中壓開關(guān)設(shè)備電纜試驗回路的絕緣試驗方法分析

劉 蕾，李華良，謝瑞濤

（1.西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司，西安710077；2.中國啟源工程設(shè)計研究院有限公司，西安710018）

0 引言

近年來，電力電纜因具有可靠性高、節(jié)省線路走廊、受外界環(huán)境影響小、傳輸性能穩(wěn)定等優(yōu)點在城市配電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛[1-2]。城市電纜一般敷設(shè)于地下或電纜井道內(nèi)，電纜發(fā)生故障或絕緣擊穿后維修成本高，因此，為提高供電可靠性，掌握電纜的運(yùn)行狀態(tài)，定期對電纜進(jìn)行預(yù)防性試驗十分必要。然而將電纜從開關(guān)設(shè)備上斷開十分困難，且程序復(fù)雜。將電纜連接在開關(guān)設(shè)備上對其進(jìn)行絕緣試驗，開關(guān)設(shè)備將承受電纜試驗時電應(yīng)力的作用，這在開關(guān)設(shè)備設(shè)計時并未考慮。

電纜的絕緣試驗可采用超低頻、工頻或直流耐壓方法，一些試驗參數(shù)比開關(guān)設(shè)備的額定絕緣水平高。考慮到用戶供電連續(xù)性的要求，開關(guān)設(shè)備的部分進(jìn)/出線無法從高壓回路斷開，開關(guān)設(shè)備將承受電纜試驗時系統(tǒng)對地電壓作用；而開關(guān)設(shè)備斷口，將承受聯(lián)合電應(yīng)力的作用，斷口兩端的電壓可能接近或超過其額定工頻試驗電壓，存在擊穿風(fēng)險。

GB/T 3906—2020《3.6 kV~40.5 kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》將電纜試驗回路的絕緣試驗列為適用時強(qiáng)制的型式試驗，給出了對應(yīng)的額定工頻電纜試驗電壓Uct（a.c.）以及額定直流電纜試驗電壓Uct（d.c.）的定義和相應(yīng)試驗方法。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，開關(guān)設(shè)備可以設(shè)計成當(dāng)電纜與開關(guān)設(shè)備連接時允許進(jìn)行電纜試驗，通過專門的試驗連接或電纜終端來實施，此時開關(guān)設(shè)備應(yīng)能同時承受施加在電纜連接部件的額定電纜試驗電壓和電纜試驗期間主回路元件正常承受的額定電壓的聯(lián)合作用[3]。GB/T 3906—2020還規(guī)定了電纜試驗回路的絕緣性能，要求開關(guān)設(shè)備制造企業(yè)應(yīng)在開關(guān)設(shè)計、制造和出廠試驗時考慮上述工況。本文分析了開關(guān)設(shè)備配用電纜的試驗工況，提出了符合GB/T 3906—2020要求的電纜絕緣試驗回路，對額定電纜試驗電壓值進(jìn)行了討論，總結(jié)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的推薦試驗值。

1 開關(guān)設(shè)備電纜的絕緣試驗

1.1 試驗回路

圖1 為負(fù)荷開關(guān)配套電纜的絕緣試驗（交流/直流）路，采用高壓整流硅堆和高壓短接線的方式來實現(xiàn)直流和交流的輸出，用工頻試驗變壓器1模擬系統(tǒng)電源電壓，用工頻試驗變壓器2進(jìn)行電纜耐壓試驗。從圖1可以看出，當(dāng)對ab段電纜進(jìn)行耐壓試驗時，負(fù)荷開關(guān)的斷口將同時承受工頻試驗變壓器1側(cè)運(yùn)行電壓和工頻試驗變壓器2側(cè)電纜試驗電壓的聯(lián)合作用。

圖1 電纜的絕緣試驗回路

GB/T 3906—2020規(guī)定，Uct（a.c.）和Uct（d.c.）分別為與開關(guān)設(shè)備（可能處于運(yùn)行狀態(tài)）連接的電纜上可以施加的額定交流和直流試驗電壓。對于Uct（a.c.），試驗持續(xù)時間為1 min；對于Uct（d.c.），試驗持續(xù)時間為15 min。按照最嚴(yán)格的情況，對于兩個同頻率的、極性相反（相位差180°）的交流試驗電壓，開關(guān)設(shè)備斷口所承受的電壓為Ust（a.c.）系統(tǒng)交流運(yùn)行電壓之差。試驗期間，若電纜試驗連接部分和母線之間有分隔，則可以忽略母線側(cè)的試驗電壓，僅需單獨給試驗電纜施加電壓。

