中壓交聯(lián)電纜的交流試驗(yàn)方法分析

徐永銘,李紅雷,徐永華,江騭一,李莉華

(1.上海市電力公司檢修公司,上海 200072;2.華東電力試驗(yàn)研究院有限公司,上海 200437; 3.上海東捷建設(shè)(集團(tuán))有限公司,上海 200120)

0 引言

當(dāng)前,城市供電電纜化日益提高,中壓交聯(lián)聚乙烯電纜(10～35 kV)的交接試驗(yàn)和預(yù)試,主要有變頻諧振、超低頻、振蕩波等耐壓試驗(yàn)方法。但是,這些試驗(yàn)方法在實(shí)施中尚存在很多問題,各供電公司對后兩種方法和工頻試驗(yàn)的等效性,仍存在較大的爭議。例如:采用變頻諧振法,由于試驗(yàn)設(shè)備體積和重量較大,運(yùn)輸儲存困難,并受到試驗(yàn)場地限制,而且試驗(yàn)時(shí)間長,影響工程進(jìn)度,推廣比較困難。

上海電網(wǎng)與其它城網(wǎng)不同,中壓配電網(wǎng)中35 kV等級比例很高,而35 kV電纜耐壓試驗(yàn)的現(xiàn)場實(shí)施難度明顯大于10 kV電纜。目前尚未形成統(tǒng)一的交聯(lián)電纜交流耐壓試驗(yàn)方法與規(guī)范,這一問題亟待解決。

本文對中壓交聯(lián)電纜(主要是35 kV電纜)的交流耐壓試驗(yàn)進(jìn)行了專題研究。根據(jù)中壓電纜點(diǎn)多面廣、試驗(yàn)工作量大等特點(diǎn),從試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)設(shè)備入手,重點(diǎn)解決試驗(yàn)的現(xiàn)場可操作性問題,隨后在上海電網(wǎng)進(jìn)行推廣與實(shí)施。

1 非直流電纜耐壓試驗(yàn)方法

對交聯(lián)聚乙烯電纜實(shí)施直流耐壓試驗(yàn),殘留的空間電荷會在運(yùn)行中損傷電纜絕緣,而且交聯(lián)電纜在直流電壓下的電場分布與交流差別很大,對絕緣的考核效果不佳,所以交聯(lián)電纜不宜進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn),這一點(diǎn)已在國內(nèi)外達(dá)成共識。

目前非直流電纜耐壓試驗(yàn)方法主要有變頻諧振法、超低頻耐壓法和振蕩電壓法等。

TU公司G.chiller等對各種耐壓試驗(yàn)方法的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究。用工頻法、變頻諧振法、超低頻耐壓法、振蕩電壓法等對各種電纜樣本進(jìn)行耐壓試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)各樣本的擊穿電壓。結(jié)果表明,振蕩電壓試驗(yàn)方法比直流耐壓試驗(yàn)方法更有效,但其有效性仍然不如工頻試驗(yàn);0.1 H z超低頻法的等效性也不如工頻耐壓,這兩種耐壓方法都不適用于新電纜的交接試驗(yàn)。因此,采用工頻或近似于工頻波形的變頻諧振電壓進(jìn)行試驗(yàn),是IEC—60840和IEC—62067推薦的試驗(yàn)方法,也是目前在各單位獲得廣泛認(rèn)可的電纜試驗(yàn)方法。本課題將變頻諧振法作為電纜耐壓試驗(yàn)的主要手段。

變頻諧振耐壓試驗(yàn)方法是通過改變試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)頻率,使回路處于諧振狀態(tài),這樣試驗(yàn)回路中試品上的大部分容性電流與電抗器上的感性電流相抵消,電源供給的能量僅為回路中消耗的有功功率,為試品容量的1/Q(Q為品質(zhì)因數(shù));因此試驗(yàn)電源的容量降低,重量大大減輕。而且,由于諧振電抗器與被試電纜處于諧振狀態(tài),形成一個(gè)良好的濾波電路,能改善輸出電壓的波形畸變,得到良好的正弦波形;此外,被試電纜發(fā)生擊穿時(shí),失去諧振條件,高壓電路和低壓電源回路的電流反而減小,故絕緣擊穿處的電弧不會將故障點(diǎn)擴(kuò)大,便于故障處理。

