高壓交聯(lián)電纜現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)初探
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高壓交聯(lián)電纜現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)初探　
慕世友 劉民 馮玉柱 姚金霞
　山東電力研究院
　[摘要]：本文分析了直流耐壓試驗(yàn)對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜存在的缺點(diǎn)和問題，通過比較，選擇了變頻諧振裝置在山東電網(wǎng)開展高壓交聯(lián)電纜的現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)，并介紹了交流耐壓實(shí)例?！?br />[關(guān)鍵詞]：XLPE電纜 直流耐壓試驗(yàn) 交流耐壓試驗(yàn)　
　1．前言
油紙絕緣用于中壓、高壓電纜已有50多年，由于這些電纜有很大的電容量，現(xiàn)場(chǎng)一直不做工頻交流試驗(yàn)。而且油紙絕緣電纜的絕緣電阻遠(yuǎn)低于橡塑電纜，DC電壓試驗(yàn)用來判斷紙絕緣電纜的好壞已有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)踐證明效果不錯(cuò)，可獲得其缺陷危害性的可靠信息。因此，直流耐壓試驗(yàn)作為油紙絕緣電纜的現(xiàn)場(chǎng)竣工驗(yàn)收試驗(yàn)和定期的預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)檢出絕緣缺陷和保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行發(fā)揮了很好的作用。
隨著電力技術(shù)的發(fā)展，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜的使用越來越廣泛。山東電網(wǎng)近年來隨著城網(wǎng)改造工程的實(shí)施，高壓交聯(lián)電纜特別是110kV XLPE電纜在各地市*開始大量使用。按照IEC840或CIGRE WG21.03建議規(guī)程，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的目的不是為了檢驗(yàn)電纜的制造質(zhì)量或電纜附件的制造質(zhì)量的好壞，其制造質(zhì)量已在型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)中證實(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)竣工驗(yàn)收試驗(yàn)的目的是檢查電纜的敷設(shè)及附件的安裝是否正確。電纜在運(yùn)輸、搬運(yùn)、存放、敷設(shè)和回填的過程中，有可能受到意外損害。檢查的方法是按照IEC229，對(duì)于外護(hù)套厚度大于等于2.5mm的電纜，在電纜屏蔽與地之間施加10kV的直流，耐壓1分鐘。對(duì)于電纜主絕緣的耐壓試驗(yàn)IEC推薦了兩種方法：
直流耐壓：3U0 15分鐘；交流耐壓： U0 5分鐘 或1 U0 24小時(shí)。
傳統(tǒng)的直流耐壓具有試驗(yàn)設(shè)備重量輕，可移動(dòng)性好，容量低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于油紙絕緣電纜應(yīng)用效果很好，但對(duì)于XLPE交流電纜，無論從理論上還是實(shí)踐上都證明了不宜采用直流耐壓的方法。
2．XLPE電纜直流耐壓試驗(yàn)存在的問題
高壓試驗(yàn)技術(shù)的一個(gè)通用原則：試品上所施加的試驗(yàn)電壓場(chǎng)強(qiáng)必須模擬高壓電器的運(yùn)行工況。高壓試驗(yàn)得出的通過或不通過的結(jié)論要代表高壓電器中的薄弱點(diǎn)是否對(duì)今后的運(yùn)行帶來危害。這就意味著試驗(yàn)中的故障機(jī)理應(yīng)與電器運(yùn)行中的機(jī)理有相同的物理過程。按照此原則，XLPE電纜進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)的問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
