量为0.373μF，工频（50HZ）交流耐压试验电压为U=2U0=2×8.7kV=17.4kV，代入标准给出的公式： 公式5：P=?CU2×10-3=35.46kVA 即对该型号电缆进行工频交流耐压时，每公里需要的电源容量为35.46kVA，而我们常见的试验变压器容量为5kVA、10kVA，当试验变压器容量达到20kVA时，就已经非常重了。 再来看GB50150提到的“3U0的0.1HZ电压”耐压是怎么一回事，从上面的公式可以看出，在被试品电容量、试验电压一定的情况下，减小试验频率可以相应减小试验设备容量。对上面的电缆进行“3U0的0.1HZ电压”耐压，可以计算出每公里电缆所需的试验设备理论容量为0.62kVA，可以看到，所需的试验设备容量大大降低，相应的试验设备也可以做得更轻便。 再来看直流耐压试验是怎么一回事。直流耐压试验时我们可以把电源频率看成是0HZ，即直流每秒钟振动0次，即公式5中?=0，那么理论上直流耐压试验中可带的电容量为无穷大，被试电缆可以无穷长。 但是，GB50150指出：“橡塑绝缘电力电缆采用直流耐压存在明显缺点：直流电压下的电场分布与交流电压下的电场分布不同，不能反映实际运行状况……这一点也得到了运行经验的证明，一些电缆在交接试验中直流耐压试验顺利通过，但投运后不久就发生绝缘击穿事故”。 再来看谐振耐压。DL/T474.4-2006《现场绝缘试验实施导则交流耐压试验》第5.3串联谐振电路中对谐振耐压的原理、推算公式讲得很清楚了，大家可以自行查阅（一看就明白），这里简单说一个问题，就是为什么普通试验变压器受容量限制不能对很长的电缆耐压，而串联谐振装置却可以呢，标准中给出了一个公式： 公式6：Qs=?L/R 公式6中，?为角频率，在串谐电路中为可变参数，GB50150标准要求值为20HZ～300HZ；L为串联电感，R为回路电阻。Qs为品质因素，关键就在这儿，它定义为输出电压与励磁电压之比，可以理解为“串谐回路对励磁变压器（普通变压器）的放大倍数”。在公式6中，R是很小的，那么Qs可以很大，比如50，那么经串谐放大后，理论上所能耐的电缆长度就是普通工频耐压试验变压器的50倍！但同样的问题是公式右边L的大小决定品质因素的大小，也决定了串联电抗器的重量，实际上串谐装置的串联电抗器是非常重的，为了减轻重量，往往做成多个串联使用，但依然非常重。 综上所述： 1.工频试验变压器使用简单轻便，但可以带的电缆长度不可能太长，一般用于35kV及以下短电缆耐压（具体可用理论公式计算确定）； 2.串联谐振装置应用范围广，电缆长度可以很长，电压也能升得很高，但重量太大，现场搬运不方便，一般用于长电缆或高电压等级（35kV以上）电缆耐压； 3.交流0.1HZ耐压是交流耐压（20HZ～300HZ）与直流耐压的折衷选择； 4.直流耐压与电缆实际运行工况不符，缺陷判断不灵敏，只能做为最后的选择。 |
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