1.2 試驗參數(shù)不確定原因

圖2 為電纜試驗時開關(guān)設(shè)備母線側(cè)、電纜和開關(guān)斷口兩側(cè)的電壓波形，其中，Ust（a.c.）和Ust（d.c.）分別為電纜交流和直流耐壓試驗時開關(guān)斷口上承受的聯(lián)合電壓，其值由系統(tǒng)運(yùn)行電壓和電纜試驗電壓共同確定。然而，GB/T 3906—2020并未給出Ust（a.c.）和Ust（d.c.）的具體值，僅說明如果開關(guān)設(shè)備的設(shè)計允許電纜和開關(guān)設(shè)備連接時進(jìn)行電纜的絕緣試驗，制造廠應(yīng)該規(guī)定一個或者多個額定試驗電壓，給實際試驗帶來了一定困難，但制造廠往往無法給出電纜額定試驗電壓Uct（a.c.）和Uct（d.c.）的值，原因有以下幾點。

（1）中壓開關(guān)設(shè)備的進(jìn)出線電纜通常由電纜制造廠提供，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4-6]進(jìn)行交貨驗收，能否直接引用其安裝后的電氣試驗電壓還需要論證。

（2）中壓開關(guān)設(shè)備投運(yùn)后，配套電纜的預(yù)防性試驗由用戶負(fù)責(zé)進(jìn)行，其試驗值通常依據(jù)電力部門的預(yù)防性試驗規(guī)程，而這類規(guī)程數(shù)量多而且不夠嚴(yán)謹(jǐn)。建議用戶在調(diào)研后確定是否需要根據(jù)規(guī)程規(guī)定的程序進(jìn)行耐壓試驗，同時還應(yīng)按照電纜以及電纜試驗設(shè)備的實際情況，盡可能給出對應(yīng)電纜試驗電壓的推薦值。

（3）要求開關(guān)設(shè)備集成電纜試驗功能是GB/T 3906—2020的新要求，Uct（a.c.）和Uct（d.c.）需根據(jù)實際運(yùn)行工況（電壓值、電壓類型、預(yù)防性試驗周期等）綜合考慮。試驗電壓值太高會導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備制造成本增加；反之，則無法反映實際運(yùn)行維護(hù)工況。

2 額定電纜試驗電壓

2.1 電纜試驗工況

為了確定額定電纜試驗電壓，首先需明確電纜的修復(fù)性維護(hù)試驗、預(yù)防性試驗、交接驗收試驗及安裝后電氣試驗工況。修復(fù)性維護(hù)試驗是指當(dāng)電纜發(fā)生故障后，采用試驗方法確定故障點位置（低壓脈沖反射和脈沖電流測試），這類方法的試驗電壓遠(yuǎn)低于電纜運(yùn)行電壓。因此，額定電纜試驗電壓可不考慮電纜的修復(fù)性維護(hù)試驗。電纜的預(yù)防性試驗是指為了評估電纜、中間接頭以及相關(guān)配件的狀態(tài)，防止絕緣缺陷和潛在故障點演化為實際故障之前對其進(jìn)行的周期性檢查試驗，國家電網(wǎng)公司有電纜的預(yù)防性試驗規(guī)程可供參考[7]。電纜的交接驗收試驗是指對現(xiàn)場安裝的電纜進(jìn)行的驗收性試驗，主要目的是評價電纜的安裝是否符合規(guī)定要求、是否可以通電運(yùn)行。交接驗收試驗一般按GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》或GB/T 12706—2020進(jìn)行。安裝后電氣試驗用以證明安裝后的電纜及其附件完好。表1給出3.6~40.5 kV橡塑絕緣電纜的試驗要求，由于在用電纜中充油絕緣電纜和紙絕緣電纜應(yīng)用較少，因此未列出[4-8]。從表1可以看出，電纜安裝后的電氣試驗、預(yù)防性試驗以及交接驗收試驗要求的試驗電壓較高，額定電纜試驗電壓應(yīng)當(dāng)考慮這類試驗的要求。

表1 3.6~40.5 kV橡塑絕緣電纜的試驗要求

2.2 實例分析

以10 kV電纜為例，按照GB 50150—2016進(jìn)行電纜交流耐壓試驗時，電纜上的交流電壓為12 kV，母線上系統(tǒng)對地電壓為5.77 kV。當(dāng)母線側(cè)和電纜側(cè)交流電壓相位相差180°時，開關(guān)斷口兩端承受的電壓為17.77 kV，如圖2（b）所示。而按DL/T 596—2005《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》進(jìn)行電纜直流耐壓預(yù)防性試驗時，電纜上的直流電壓為25 kV，母線上系統(tǒng)對地電壓為5.77 kV。當(dāng)母線側(cè)電壓峰值和電纜側(cè)直流電壓極性相反時，開關(guān)斷口兩端承受的電壓為30.77 kV，如圖2（c）所示。斷口兩端的電壓均未超過12 kV開關(guān)設(shè)備斷口工頻耐受電壓（開關(guān)斷口工頻耐受電壓為42 kV，隔離斷口工頻耐受電壓為48 kV）[9]。然而，開關(guān)設(shè)備斷口工頻耐受電壓試驗規(guī)定的持續(xù)時間為1 min，而電纜耐壓試驗持續(xù)時間為5/15/60 min，24 h。根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》4.1.4規(guī)定，對于非有效接地系統(tǒng)工頻過電壓不應(yīng)大于1.1Um[10]。電纜側(cè)交流耐壓值沒有超過此過電壓值，開關(guān)設(shè)備的絕緣水平能夠承受。

