110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜耐壓試驗(yàn)

于 海，劉 威，李 清

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院,烏魯木齊 830011；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，烏魯木齊830000)

0 引 言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，城市用電量不斷增大，電力電纜作為電網(wǎng)中重要的一次設(shè)備，對(duì)保證電力負(fù)荷穩(wěn)定安全運(yùn)行有著重要的作用。按照絕緣材料分，電力電纜可以分為油浸紙絕緣電力電纜、塑料絕緣電纜、橡膠(皮)絕緣電力電纜等[1]。其中,塑料絕緣電纜中的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜因其電氣性能優(yōu)良、機(jī)械強(qiáng)度高、操作溫度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛被應(yīng)用到城市電纜當(dāng)中[2]。

雖然電力電纜在出廠時(shí)要經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)，但是在運(yùn)輸和安裝過程中可能由于磕碰、受潮等因素造成各種缺陷。因此，電力電纜在投運(yùn)前必須要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜絕緣缺陷、保證供電的安全穩(wěn)定[3]。

傳統(tǒng)直流耐壓試驗(yàn)因?yàn)槠漭p便、容量低、可移動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，曾被廣泛地用于油浸紙絕緣電纜耐壓試驗(yàn)。但是XLPE絕緣電纜與油浸紙絕緣電纜不同，屬于整體絕緣，絕緣機(jī)理在直流場(chǎng)和交流場(chǎng)表現(xiàn)完全不同。直流耐壓試驗(yàn)應(yīng)用于XLPE絕緣電纜中時(shí)，一方面，不能模擬其運(yùn)行方式，且會(huì)在其內(nèi)部殘存電荷，當(dāng)電纜正常運(yùn)行于峰值電壓時(shí)，可能造成擊穿；另一方面，由于絕緣電纜容易產(chǎn)生水樹枝，在直流電壓的作用下，會(huì)加速絕緣老化，出現(xiàn)直流耐壓正常、投入運(yùn)行發(fā)生擊穿現(xiàn)象[4]。超低頻交流耐壓試驗(yàn)(0.1 Hz耐壓試驗(yàn))由于設(shè)備輕便而便于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但是其設(shè)備容量較低，而且不能完全反映電纜工頻狀態(tài)下的運(yùn)行情況，所以不能滿足高電壓等級(jí)的電纜耐壓試驗(yàn)。但有研究表明，該試驗(yàn)可在低電壓下對(duì)XLPE絕緣電纜的絕緣受潮和水樹枝缺陷進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)[5]。工頻諧振交流耐壓試驗(yàn)最能反映電纜實(shí)際運(yùn)行情況，但是高電壓、長(zhǎng)距離電纜在進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，電纜等效電容會(huì)隨著電纜長(zhǎng)度以及截面積變化而變化，要制作大容量連續(xù)可調(diào)電感非常困難，所以工頻諧振交流耐壓試驗(yàn)一般用于實(shí)驗(yàn)室研究，不適合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[6]。

本文著眼于XLPE絕緣電纜現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)。首先，介紹了目前常見的幾種可用于XLPE絕緣電纜現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)的方法；然后，分析了其試驗(yàn)原理以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)是用于高電壓、長(zhǎng)距離電纜交流耐壓試驗(yàn)的最優(yōu)方案；最后，通過1次長(zhǎng)距離電纜交流耐壓試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性，并提出高電壓、長(zhǎng)距離電纜交流耐壓試驗(yàn)應(yīng)注意的問題。

1 變頻交流耐壓試驗(yàn)

由于工頻串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)串聯(lián)回路電抗器容量來達(dá)到諧振的目的，對(duì)電抗器等設(shè)備要求高；而變頻交流耐壓試驗(yàn)是通過調(diào)節(jié)電源輸出頻率以實(shí)現(xiàn)諧振，降低了對(duì)電抗器的要求。由GB150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》可知，橡塑電纜優(yōu)先采用20～300 Hz交流耐壓試驗(yàn)，對(duì)于頻率滿足該范圍的交流耐壓試驗(yàn)都可達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，所以變頻交流耐壓試驗(yàn)是現(xiàn)場(chǎng)電纜耐壓試驗(yàn)最常用的方法。按照其電抗器連入電路的位置不同，又可分為變頻串聯(lián)諧振電纜耐壓試驗(yàn)、變頻并聯(lián)諧振電纜耐壓試驗(yàn)以及并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振電纜耐壓試驗(yàn)[7-9]。

1.1 變頻串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)

變頻串聯(lián)諧振耐壓工作原理圖如圖1所示。交流電源連接變頻器，通過勵(lì)磁變壓器升壓達(dá)到滿足要求的電壓值。其中：R為線路等效電阻，L為串聯(lián)電抗器，Cx為被試品，C1、C2為分壓器。變壓器輸出電壓為Us，試品電壓為Uo，回路電流為I。

