18. 9 甚低频测试
18. 9. 1 概 述
甚低频测试可被归类为耐压测试或诊断性测试。 耐压测试中绝缘缺陷会导致击穿。 故障维修后对绝缘进行复测直至其通过耐压测试。 现已考虑将耐压测试列为破坏性测试[9] 。
在电缆绝缘严重老化的极端情况下， 诊断测试可能会加重电缆老化情况甚至在测试完成前就发生击穿。
甚低频耐压测试有以下几种：
● 余弦波 VLF 测试。
● 正弦波 VLF 测试。
● 以可控速率翻转的方波 VLF 测试。甚低频诊断测试有以下两种：
● 介质损耗因数 tanδ 的 VLF 测试。
● 局部放电 VLF 测试。
现场测试中常采用诊断测试和耐压测试组合的方式。 通过对比两种测试的操作
简易程度和性价比决定选用哪种。 国际标准中对可选的各种商业用途的甚低频测试都有介绍。
18. 9. 2 甚低频耐压测试
美国电力科学研究院 （ EPRI） 和加拿大电气协会 （ CEA） 建立了一项研究，目的是确定对于在役有老化情况的电力电缆而言， 0. 1Hz 的甚低频测试的优缺点，以及是否能够代替直流维护性测试[9] 。 直流测试能够确定电缆的完整性并区分出薄弱环节电缆。
对挤包绝缘电缆的故障定位和预防性测试已经得到了一定程度的重视， 这种重视源于人们对暂态电压和直流测试会缩短 XLPE 和 TR- XLPE 绝缘电缆的寿命。 虽然对 EPR 绝缘电缆的影响还是未知的， 但也已经列入考虑范围。
这项研究的实验室阶段要评估各种绝缘类型以及老化情况电缆。 在实验室评估中， 对 15kV 的模型 XLPE 绝缘电缆以及运行过的 XLPE 绝缘电缆施加不同的电压。对全尺寸的 EPR 绝缘电缆、 PILC 和过渡接头上进行了类似的试验。 试验的结果证明： 低频交流试验能够在较低的电压下 （ 与直流试验相比） 发现XLPE 绝缘和过渡接头上的缺陷， 同时还避免了直流电压试验对电缆的不利影响。
一旦所用试验电压值和试验时间确定下来， 现场测试在四个电力系统中进行。结论是 0. 1Hz 测试的效果可以充分替代直流测试。 0. 1Hz 的波形因子与系统波形因子相同， 在交流击穿电压幅值减小过程中未发现损坏。 一旦测试过程中回路发生击穿， 较低的测试电压能减少系统必须承受的暂态电压数值。
15kV 电缆系统的 0. 1Hz 测试程序是加载 22kV 电压， 持续 15min。 其他电压等级建议值是 5 ～ 35kV。 美国东部的一个大型电站已经在混合电缆系统中采用这种测试方法很多年， 并且得到令人满意的效果。 目前仍缺乏对在役挤包绝缘电缆的长期影响的结论。
18. 9. 3 余弦波甚低频测试
18. 9. 3. 1 方 法
甚低频电缆测试设备发出 0. 1Hz 双极性脉冲波， 而后转换为正弦波。 工频正弦波会造成绝缘缺陷处局部放电， 0. 1Hz 脉冲波会产生击穿通道。 缺陷处会在数分钟内检测到， 并发展为失效点。 之后就可以较容易地通过常规的电缆故障定位设备进行定位。 电缆系统此项试验在预防性试验过程中和故障后进行。 检测出的故障可以迅速得到修复， 并且测试过程不会造成其他损伤。 若电缆系统通过甚低频测试，则可以恢复运行。
18. 9. 3. 2 测试设备
用直流试验装置作为高压源。 用直流- 交流变换器将直流电压转换为甚低频交流测试信号。 变换器由一个高压扼流圈和旋转整流器组成， 旋转整流器每 5s 对缆系统进行一次极性反转。 这会产生 0. 1Hz 的双极性波形。 由高压扼流圈和与电缆电容并联的电容器构成的谐振电路确保在工频范围内正弦极性变换。 通过使用谐振
电路， 在电缆系统加电之前改变电缆电压极性。 在一个周波中只有负半周中电缆系统的泄漏损失需要填补。
0. 1Hz 测试装置可能可以通过可靠的直流高电位装置与通用电缆故障定位和电缆测试系统有机结合。 独立的甚低频测试系统要通过增加故障定位系统进行完善。