2．1直流電壓下，電纜絕緣的電場(chǎng)分布取決于材料的體積電阻率，而交流電壓下的電場(chǎng)分布取決于各介質(zhì)的介電常數(shù)，特別是在電纜終端頭、接頭盒等電纜附件中的直流電場(chǎng)強(qiáng)度的分布和交流電場(chǎng)強(qiáng)度的分布*不同，而且直流電壓下絕緣老化的機(jī)理和交流電壓下的老化機(jī)理不相同。因此，直流耐壓試驗(yàn)不能模擬XLPE電纜的運(yùn)行工況。
2．2 XLPE電纜在直流電壓下會(huì)產(chǎn)生“記憶”效應(yīng)，存儲(chǔ)積累單極性殘余電荷。一旦有了由于直流耐壓試驗(yàn)引起的“記憶性”，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能將這種直流偏壓釋放。電纜如果在直流殘余電荷未*釋放之前投入運(yùn)行，直流偏壓便會(huì)疊加在工頻電壓峰值上，使得電纜上的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其額定電壓，從而有可能導(dǎo)致電纜絕緣擊穿。
2．3直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，會(huì)有電子注入到聚合物介質(zhì)內(nèi)部，形成空間電荷，使該處的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，從而難于發(fā)生擊穿。XLPE電纜的半導(dǎo)體凸出處和污穢點(diǎn)等處容易產(chǎn)生空間電荷。但如果在試驗(yàn)時(shí)電纜終端頭發(fā)生表面閃絡(luò)或電纜附件擊穿，會(huì)造成電纜芯線上產(chǎn)生波振蕩，在已積聚空間電荷的地點(diǎn)，由于振蕩電壓極性迅速改變?yōu)楫悩O性，使該處電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增大，可能損壞絕緣，造成多點(diǎn)擊穿。
2．4XLPE電纜致命的一個(gè)弱點(diǎn)是絕緣內(nèi)易產(chǎn)生水樹枝，一旦產(chǎn)生水樹枝，在直流電壓下會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌渲?，并形成放電，加速了絕緣劣化，以致于運(yùn)行后在工頻電壓作用下形成擊穿。而單純的水樹枝在交流工作電壓下還能保持相當(dāng)?shù)哪蛪褐?，并能保持一段時(shí)間。
2．5實(shí)踐也表明，直流耐壓試驗(yàn)不能有效發(fā)現(xiàn)交流電壓作用下的某些缺陷，如在電纜附件內(nèi)，絕緣若有機(jī)械損傷或應(yīng)力錐放錯(cuò)等缺陷。在交流電壓下絕緣zui易發(fā)生擊穿的地點(diǎn)，在直流電壓下往往不能擊穿。直流電壓下絕緣擊穿處往往發(fā)生在交流工作條件下絕緣平時(shí)不發(fā)生擊穿的地點(diǎn)。
3．交流耐壓試驗(yàn)方法的選擇
既然直流耐壓試驗(yàn)不能模擬XLPE電纜的運(yùn)行場(chǎng)強(qiáng)狀態(tài)，不能達(dá)到我們所期望的檢驗(yàn)效果，自然就應(yīng)該轉(zhuǎn)向用交流耐壓試驗(yàn)來考核交聯(lián)電纜的敷設(shè)和附件的安裝質(zhì)量。有以下幾種交流試驗(yàn)的方法可供選擇：
3．1超低頻0.1Hz耐壓試驗(yàn)
因被試XLPE電纜的電容量很大，工頻試驗(yàn)時(shí)所需試驗(yàn)變壓器的容量也要很大，導(dǎo)致試驗(yàn)設(shè)備笨重而不適用于現(xiàn)場(chǎng)使用。采用0.1Hz作為試驗(yàn)電源，理論上可以將試驗(yàn)變壓器的容量降低到1/500，試驗(yàn)變壓器的重量可大大降低，可以較容易地移動(dòng)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。目前，此種方法主要應(yīng)用于中低壓電纜的試驗(yàn)，由于電壓等級(jí)偏低，還不能用于110kV及以上的高壓電纜試驗(yàn)。
3．2振蕩電壓試驗(yàn)
振蕩電壓試驗(yàn)是用直流電源給電纜充電，然后通過一個(gè)放電球隙給一組串聯(lián)電阻和電抗放電，得到一個(gè)阻尼振蕩電壓。此種方法比直流耐壓試驗(yàn)方法有效，但仍不如工頻試驗(yàn)有效（1）。
3．3諧振耐壓試驗(yàn)