3 電纜常規(guī)試驗方法比較

電纜的耐壓試驗及缺陷檢測方法目前主要有交流（AC）電壓法、直流（DC）電壓法、超低頻（Very Low Frequency，VLF）電壓法和衰減振蕩（Oscillating Waveform，OSC）電壓法，不同方法性能比較見表2。

表2 電纜試驗方法性能比較

電纜采用直流電壓試驗是為了降低電容性試驗電流，進(jìn)而減少試驗設(shè)備的容量，但電纜的直流耐壓試驗持續(xù)時間較長，且其試驗電壓超過了系統(tǒng)規(guī)定的過電壓水平，可能導(dǎo)致電纜過早老化、甚至誘發(fā)電纜絕緣缺陷。因此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程均不推薦35 kV工頻以上電纜進(jìn)行直流耐壓試驗[11]。

VLF電壓法使用設(shè)備尺寸較小，而且對試驗電源容量要求較低，試驗典型頻率為0.1 Hz。但是，VLF與直流或交流電壓法的等效性尚未得到驗證，在開關(guān)設(shè)備相關(guān)的IEC和國標(biāo)中均未在電纜回路的絕緣試驗中提及VLF電壓法，僅指出直流電壓試驗可能涵蓋VLF電壓法。

OSC電壓法是基于LC阻尼振蕩原理對被測電纜施加近似工頻正弦電壓，即模擬電纜運(yùn)行狀態(tài)。振蕩波測試時，不使用外部高壓電源，每次加壓過程持續(xù)時間約為幾百毫秒，測試結(jié)果為電纜的局放量，屬于電纜無損缺陷檢測方法。OSC電壓法適用于存在較大缺陷的電力電纜，但對電纜的“樹枝化”缺陷靈敏檢測度不足，無法完全替代其他方法。

4 電纜絕緣試驗注意事項

開關(guān)設(shè)備配套電纜的絕緣試驗方法并不復(fù)雜，但需要考慮開關(guān)設(shè)備主回路接線、電纜試驗?zāi)康模ò惭b后驗收、交接驗收、預(yù)防性試驗或缺陷診斷等）、試驗電壓類型、試驗持續(xù)時間及試驗周期等因素。試驗過程需注意以下幾點。

（1）考慮改造或維修等因素，某些配電系統(tǒng)可能包含多種類型的絕緣電纜。對電纜進(jìn)行試驗時，應(yīng)以其薄弱點的絕緣水平作為施加電應(yīng)力的限值。

（2）如果電纜可從開關(guān)設(shè)備上斷開進(jìn)行絕緣試驗，就不需要對開關(guān)設(shè)備斷口提出相應(yīng)的電纜回路絕緣試驗要求。反之，如果電纜的一個或兩個端子仍連接在開關(guān)設(shè)備上，試驗時則應(yīng)建立嚴(yán)格的安全操作規(guī)程，同時對開關(guān)設(shè)備斷口的絕緣水平進(jìn)行評估，以確定合理的試驗電壓值和持續(xù)時間。

（3）由于電纜試驗工況的復(fù)雜性，且各標(biāo)準(zhǔn)之間不統(tǒng)一，GB/T 3906—2020無法給出相應(yīng)的電纜試驗電壓類型、試驗值和試驗持續(xù)時間，這給開關(guān)設(shè)備的選擇帶來了困難。在試驗過程中，考慮預(yù)期的試驗工況之后，用戶可按額定電纜試驗電壓值來選擇開關(guān)設(shè)備，或者在招標(biāo)時指定額定電纜試驗電壓值，表3為10 kV開關(guān)設(shè)備電纜試驗的參數(shù)要求。

表3 10 kV開關(guān)設(shè)備電纜試驗參數(shù)要求

（4）通常電纜的試驗電壓，表示為電纜導(dǎo)體對地或金屬屏蔽之間的額定工頻電壓U0的倍數(shù)，導(dǎo)體間的額定工頻電壓為U，電纜可承受的最高系統(tǒng)電壓為Um，這與GB 311.1—2012《絕緣配合 第1部分定義、原則和規(guī)則》的規(guī)定存在較大差異[12]。此部分容易讓試驗人員混淆，因為開關(guān)設(shè)備的額定電壓Ur通常用相間電壓值表示，且為“設(shè)備最高電壓”而不是其運(yùn)行電壓，在實際試驗時需要特別注意。