被测电缆应与甚低频测试系统相连， 通过 5 ～ 6 次的加压， 最终将电压升至 3Vo （ Vo 是相对地电压）。 推荐测试时间为 15 ～ 60min。 电缆系统通过甚低频电压测试之后， 将电压逐渐降至零， 测试系统放电并接地。 若电缆未通过测试， 则将测试装置关闭， 给系统放电。 而后采用通用电缆故障定位设备确定故障位置。
18. 9. 3. 3 优 点
● 甚低频测试采用可变换极性的 0. 1Hz 脉冲波。 工频正弦变换可能导致弱点出现局部放电， 0. 1Hz 脉冲波可能导致击穿通道生成。
● 高压脉冲间的正弦变换避免了行波生成。
● 由于不断变换极性， 所以不会产生危险的空间电荷。 可采用三倍相对地电压水平的交流电压对电缆进行测试， 在尺寸、 重量和容量等方面可与直流电压测试相比较。
● 甚低频测试既可用于挤包绝缘电缆， 也可用于充油低绝缘电缆。
● 剔除一些电缆绝缘的单独缺陷之后进行余弦脉冲波甚低频测试的效果最好。用甚低频测试可以在不破坏电缆系统完整性的前提下确定电缆的故障。
● 如果电缆系统通过了推荐的 0. 1Hz 甚低频测试， 则可以重新投运。 18. 9. 3. 4 缺点
● 如果被测电缆绝缘受到了大范围的水树损伤或电离作用， 那么仅进行甚低频测试就不够可信。 需要对绝缘损耗进行其他测试。
● 因目前的条件所限， 最大测试电压只能达到 56kV。
18. 9. 4 正弦波甚低频测试
18. 9. 4. 1 方 法
甚低频测试装置产生小于 1Hz 正弦波。 如果电缆缺陷处的场强超过绝缘介电强度就会发生局部放电。 局部场强与所加电压、 缺陷形状和空间电荷成函数关系。局部放电信号产生后， 局部放电通道会发展成击穿通道， 可采用通用的可靠方法进行定位。 检定出的故障可以迅速得到修复。 若电缆通过甚低频测试， 则可重新投入运行。
18. 9. 4. 2 测试设备
将甚低频测试设备与被测电缆或电缆系统相连。 将测试电压调节至 3Vo 。 推荐的测试时间为 60min 或不少于甚低频测试规程中的规定值。 甚低频测试设备有足够的容量可以给已知的电缆系统充电和损耗。 电缆系统通过甚低频测试之后， 测试电压降为零， 测试设备和电缆系统放电并接地。 如果电缆系统未通过甚低频测试， 则
关闭测试设备， 电缆系统及测试系统放电并采用通用方法对电缆故障定位。
除通用 0. 1Hz 正弦波甚低频测试系统外， 还有一些不同方法的测试可满足对电缆系统测试的要求， 且已经历经多年应用：
1） 对于混合绝缘电缆， 采用频率低于 0. 1Hz 的甚低频测试， 高压发生器发出可编程测试电压波形进行测试：
① 正弦波测试电压。
② 固定扭转速率的双极性波形。
③ 控制直流测试电压为正极性和负极性的。
④ 对所有电压波形进行逐级测试。
2） 利用可进行损耗因数 （ tanδ） 测量的高压发生器进行 0. 1Hz 的甚低频测试。
3） 采用无局部放电设备的甚低频测试， 0. 1Hz 高压发生器进行局部放电测试。
4） 采用无局部放电设备的甚低频测试， 高压发生器发出固定扭转速率的双极性脉冲波进行局部放电测试。
18. 9. 4. 3 优 点
● 被测电缆上所加电压为三倍导体对地电压的交流电压。 发生局部放电后，电缆缺陷处会产生击穿通道。
● 由于不断变换极性， 电缆绝缘中不会产生危险的空间电荷。
● 测试设备均易于运输且用电量与通用电缆故障定位设备相匹配。
● 甚低频测试既可用于挤包绝缘电缆， 也可用于纸绝缘电缆。 将一些小故障从绝缘状况良好的电缆中剔除可以使正弦波甚低频测试结果达到最优。 甚低频测试可以在不破坏电缆系统完整性的情况下确定故障位置。 如果电缆通过了推荐的