2 電纜交流耐壓的標(biāo)準(zhǔn)及執(zhí)行

2.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

國際大電網(wǎng)會議CIGRE第21、09工作組認(rèn)為:“頻率在30～300H z范圍內(nèi),橡塑電纜內(nèi)部幾種典型絕緣缺陷的擊穿特性沒有明顯差別”。

我國2006年制定的《GB 50150—電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中,規(guī)定橡塑電纜交接耐壓試驗(yàn)頻率為20～300 H z,試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 國家交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

從國外的情況看,在中壓電纜30～300 Hz現(xiàn)場試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間上,美國、加拿大等國家的試驗(yàn)時(shí)間大多選用5min;而德國的經(jīng)驗(yàn),傾向于用30 min,德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《VDE DIN 0276 Part 10011995》中,推薦中壓電纜耐壓值采用2U 0,頻率為45～65 Hz,時(shí)間為30min。

國內(nèi)部分地區(qū)已經(jīng)推廣交聯(lián)聚乙烯電纜的非直流耐壓試驗(yàn),并在實(shí)際工作中形成了自己的標(biāo)準(zhǔn),部分情況列于表2。此外,南方電網(wǎng)《Q/CSG 10007—2004電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定, 35 kV及以下橡塑絕緣電力電纜的耐壓試驗(yàn)值為1.6U 0,時(shí)間為60m in。

綜合國內(nèi)外各地區(qū)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),其發(fā)展趨勢是:電纜電壓等級越高,試驗(yàn)值越小,試驗(yàn)時(shí)間越長;交接試驗(yàn)時(shí)間往往大于預(yù)試時(shí)間,如有的地區(qū)交接試驗(yàn)為60m in,預(yù)試為5min。另外,預(yù)試電壓普遍取交接試驗(yàn)的80%,這一點(diǎn)與電力系統(tǒng)其他設(shè)備的耐壓試驗(yàn)是相同的。中壓電纜的試驗(yàn)值大多為2U 0,試驗(yàn)時(shí)間大多為5m in。

另外,各地區(qū)都是首先在高壓電纜上開展交流耐壓,在110 kV及以上等級電纜早已實(shí)現(xiàn)了諧振耐壓,而中壓電纜交流耐壓的開展情況參差不齊,普遍實(shí)施較晚,很多地區(qū)尚未實(shí)施,對中壓交聯(lián)聚乙烯電纜(XLPE)仍采用直流耐壓試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),變頻諧振耐壓試驗(yàn)的頻率可取20～300 Hz。

關(guān)于試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)電壓值,各地實(shí)施情況有較大差別。以往直流耐壓的試驗(yàn)時(shí)間僅為5 min,交流耐壓如果采用60m in,加上交流耐壓設(shè)備笨重、操作復(fù)雜,試驗(yàn)時(shí)間以及消耗的人力物力都明顯超過直流耐壓。在當(dāng)今城市電網(wǎng)規(guī)模增大、電網(wǎng)建設(shè)速度加快的情況下,將對電纜線路投運(yùn)工期有較大影響。這樣,推廣用交流耐壓代替直流耐壓,會在實(shí)踐中遇到相當(dāng)大的困難。

表2 國內(nèi)部分地區(qū)變頻諧振耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

在應(yīng)用變頻交流耐壓中,必須考慮不同電壓等級的差異。

高壓電纜(110 kV及以上)的重要性高,所以耐壓中施加的電壓較低,耐壓時(shí)間較長(有的地區(qū)采用60 min)。中壓電纜的重要性相對較低,數(shù)量多,試驗(yàn)工作量大,故障率低,輕微的絕緣缺陷不容易在耐壓試驗(yàn)中暴露出來,所以在中壓電纜試驗(yàn)中,適當(dāng)提高耐壓值,減少試驗(yàn)時(shí)間,是必要而且可行的手段。此外,我國對中壓交聯(lián)電纜采用交流耐壓試驗(yàn)尚處在初期階段,采用較短的試驗(yàn)時(shí)間,可減少局部放電的積累作用,而且更便于推廣實(shí)施,待執(zhí)行幾年,積累一定經(jīng)驗(yàn)后,再考慮修訂標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)絕緣材料擊穿統(tǒng)計(jì)理論,耐受時(shí)間與擊穿場強(qiáng)的關(guān)系可表示為:

式中:n——壽命指數(shù),XLPE取5～9;U1——試驗(yàn)電壓1; U2——試驗(yàn)電壓2;t1——試驗(yàn)時(shí)間1;t2——試驗(yàn)時(shí)間2。

根據(jù)上述算式,從對主絕緣的實(shí)際考核效果看,2.5U 0(5 min)、2.0U 0(30 min)和1.8U0(60 min)基本是相當(dāng)?shù)摹?/p>

經(jīng)過以上分析,本課題擬提升電纜的試驗(yàn)電壓值。目前國內(nèi)外各地對35 kV電纜試驗(yàn)電壓值都沒有超過2U0,本課題嘗試采用2.5U0電壓,試驗(yàn)時(shí)間為5min;既保證試驗(yàn)效果,又減少了試驗(yàn)時(shí)間。這樣,確定了如表3的電纜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 本課題的電纜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

3 車載試驗(yàn)裝置的研發(fā)

3.1 變頻諧振試驗(yàn)裝置

現(xiàn)有變頻諧振試驗(yàn)裝置在中壓電纜現(xiàn)場試驗(yàn)中存在的主要問題是:試驗(yàn)設(shè)備的裝卸和接線時(shí)間長、工作量大、消耗人力物力;接線較復(fù)雜,不利于現(xiàn)場安全。

目前,中壓電纜耐壓設(shè)備基本都采用分立元件,在現(xiàn)場進(jìn)行組合接線。表4中列出了一套典型試驗(yàn)設(shè)備(用于35～10 kV電纜)的配置和重量,裝置總重量約450 kg,完成裝運(yùn)和現(xiàn)場組裝連線,通常需要5～6名工作人員。

表4 分立式試驗(yàn)裝置的配置

為解決以上問題,本課題開發(fā)了交流耐壓試驗(yàn)車,直接從車上引出高壓到被試電纜,可避免現(xiàn)場裝卸、組裝、連線等諸多麻煩,使工作效率大大提高,同時(shí)改善了工作人員的環(huán)境。

目前,已有單位采用車載試驗(yàn)裝置進(jìn)行電纜耐壓,但僅能對10 kV電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn),由于試驗(yàn)引線、補(bǔ)償、絕緣等技術(shù)難點(diǎn),不能用于35 kV電纜耐壓。根據(jù)目前搜集到的資料,未見關(guān)于35 kV電纜耐壓試驗(yàn)車的報(bào)道。

3.2 變頻諧振交流耐壓試驗(yàn)車

本課題開發(fā)的變頻諧振交流耐壓試驗(yàn)車,將變頻諧振耐壓裝置的各單元組件固定在車箱里;采用高壓電纜輸出高壓,高壓電纜與電抗器間為可分離連接;將分壓器裝入電抗器箱體內(nèi)與電抗器合為一體,把分壓器測量端子裝在電抗器箱體上以引出測量電壓,如此,電抗器具備了高壓采樣功能,整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)在省卻了外置分壓器后得以簡化,而且實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)高壓采樣,該試驗(yàn)車已經(jīng)申請專利(申請?zhí)?00920048851.8)。

圖1是試驗(yàn)車內(nèi)部布置示意圖。試驗(yàn)車的設(shè)計(jì)能力如下(可滿足上海絕大多數(shù)中壓電纜線路的要求):

1)電纜的電壓等級為35 kV;最大電容量為0.73μF(400 mm2/3 km);試驗(yàn)電壓為52 kV,時(shí)間為60 min,65 kV/5m in;試驗(yàn)頻率為34～300 H z。

2)電纜的電壓等級為10 kV;最大電容量為2.1μF(400 mm2/5 km);試驗(yàn)電壓為22 kV,時(shí)間為5m in;試驗(yàn)頻率為30～300 Hz。

