XLPE絕緣高壓電纜變頻諧振法交流耐壓特性試驗(yàn)

賈 晨,陳 博,王 迪,楊寶偉

(1.國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司,長(zhǎng)春 130041;2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司信息通信公司,天津 300010)

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜具有極佳的電氣性能、機(jī)械性能和耐腐蝕性,其介質(zhì)損耗小于紙絕緣和 PVC絕緣電纜,電容也小,在沒(méi)有有效星形接地系統(tǒng)中可降低充電電流和接地故障電流。同時(shí),XLPE絕緣電纜彎曲半徑小,比其他同類(lèi)電纜質(zhì)量輕,終端處理較為簡(jiǎn)單,不含油且對(duì)敷設(shè)環(huán)境要求較低,因而特別適用于城網(wǎng)中較為復(fù)雜的線路。XLPE絕緣電纜的抗老化特性及超強(qiáng)的耐熱變形性能決定了其在正常運(yùn)行溫度(90℃)、短時(shí)故障(130℃)及短路(250℃)條件下可允許大電流通過(guò)。

以往XLPE絕緣電纜投運(yùn)前的試驗(yàn),由于試驗(yàn)設(shè)備和被試設(shè)備容量較大等原因,一些試驗(yàn)單位現(xiàn)場(chǎng)仍沿用直流耐壓試驗(yàn)方法。近年來(lái)國(guó)內(nèi)眾多研究結(jié)果表明,采用直流耐壓試驗(yàn)方法對(duì)XLPE絕緣電纜有不同程度的損害,目前已多采用交流耐壓試驗(yàn)替代原來(lái)的直流耐壓試驗(yàn),但目前城網(wǎng)中新舊電纜相結(jié)合較多,因此現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法以及試驗(yàn)電壓等級(jí)和時(shí)間的確定十分重要。

1 直流耐壓試驗(yàn)存在的問(wèn)題

1.1 電纜絕緣的電場(chǎng)分布

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)度的分布完全不同,交、直流電壓下絕緣老化的機(jī)理也不盡相同。

1.2 直流電壓下產(chǎn)生記憶效應(yīng)的問(wèn)題

XLPE絕緣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。一旦產(chǎn)生“記憶”,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完全釋放之前投入運(yùn)行,直流電壓將疊加在工頻電壓峰值上,使得電纜的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其額定電壓,從而有可能導(dǎo)致電纜絕緣擊穿。同時(shí),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,使該處電場(chǎng)強(qiáng)度降低,從而難于發(fā)生擊穿。XLPE絕緣電纜的半導(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,電纜芯線上將產(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為異極性,使該處電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增大,可能損壞絕緣并造成多點(diǎn)擊穿。

1.3 水樹(shù)枝加速絕緣老化

XLPE絕緣電纜在潮濕運(yùn)行環(huán)境下易產(chǎn)生水樹(shù)枝,一旦產(chǎn)生水樹(shù)枝,在直流電壓下會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌?shù)枝并形成放電,從而加速絕緣劣化,有可能導(dǎo)致在工頻電壓作用下形成擊穿,而單純的水樹(shù)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 交流耐壓試驗(yàn)

2.1 超低頻 0.1Hz耐壓試驗(yàn)

因被試交聯(lián)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0.1 Hz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)變壓器的質(zhì)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 110 kV及以上的高壓電纜試驗(yàn)。

2.2 諧振耐壓試驗(yàn)

可調(diào)電感型諧振試驗(yàn)系統(tǒng)可以滿(mǎn)足耐壓要求,但由于設(shè)備質(zhì)量較大而主要用于試驗(yàn)室。而變頻諧振試驗(yàn)方法不但能滿(mǎn)足高壓交聯(lián)電纜的耐壓要求,而且質(zhì)量小,適宜現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該方法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 30～300 Hz,這種交流電壓可模擬運(yùn)行工況下相同的場(chǎng)強(qiáng),并已被證明為最有效方法。

2.2.1 串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)