0. 1Hz 甚低频测试， 则可以重新投入运行。
● 对严重老化的电缆绝缘进行可靠性测试的 0. 1Hz 损耗因数测试设备也可用于 0. 1Hz 耐压测试。
18. 9. 4. 4 缺 点
● 如果被测电缆中存在大量水树或其他劣化情况， 那么仅进行甚低频耐压测试就变得不够可信。 需要对绝缘损耗进行其他测试。
● 0. 1Hz 条件下， 测试电压有效值最大限制在 36kV， 容性负载最大约为
0. 3μF。 这就限制了可测电缆系统的大小。 就必须对电缆系统进行长期测试， 会增大测量的不便。
18. 9. 5 甚低频正弦波 tanδ 测试
18. 9. 5. 1 方 法
Bahder[18] 最先将损耗因数 （ tanδ） 测量用于挤包绝缘电缆老化过程监测。 Bach
介绍了 0. 1Hz 条件下损耗因数的增加和工频下绝缘击穿电压水平的降低之间的关
系。 0. 1Hz 条件下的损耗因数主要决定于电缆绝缘中水树引起的破坏， 而非导电面上的水分。 0. 1Hz 的正弦波条件下损耗因数的测量给出了聚乙烯、 XLPE、 EPR 等材料的老化过程对比。 测试结果可明显看出未老化绝缘、 老化绝缘、 严重老化绝缘的不同。 0. 1Hz 正弦波损耗因数测试可用于诊断性测试。 在预防性维护中对电缆进行此项测试， 测试后重新投运。 甚低频下的损耗因数测试可用于判断电缆是否需要更换或维修。
18. 9. 5. 2 测试设备
将被测电缆与具备损耗因数测试能力的 0. 1Hz 甚低频可编程高压发生器相连。测试 Vo 和 2Vo 下的 tanδ 值和两个电压水平下的结果变化 Δtanδ。 测得的值作为区分电缆绝缘水平处于良好、 缺陷还是严重老化的判据。
例如， 以频率 0. 1Hz 的电压 Vo 对交联聚乙烯绝缘测试， 若 tanδ > 2 × 10 - 3 ， 则电缆需要更换。 为避免击穿不可将测试电压升至大于 Vo 。 若上述条件的测试中 tanδ >> 1. 2 × 10 - 3 ， 则需对电缆进行 60min 的 3Vo 电压水平甚低频测试。 通过测试后电缆方可重新运行。
如果以Vo 和 2Vo 电压水平进行的 0. 1Hz 测试得到的结果显示 1. 2 × 10 - 3 < tanδ <
2 × 10 - 3 ， 且 Δtanδ < 0. 6， 那么电缆可以继续运行， 但每半年要进行一次测试。
如果以Vo 和 2Vo 电压水平进行的 0. 1Hz 测试得到的结果显示 1. 2 × 10 - 3 < tanδ < 2 × 10 - 3 ， 且 Δtanδ > 1. 0， 那么应对电缆进行更换。
值得一提的是， 对于不同绝缘、 不同安装情况的各种电缆而言， tanδ 的品质因数与前面给出的相比可能有很大不同。 对于特种电缆， 对比当时的测试结果和经验数据， 测试给出的值是最优的。
18. 9. 5. 3 优 点
● 本测试为非破坏性诊断试验。 测试电压为交流电， 等于导体对地电压。
● 电缆系统绝缘可被分为良好、 有缺陷及严重劣化三个等级。
● 对电缆绝缘情况进行长期监测并生成一个历史记录。 可对电缆系统下一步进行计划和安排， 如更换和注入修复工作。
● 测试设备便于运输， 用电需求也与通用电缆故障定位系统相同。 18. 9. 5. 4 缺点
● 对于 0. 1Hz 甚低频测试设备， 最大测试电压有效值为 36kV， 最大容性负载约为 3μF。
● 对类似的电缆系统历史数据计算分析后， 测试才会显出其价值。
对运行老化后的挤包绝缘电缆而言， 要依据经验决定何种测试方法才是合适的。
众所周知， 挤包绝缘电力电缆的直流测试有效性有限。 事实上直流测试可能导致测试后重新投运的电缆失效。 在这种情况下， 甚低频测试技术在运行老化后的挤包绝缘电力电缆测试中就成为了有效的技术手段。