該方法首先估算被試品的電容值Cx，然后根據(jù)試品耐壓等級(jí)，選擇合適量程的電抗器L，通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，使電路發(fā)生諧振。

圖1 變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)原理圖

式中:Po為試品所需要的功率。由于分壓器電容值很小，可以忽略不計(jì)，所以電源輸出功率約為試品需求功率的Q倍。

由此可知，串聯(lián)諧振具有補(bǔ)償電壓的作用。當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，試品兩端會(huì)產(chǎn)生高于勵(lì)磁變壓器兩端Q倍的電壓，電源輸出功率同樣高出試品功率Q倍。但是，隨著電容量C的增加，線路電流不斷增加(試驗(yàn)電壓Uo不變)。所以該方法適用于回路電流較小、試品電壓較高且試品電容量較小的場(chǎng)合。

1.2 變頻并聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)

圖2為變頻并諧振聯(lián)交流耐壓試驗(yàn)原理圖。其中:T為勵(lì)磁變壓器，R為線路等效電阻，L為并聯(lián)電抗器，Cx為被試品，C1、C2為分壓器。I為主回路電流，IL為流過電抗器電流，IC為流過電容C的電流，Us為勵(lì)磁變壓器兩端電壓，Uo為試品兩端電壓。

由于線路電流幾乎為0，所以Us=Uo。此時(shí)主回路電流幾乎為0，電容器與電抗器之間實(shí)現(xiàn)能量的交換。該種試驗(yàn)電路可用于試品電容量大、電壓不高的場(chǎng)合，并且該方案降低了對(duì)變壓器功率的要求。

圖2 變頻并聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)原理圖

1.3 變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)

圖3為變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)原理圖。圖中，T為勵(lì)磁變壓器，R為線路等效電阻，L1為串聯(lián)電抗器，L2為并聯(lián)電抗器，Cx為試品，C1、C2為分壓器，Us為勵(lì)磁變壓器輸出電壓，Uo為試品兩端電壓，I為主回路電流，IL為流過L2的電流，IC為流過電容C的電流，其中電容C包括試品電容以及分壓器電容。

圖3 變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)原理圖

變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)利用了串聯(lián)諧振對(duì)電壓補(bǔ)償作用以及并聯(lián)諧振電流分流作用，以減少電源輸出功率。上述原理圖可等效為圖4。

所以試品電壓為

主回路電流為

1.4 振蕩波交流耐壓試驗(yàn)

振蕩波電壓法是近些年研究較多的一種用于XLPE絕緣電纜的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)。振蕩波電壓系統(tǒng)由于其體積小、重量輕、易操作、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)更易于應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)有研究表明，振蕩波電壓與交流電壓具有良好的等效性，被認(rèn)為是具有前景的電纜檢測(cè)手段。

振蕩波電壓法的基本原理是LC振蕩，按照產(chǎn)生振蕩波電壓方式的不同，可以分成兩種：一種是直接對(duì)電纜進(jìn)行充電，然后與回路中的電感發(fā)生振蕩，此種方法以下簡(jiǎn)稱“直充法”；另一種是通過直流電源對(duì)大電容充電，然后通過大電容對(duì)電纜以及串聯(lián)電感發(fā)電發(fā)生振蕩，此種方法以下簡(jiǎn)稱“間接法”。

圖5 直充法原理圖

圖6 間接法原理圖

兩種方法都能發(fā)生振蕩，但是間接法需要充電電容較大，而且在發(fā)生振蕩的瞬間，試品電容兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過電壓，超過額定電壓，并且過電壓幅值難以預(yù)測(cè)，所以實(shí)際應(yīng)用主要以直充法為主。

振蕩波電壓法目前國(guó)內(nèi)并無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而且直充法是否會(huì)在電纜中殘存電荷，從而造成電纜損壞并無報(bào)道，該方法多用于電纜局放檢測(cè)。

綜上所述，并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振能夠有效補(bǔ)償電源輸出電壓，而且能夠減少主回路電流。這樣不但能夠有效降低對(duì)于試驗(yàn)變壓器、電抗器容量的需求，減少試驗(yàn)設(shè)備質(zhì)量和體積，而且為高電壓、長(zhǎng)距離XLPE絕緣電纜交流耐壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供可能。

2 實(shí)際應(yīng)用

對(duì)烏魯木齊一變電站110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜進(jìn)行交流耐壓驗(yàn)收工作，電纜總長(zhǎng)度約為7.23 km。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由變頻諧振電源、勵(lì)磁變壓器、高壓電抗器以及高壓電容分壓器組成。其中，變頻諧振電源頻率范圍為30～300 Hz，輸出功率為260 kW；勵(lì)磁變壓器額定容量為260 kVA，輸出電壓為5 kV、20 kV、60 kV比400 V三檔；高壓電抗器額定電壓為160 kV，額定電流為7 A，電感值為97 H，共6個(gè)；分壓器為250 kV。