可調(diào)電感型諧振試驗(yàn)系統(tǒng)可以滿足耐壓要求，但由于重量大，可移動(dòng)性差，主要用于試驗(yàn)室。變頻諧振試驗(yàn)系統(tǒng)不但能滿足高壓XLPE電纜的耐壓要求，而且具有重量輕、可移動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，適宜現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過廣泛的調(diào)查研究和論證，山東電力研究院選擇了長(zhǎng)沙電力試驗(yàn)開發(fā)公司研制的變頻諧振試驗(yàn)裝置，該裝置采用固定電抗器作為諧振電抗器，以調(diào)頻的方式實(shí)現(xiàn)諧振，頻率的調(diào)節(jié)范圍為30-300Hz，符合CIGRE WG21.09《高壓擠包絕緣電纜竣工試驗(yàn)建議導(dǎo)則》中推薦使用工頻及近似工頻（30～300Hz）的交流電壓。這種交流電壓可以重現(xiàn)與運(yùn)行工況下相同的場(chǎng)強(qiáng)，并已被證明是zui有效的方法。
4．現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)實(shí)例
具備了交流耐壓試驗(yàn)手段后，我們開始對(duì)山東電網(wǎng)新上的110kV交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓驗(yàn)收試驗(yàn)。下面是某局6條110kV交聯(lián)電纜的耐壓試驗(yàn)實(shí)例：
型號(hào)：YJLW03
額定電壓：64/110kV
規(guī)格：1×300mm2銅導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，
制造廠家：山東電力電纜電器股份有限公司。
單位長(zhǎng)度電容：0.139m F/km，單根電纜的長(zhǎng)度：1.495km。
試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：在電纜芯線和金屬鎧裝層之間施加 U0=110 kV交流電壓，保持5分鐘。
由于中間升壓變壓器高壓側(cè)的額定輸出電壓為15kV，無法滿足110 kV試驗(yàn)電壓的要求，需要用串聯(lián)電抗器進(jìn)行串聯(lián)諧振。由于流過串聯(lián)電抗器的試驗(yàn)電流超過了其額定電流，因此需要加入并聯(lián)電抗器進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)際上組成串—并聯(lián)諧振回路，試驗(yàn)接線原理圖如圖1所示。 
　
 
 
圖1 串—并聯(lián)諧振試驗(yàn)接線圖
 
 
圖中：L1為一只串聯(lián)電抗器，L2為4只電抗器并聯(lián)，每只電抗器的電感200H，額定電流4A，額定電壓267kV。
在諧振頻率的選擇上，我們通過改變投入并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的數(shù)量，在滿足試驗(yàn)設(shè)備的電壓和電流的前提下，力求試驗(yàn)頻率接近工頻。下面是諧振頻率的估算：
由于L1的電抗遠(yuǎn)大于中間升壓變壓器的電抗，或者說試驗(yàn)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中間變壓器高壓側(cè)的輸出電壓，因此在估算諧振頻率時(shí)可以簡(jiǎn)化，相當(dāng)于L1和L2與Cx并聯(lián)，故有下式：
f=1/2p =55.2Hz
式中：L1=200H，L2=200/4=50H，Cx=0.139′ 1.495=0.207m F。
在試驗(yàn)中，實(shí)際諧振頻率為55Hz，說明按照上述簡(jiǎn)化進(jìn)行諧振頻率的估算是比較準(zhǔn)確的。
6根電纜分6次試驗(yàn)，耐壓時(shí)間5分鐘，均通過。
5．結(jié)束語
5．1直流耐壓試驗(yàn)不能模擬高壓交聯(lián)電纜的運(yùn)行工況，試驗(yàn)效果差，并且有一定的危害性，在現(xiàn)場(chǎng)竣工驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，不宜再采用直流耐壓的方法。
5．2交流耐壓試驗(yàn)是現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)交聯(lián)電纜的敷設(shè)和附件安裝質(zhì)量zui有效的手段。我們所用的變頻諧振裝置符合IEC和國(guó)標(biāo)的有關(guān)要求，通過電抗器串并聯(lián)的方式可以滿足110kV和220kV高壓交聯(lián)電纜現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓的要求?！?br />參考文獻(xiàn)：（1）CIGRE WG21.09《高壓擠包絕緣電纜竣工試驗(yàn)建議導(dǎo)則》。