串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)是利用電抗器的電感與被試品電容實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振,已經(jīng)成為當(dāng)前高電壓試驗(yàn)的新的方向和潮流,在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。串聯(lián)諧振有調(diào)感式和調(diào)頻式 2種,調(diào)感式采用可調(diào)節(jié)鐵芯氣隙的電抗器,通過(guò)調(diào)節(jié)電感量,使回路處于工頻諧振狀態(tài)。其缺點(diǎn)是噪音大、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)備笨重,搬運(yùn)困難。而調(diào)頻式采用固定電感電抗器,通過(guò)調(diào)節(jié)激勵(lì)電源的頻率使其與試驗(yàn)回路的固有頻率相同,串聯(lián)回路達(dá)到諧振狀態(tài),從而在被試品上產(chǎn)生高電壓或大電流。其特點(diǎn)是試驗(yàn)設(shè)備體積小、質(zhì)量小,品質(zhì)因數(shù)高,使用方便。圖1為串聯(lián)諧振的等值電路圖。圖中電容C包括被試電容、電容分壓器、高壓試驗(yàn)回路電容。

也就是在被試品得到的容量為試驗(yàn)電源容量的Q倍。換言之,小容量的試驗(yàn)變壓器可以對(duì)大容量的試品進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。實(shí)際試驗(yàn)回路中的Q值一般可以達(dá)到 20～70,激勵(lì)電壓僅為試驗(yàn)品諧振電壓的1/Q,激勵(lì)功率亦為諧振功率的1/Q。

2.2.2 并聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)

一般情況下,試驗(yàn)變壓器容量不足(滿(mǎn)足試驗(yàn)電壓,達(dá)不到試驗(yàn)電流),可以采用并聯(lián)諧振加以補(bǔ)償。并聯(lián)諧振等值回路如圖2所示。并聯(lián)回路的2個(gè)支路感抗XL和容抗XC,當(dāng)XL=XC時(shí)回路產(chǎn)生諧振。此時(shí),IL和 IC都很大,但是總回路的電流 I≈0,XC上的電壓等于電源電壓。并聯(lián)諧振由電感與電容(容性試品)以及電源并聯(lián)組成。改變回路參數(shù)或電源頻率,回路即可調(diào)諧至諧振,同時(shí)將有1個(gè)幅值遠(yuǎn)大于電源電流,且波形接近于正弦波的電壓加在試品上。諧振條件和試驗(yàn)電壓的穩(wěn)定性取決于電源頻率和試驗(yàn)回路特性的穩(wěn)定性。當(dāng)試品放電時(shí),電源輸出的電流較小,從而避免了對(duì)試品絕緣的損壞。

圖2 并聯(lián)諧振等值回路

2.2.3 串、并聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)

當(dāng)試驗(yàn)變壓器的額定電壓、額定電流均不能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求時(shí),可同時(shí)運(yùn)用串并聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振并聯(lián)電抗器等值回路如圖3所示。由電感與電容(容性試品)以及中壓電源串并聯(lián)組成。改變回路參數(shù)或電源頻率,回路即可調(diào)諧至諧振,同時(shí)將有1個(gè)幅值遠(yuǎn)大于電源電流和電源電壓,且波形接近于正弦波的電壓加在試品上。

圖3 串聯(lián)諧振并聯(lián)電抗器等值回路

2.3 參數(shù)計(jì)算

a.根據(jù)電纜電壓等級(jí)、電纜截面積和電纜長(zhǎng)度等基本參數(shù)計(jì)算電纜總電容量C。

b.根據(jù)電纜的長(zhǎng)度和試驗(yàn)要求(如試驗(yàn)頻率要求等)選擇電抗器,設(shè)電抗器的電感量為 L,則試驗(yàn)頻率為:f=1 000/2 π

c.諧振回路高壓電流 IH=2 πfCUC/1 000。

e.估算所需勵(lì)磁變輸出電壓:UO≥UC/Q。

3 變頻諧振法的實(shí)際應(yīng)用

以220 kV正陽(yáng)甲、乙線 XLPE絕緣電纜交流耐壓試驗(yàn)為例,電纜型號(hào)為YJLW03-127/220kV-1×1 200 mm2,長(zhǎng)度 2.2 km。交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。依據(jù)DB22/T 002— 2007《交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜交接及預(yù)防性試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn),試驗(yàn)電壓1.7 U0為 216 kV,時(shí)間為 60 min。

