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目錄

一、交聯聚乙烯電纜的介質損耗介紹

二、如何確定電纜介質損耗的大小？

三、為什么在超低頻0.1Hz電壓下測試電纜介損？

四、超低頻介損測試的原理

五、有哪些超低頻介損測試的設備？

六、0.1Hz超低頻介損測試的方法及步驟

七、超低頻介損測試結果如何評價？

八、超低頻介損測試中的注意事項

九、待解決的問題

十、參考文獻

一、交聯聚乙烯電纜的介質損耗介紹

現象：電介質在外電場作用下，由于介質電導和介質極化的滯后效應，其內部會有發熱現象，這說明有部分電能已轉化為熱能耗散掉，電纜絕緣介質（XLPE）也不例外。

定義：電介質在電場作用下，在單位時間內因發熱而消耗的能量稱為電介質的損耗功率，即介質損耗（diclectric loss），簡稱為介損。

作用：介質損耗的大小是衡量絕緣介質電性能的一個重要指標。介質損耗不但消耗了電能，而且使絕緣發熱引發熱老化。如果介電損耗較大，甚至會引起介質的過熱而絕緣破壞，所以從這種意義上講，介質損耗越小越好。

形成機理：按照電介質的物理性質通常有三種電介質損耗形式。

（1）漏導損耗：實際使用中的絕緣材料都不是完善的理想的電介質，在外電場的作用下，總有一些帶電粒子會發生移動而引起微弱的電流，這種微小電流稱為漏導電流，漏導電流流經介質時使介質發熱而損耗了電能。這種因電導而引起的介質損耗稱為“漏導損耗”。

對于XLPE電纜，在直流及交流電壓下都存在漏導損耗，通常直流電壓用泄漏電流的大小或絕緣電阻的大小來反映介質的這一損耗情況。

（2）極化損耗：在介質發生緩慢極化時（松弛極化、空間電荷極化等），帶電粒子在電場力的影響下因克服熱運動而引起的能量損耗。

對于XLPE電纜，只有在交流電壓下才存在極化損耗，而且隨著交流頻率的增大，極化損耗通常也增大。

（3）局部放電損耗：通常在固態電介質中由于存在氣隙或油隙，當外施電壓達到一定數值時，氣隙或油隙先放電而產生損耗，這一損耗在交流電壓下要比直流電壓時大的多。

對于XLPE電纜，在直流電壓下，可用泄漏電流的大小來反映電介質的損耗，而在交流電壓下，介質損耗不能單用泄漏電流來表示，通常用介質損耗正切來表示，即在一定的交流電壓下，電纜絕緣所表現出的等效電阻Rg的大小值。

由于交聯聚乙烯電力電纜不推廣直流耐壓試驗，交流耐壓試驗僅能反映電纜的電介質擊穿特性，不能反映電纜的損耗特性，因此有必要對電力電纜進行介損測量。

二、如何確定電纜介質損耗的大小？

1.交聯聚乙烯電力電纜等效電路

在交流電壓下，電力電纜的等效電路，如圖1。

（a）理論等效電路 （b）實際等效電路

圖1 電力電纜的等效電路

其中，

L為電纜的等效電感，約為0.1-0.7mH/km，等效值比較小，實際分析時可視為短路；

Rx為電力電纜芯線導體直流電阻，Rx一般較小，對電壓降的影響極小，可忽略不計。

Rg為電纜絕緣等效電阻，正常情況阻值一般很大；

Cg為電纜單相對金屬屏蔽層的等效電容。

實際計算中，可采用圖（b）等效電路。

2.電力電纜等效電路中的電流電壓相量關系

圖2 電力電纜的等效電路中電流和電壓的關系

圖3 電流波形相位差圖

電流電壓相量關系如圖2，假如電纜為純電容電路，則Ir=Ic，在相位上，電流超前電壓90°；而實際上因為電路里的阻性電路Rg對電流產生了影響，電流超前電壓度數為90°-δ。

3.介質損耗角δ

在交變電場作用下，電介質內流過的電流相量和電壓相量之間的夾角(功率因數角Φ)的余角(δ)，簡稱介損角。

4.介質損耗正切值tgδ：

又稱介質損耗因數，是指介質損耗角正切值，簡稱介損角正切。介質損耗因數的定義如下:

總電流可以分解為電容電流Ic和電阻電流IR合成，因此：

這正是損失角δ=(90°-Φ)的正切值。因此現在的數字化儀器從本質上講，是通過測量δ或者Φ得到介損因數。

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

介質損耗因素（tand）是用來描述介質材料絕緣性能的重要參數之一。它直接反映了絕緣介質損耗的大小，tand值越小越好。

5.tand與絕緣電阻、電容及頻率的關系

從上述公式看：

（1）tand跟絕緣電阻Rg成反比，絕緣電阻越低，介損值越大。因此，做介損測量時，應在絕緣良好的電纜上進行；如果有接頭進水或受潮引起的電纜整體絕緣下降，勢必會影響介損tanδ的值。(應提前用搖表測量電纜絕緣良好）

（2）跟電容Cg成反比，如果電容值Cg非常小，則介損值tanδ也會非常大，因此由于設備的限制，電纜的電容值至少要＞2nF。（至少60米，否則波形失真)

（3）跟頻率f成反比。

三、為什么在超低頻0.1Hz電壓下測試電纜介損？

交聯聚乙烯絕緣內的水樹枝老化是影響交聯聚乙烯絕緣電纜線路使用壽命的重要因素，因為水樹枝是導電的，所以絕緣內的水樹枝不發生局部放電，在交流電壓下進行局放測量不能發現絕緣中的水樹枝。但是電纜絕緣中導電的水樹區域有電損耗存在，會引起介質損耗的增加。而介質損耗增加和電纜絕緣擊穿電壓下降之間是有聯系的。