圖1 試驗(yàn)車外觀示意圖

表5是試驗(yàn)車的配置。為了解決試驗(yàn)設(shè)備(特別是35 kV電纜耐壓設(shè)備)的車載問題,進(jìn)行了一些創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。

1)設(shè)計(jì)了適合車載的金屬箱式電抗器,電抗器采用閉合磁路設(shè)計(jì),對鐵磁物質(zhì)沒有漏磁,可以放在鐵磁物質(zhì)上。電抗器的電感值固定,通過中間抽頭來改變電感量,用一臺電抗器來滿足10 kV電纜和35 kV電纜的耐壓。

2)采用特別定制的進(jìn)口硅橡膠高壓電纜作為試驗(yàn)引線,該電纜是柔性電纜,長度為50 m,能方便接入室內(nèi)電纜終端;現(xiàn)場電源和試品的距離可達(dá)100m,非常適合上海地區(qū)各種復(fù)雜的接線條件。

3)高壓輸出電纜的終端與電抗器之間的連接,采用插拔式電纜接頭,現(xiàn)場接線靈活可靠。

表5 車載試驗(yàn)裝置的配置

4 現(xiàn)場應(yīng)用

本課題中,對33回線電纜完成了變頻諧振耐壓試驗(yàn),其中5回線為35 kV電纜(型號為YJV-26/35),其余均為10 kV電纜(型號為YJV-8.7/10),現(xiàn)場應(yīng)用情況如下:

1)試驗(yàn)參數(shù) 試驗(yàn)的最低頻率為35 Hz,最高頻率為172 Hz,試驗(yàn)頻率均滿足20～30 Hz的要求。試驗(yàn)電壓和時(shí)間按照表3的要求。

2)運(yùn)行時(shí)間 5回35 kV電纜均是新電纜。28回10 kV電纜中,大部分是新電纜或剛投運(yùn)幾個(gè)月,也有少數(shù)已運(yùn)行幾年的電纜;其中,運(yùn)行時(shí)間為5 a以上的2回線電纜,分別運(yùn)行了9 a和 10 a。

3)故障電纜 通過交流耐壓試驗(yàn)的電纜都已投入運(yùn)行,目前運(yùn)行正常,未發(fā)生過擊穿事件。

在現(xiàn)場試驗(yàn)中僅有1條電纜沒有通過試驗(yàn)。對故障電纜進(jìn)行解剖,發(fā)現(xiàn)擊穿點(diǎn)位于半導(dǎo)體應(yīng)力錐以上,故障原因是電纜本體存在先天缺陷,加上擊穿點(diǎn)的電場分布比較集中,最終導(dǎo)致?lián)舸?。說明這次試驗(yàn)有效地暴露了電纜的內(nèi)部缺陷。

5 結(jié)語

交流耐壓作為電纜的一項(xiàng)重要的試驗(yàn)考核手段,要求他既能有效地發(fā)現(xiàn)電纜的絕緣缺陷,又具有良好的可操作性,而且要適應(yīng)城市電網(wǎng)現(xiàn)有的運(yùn)行檢修管理模式。

本課題根據(jù)上海中壓電纜線路的35 kV比例高、試驗(yàn)工作量大、交流試驗(yàn)推廣難度大的情況,在試驗(yàn)項(xiàng)目的革新和新型試驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)兩方面,進(jìn)行了嘗試和創(chuàng)新,實(shí)施效果比較滿意,主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

1)在試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方面,提升了試驗(yàn)參數(shù),將35 kV電纜的交接試驗(yàn)電壓提高至2.5U 0,這樣, 10～35 kV交聯(lián)電纜的交接試驗(yàn)均采用2.5U0 (5 m in),預(yù)試均采用2.0U0(5 m in),既保證了試驗(yàn)效果,又減少了試驗(yàn)時(shí)間。

2)在試驗(yàn)設(shè)備方面,開發(fā)的車載試驗(yàn)系統(tǒng)能用于35 kV及以下電壓等級的電纜試驗(yàn),并可顯著地提高試驗(yàn)?zāi)芰涂刹僮餍?具有一定的推廣價(jià)值。