按照電纜截面 1 200 mm2(0.176μF/km)計(jì)算電纜總電容量為 387 200 pF,當(dāng) 4節(jié)電抗器并聯(lián)使用時(shí)按圖1接線,電感量 26.539 H,耐壓值216 kV,試驗(yàn)頻率 f=49.65 Hz,諧振回路高壓電流為26.1 A,勵(lì)磁變壓器的低壓側(cè)電流425 A。由于試驗(yàn)電壓較高,考慮到勵(lì)磁變壓器、電抗器、電纜的有功損耗,勵(lì)磁變壓器實(shí)際電流會(huì)達(dá)到或接近額定電流,在耐壓時(shí),采用串聯(lián)諧振,并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞?即 1節(jié)10 A電抗器和2節(jié)5 A電抗器并聯(lián)后與電纜串聯(lián),1節(jié)10 A電抗器與電纜并聯(lián)(該節(jié)電抗器末端接地)。則勵(lì)磁變壓器輸出電流17.4 A、輸入電流283.7 A。

上述試驗(yàn)驗(yàn)證了采用串聯(lián)諧振時(shí),利用電抗器并聯(lián)補(bǔ)償方法對(duì)XLPE絕緣電纜進(jìn)行交流耐壓實(shí)驗(yàn)的可行性。

電纜的加壓時(shí)間為 60 min,利用紅外測(cè)溫裝置對(duì)電抗器的溫度進(jìn)行監(jiān)視,用鉗型電流表監(jiān)測(cè)變頻電源的輸入電流和輸出電流,以保證試驗(yàn)裝置安全。試驗(yàn)引線采用無(wú)暈導(dǎo)線(或使用足夠面積的塑膠多股軟銅線)。

4 新舊電纜相結(jié)合的交流耐壓試驗(yàn)

Q/GDW 512— 2010《電力電纜線路運(yùn)行》規(guī)程要求見(jiàn)表2。對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行的電纜線路,可采用較低的試驗(yàn)電壓或較短的試驗(yàn)時(shí)間。充分考慮電纜線路的運(yùn)行時(shí)間、環(huán)境條件、擊穿歷史和試驗(yàn)?zāi)康?最終確定試驗(yàn)的電壓和時(shí)間。

Q/GDW 168— 2008《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》交流耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為:220 kV交流耐壓試驗(yàn)電壓1.36U0,(173 kV),66 kV交流耐壓試驗(yàn)電壓1.6U0(80 kV),試驗(yàn)時(shí)間 5 min。 DB22/T 002— 2007《交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜交接及預(yù)防性試驗(yàn)》規(guī)程要求見(jiàn)表3。

表1 交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)

表2 電力電纜線路運(yùn)行規(guī)程試驗(yàn)參數(shù)

表3 XLPE絕緣電力電纜主絕緣交流電壓試驗(yàn)參數(shù)

考慮有些運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的66 kV XLPE絕緣電力電纜的承受能力,為保證電纜安全,建議按 Q/GDW 168— 2008交流耐壓試驗(yàn)的電壓標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,耐壓時(shí)間5 min,或投運(yùn)時(shí)將其掛網(wǎng)試運(yùn)行 24 h。通過(guò)上述 2種方法對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn),以此作為對(duì)新舊電纜通過(guò)竣工交接試驗(yàn)的條件。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用變頻諧振裝置對(duì)XLPE絕緣電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)大大降低了試驗(yàn)設(shè)備的容量,十分適合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。同時(shí)利用變頻諧振裝置使其試驗(yàn)頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào),試驗(yàn)電抗器通過(guò)串、并聯(lián)組合,串聯(lián)諧振并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆椒蓴U(kuò)展現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備能力,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離電纜的交流耐壓試驗(yàn)。對(duì)已運(yùn)行的老舊電纜與新電纜結(jié)合后的交流耐壓試驗(yàn),要根據(jù)老舊電纜的運(yùn)行情況,采用適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)電壓與耐壓時(shí)間。