0.1Hz正弦波電壓對交聯聚乙烯絕緣水樹枝具有比較適中的局放起始值和較快的局放通道（電樹枝）增長速度，能在比較低的電壓水平下將絕緣內已經存在的不均勻導電性缺陷比較快的轉變為貫穿性絕緣擊穿，檢測出絕緣隱形缺陷。而且0.1Hz正弦波電壓下可以對電纜絕緣線路的絕緣進行介質損失因數測量，在一定程度上獲得交聯聚乙烯電纜線路老化程度的信息，確保電纜線路的可靠運行。

因此用0.1Hz超低頻交流電壓測量電纜絕緣的tand已經被證實是判斷電纜絕緣老化程度行之有效的方法。

四、超低頻介損測試的原理

介質損耗因素（tand）是用來描述介質材料絕緣性能的重要參數之一，tand越大的絕緣材料其漏電損耗越大。tand與測試電源電壓角頻率w、電容C、并聯等效電路的絕緣電阻R有如下關系：

tanδ=1/(ωRC)

由于R和C基本不隨頻率變化，因此，當頻率變小時，tand會變大，即在低頻下應有較大的介質損耗因素。

超低頻介損測試，即超低頻電壓（0.1Hz）下測試10kV電纜的介質損耗角正切值，用于診斷交聯電纜整體絕緣老化、受潮以及發生水樹枝劣化，是評估電纜絕緣狀態的有效手段。

五、有哪些超低頻介損測試的設備？

目前，超低頻介損測試設備主要有湖北中試高測廠家設備，其設備樣式參見

六、0.1Hz超低頻介損測試的方法及步驟

1.測試方法

在0.1Hz超低頻正弦電壓下進行超低頻介損測試，對被測電纜施加0.5Uo，1.0Uo，1.5Uo三個電壓步驟，每相電纜單獨進行測試。通過采集流經電纜的泄漏電流信號，比較電流與電壓之間的相位差得到介損值。在每個測試電壓下，分別測量8個介質損耗（TD）數值，測量結果給出TD平均值、TD差值和TD標準偏差，以及介損值隨測試電壓變化曲線。

根據國際電力電子工程師協會IEEE400-2013《有屏蔽層電力電纜系統絕緣層現場型試驗與評估導則》國際標準，判斷測試電纜是否為正常狀態、注意狀態、異常狀態。

2.測試步驟：

（1）將電纜與兩側設備斷開；

（2）電纜測距：測距儀對電纜線路的長度、接頭位置與數量進行測試；

（3）絕緣電阻測量：超低頻介損測試前，采用5000V絕緣搖表測量電纜的絕緣電阻；

（4）試驗接線：檢查電纜終端清潔并處于良好狀態，將高壓連接電纜一側與被測電纜終端連接，另一側與測試主機連接，將其他相電纜終端與檢測裝置接地；

（5）參數設置：測試前在測試主機上設置電纜名稱、長度、電纜絕緣類型、敷設方式等信息，選擇交聯電纜測試程序；

（6）介損測試：對被測電纜進行加壓，自動測試0.5Uo，1.0Uo，1.5Uo三個電壓下相關介損數據，得到介損值以及測試曲線；

（7）數據保存：將測試結果與測試報告，通過USB接口保存至PC機。

七、超低頻介損測試結果如何評價？

1. IEEE-400-2013評價標準

依據IEEE-400-2013《有屏蔽層電力電纜系統絕緣層現場型試驗與評估導則》，基于“介損隨時間穩定性”、“介損變化率”、“介損平均值”三個指標作為電纜絕緣老化的判據，如表5-3所示，得出正常狀態、注意狀態、異常狀態三種狀態，并相應制定“無需采取行動”、“建議進一步測試”、“立即采取檢修行動”三個等級的檢修策略。

（1）正常狀態：不需要采取措施；

（2）注意狀態：建議一定時期后進行復測；

（3）異常狀態：建議對電纜或電纜接頭進行檢修處理。

表1 IEEE-400-2013 超低頻介損診斷標準

隨時間穩定性	關系	介損變化率	關系	介損平均值	電纜狀態
＜0.1	與	＜5	與	＜4	正常狀態
0.1至0.5	或	5至80	或	4至50	注意狀態
＞0.5	或	＞80	或	＞50	異常狀態

國網標準-配電電纜線路試驗規程（報批稿）介損檢測采用上述標準。

八、超低頻介損測試實踐中的注意事項

注意事項：

（1）宜結合停電開展；

（2）宜重點對超過一定年限，且通道環境較差的電纜進行測試，宜對電纜絕緣情況進行長期監測并生成一個歷史記錄（現有設備廠家均未提供歷史數據集成軟件），通過測試數據分析，評定電纜絕緣狀態，以確定如何進行下一步計劃和安排。

（3）優先考慮重要用戶電纜；

（4）因試驗時需要拆卸插拔頭等終端設備，宜備好所測設備的插拔頭等終端備品。

（5）測試電纜段的長度不宜過短（不小于60米），最大長度不應超過0.1Hz下測試設備的最大負載容量對應的電纜長度值；

（6）診斷試驗中介質損耗檢測試驗時，升壓過程中若介質損耗指標已達異常標準可不繼續提升激勵電壓，直接開展缺陷定位或消缺。

（7）當診斷為異常狀態時，宜結合振蕩波局放設備進行定點。

九、待解決的問題

1. 超低頻正弦波與余弦方波的區別？為何介損測試設備均采用正弦波？

2.如何建立超低頻介損測試數據庫，以用于積累歷史數據？