根據(jù)電纜參數(shù)可知，此110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜電容量約為0.12 μF/km，所以7.23 km電纜總電容量Cx為0.86 μF。若采用串聯(lián)諧振，根據(jù)串聯(lián)諧振計(jì)算式

可知，當(dāng)Uo與C已知時(shí)，ω越小，電流越小。由于電源諧振頻率范圍為30～300 Hz，所以當(dāng)fmin=ω/2π=30 Hz時(shí)，電路電流最小，由此算出線路最小電流為17.82 A，遠(yuǎn)超于電抗器額定電流。所以串聯(lián)諧振電路難以滿足實(shí)際電抗器額定電流量需求。若采用并聯(lián)諧振，根據(jù)并聯(lián)諧振相關(guān)計(jì)算式Us=Uo可知，Uo=60 kV(變壓器輸出電壓)，此時(shí)線路電壓不滿足試驗(yàn)電壓需求。

所以本次實(shí)驗(yàn)采用并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振方案，利用串聯(lián)諧振電路電壓補(bǔ)償作用以及并聯(lián)諧振分流作用，完成此次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，具體原理圖如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)原理圖

為了滿足主回路以及并聯(lián)諧振電路電抗器電流要求，實(shí)驗(yàn)采用串一并五連接方式。其中La為串聯(lián)電抗器，Lb、Lc、Ld、Le、Lf為并聯(lián)電抗器，Cx為電纜電容，C1、C2為分壓器。根據(jù)并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振電路計(jì)算式

可以計(jì)算得出，該試驗(yàn)諧振頻率為f=34.87 Hz，串聯(lián)回路電流為I=5.18 A，流過每一相并聯(lián)電抗器電流為IL=5.18 A，滿足電抗器以及變頻諧振電源的要求。

110 kV電纜變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data on site

試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)基本相差不大，證明該方案確實(shí)可行。

對(duì)于高電壓、長(zhǎng)距離電纜耐壓試驗(yàn)，由于線路等效電容量大，依靠變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)方案，則需要電流量極大的電抗器，這在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中很難實(shí)現(xiàn)。變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓解決了串聯(lián)諧振需要大電流電抗器的問題，是高電壓、長(zhǎng)距離電纜耐壓試驗(yàn)的可選方案。

通過這次試驗(yàn)，對(duì)于高電壓、長(zhǎng)距離電纜耐壓試驗(yàn)仍有一些值得注意的問題。

1)合理配置設(shè)備，選擇合適的試驗(yàn)方案。由于試驗(yàn)設(shè)備容量的限制，選擇常用的變頻串聯(lián)諧振方案不能滿足試驗(yàn)要求，所以根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，重新設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，選擇并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振方案，有效解決了設(shè)備參數(shù)問題，使試驗(yàn)得以進(jìn)行。

2)合理估算電路參數(shù)。電路參數(shù)對(duì)于試驗(yàn)方案的確定至關(guān)重要。線路電容量的計(jì)算，電感量的計(jì)算，哪些參數(shù)可以忽略、哪些參數(shù)不能忽略，這對(duì)于品質(zhì)因數(shù)、頻率的計(jì)算起著決定作用。合理估算電路參數(shù)能夠使試驗(yàn)方案更接近實(shí)際，保證試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行。

3)電抗器散熱問題。這是此次試驗(yàn)面臨的一個(gè)重要問題。由于試驗(yàn)電抗器額定電流量為7 A，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，流過電抗器的電流為5 A左右，使得電抗器發(fā)熱嚴(yán)重，需要足夠的冷卻時(shí)間，這影響了試驗(yàn)進(jìn)度。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著XLPE絕緣電纜的普及，傳統(tǒng)直流耐壓試驗(yàn)已經(jīng)不適合目前電纜耐壓試驗(yàn)的要求，超低頻耐壓試驗(yàn)不能完全反映電纜實(shí)際運(yùn)行情況，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件難以滿足工頻耐壓試驗(yàn)要求。分析了現(xiàn)場(chǎng)電纜交流耐壓試驗(yàn)常用的3種變頻諧振交流試驗(yàn)方法，對(duì)比各自特點(diǎn)并總結(jié)其應(yīng)用領(lǐng)域。指出并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)是用于高電壓、長(zhǎng)距離電纜交流耐壓試驗(yàn)的主要方法，并通過一次現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性以及正確性。同時(shí)指出了該現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)一些值得注意的問題，為高電壓、長(zhǎng)距離電纜試驗(yàn)提供參考。