110 kV 電力電纜現(xiàn)場交流耐壓試驗

史興文

（黃河電力檢修工程有限公司，青海 西寧 810000）

0 引言

高壓電力電纜因其可靠性高、占地少、容量大等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)內(nèi)部供電，它的安全穩(wěn)定運行直接影響著企業(yè)的日常生產(chǎn)。青海某鋁業(yè)公司110 kV 變電站GIS 設(shè)備發(fā)生短路故障，導(dǎo)致其線路引下線電纜B 相發(fā)生擊穿，擊穿部位在電纜桿塔敷設(shè)部分?，F(xiàn)場擬對中間頭、終端頭安裝制作完成后的電纜進(jìn)行試驗，以驗證其完好性和安裝質(zhì)量。交流耐壓試驗的電壓、波形、頻率和被試電纜絕緣內(nèi)電壓分布，一般與實際運行情況相吻合，能有效地發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，是檢驗其絕緣優(yōu)劣最有效的方法。針對該電纜的特點，對采用變頻串聯(lián)諧振系統(tǒng)進(jìn)行交流耐壓試驗的試驗方案、基本原理、試驗系統(tǒng)、參數(shù)估算等進(jìn)行了探索，通過現(xiàn)場試驗進(jìn)行驗證并提出了抗干擾措施及注意事項。

1 試驗方案選擇

2022 年4 月，某企業(yè)110 kV 電纜系統(tǒng)發(fā)生故障，現(xiàn)場對故障電纜引下部分進(jìn)行了拆除、敷設(shè)新電纜并制作電纜終端，在桿塔下方的余纜井內(nèi)進(jìn)行電纜中間頭的制作。其中新電纜長度為80 m，采用遠(yuǎn)東電纜有限公司的ZAYJLW03-64/110-1×1400 型電纜，即A 級阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣縐紋鋁套電力電纜。

不論在理論上還是實踐中，均證明進(jìn)行電壓高的直流耐壓影響此類電纜的使用壽命，如果降低試驗電壓標(biāo)準(zhǔn)又起不到預(yù)防作用。交流耐壓試驗用于高壓電纜的竣工驗收時，其擊穿檢出率高達(dá)9%左右[1]。為了更靈敏有效地查出電力電纜某些局部缺陷，考驗其絕緣承受各種過電壓的能力，對電力電纜進(jìn)行串聯(lián)諧振交流耐壓試驗非常必要[2]。DL/T 596-2021《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中規(guī)定66 kV 及以上擠出絕緣電力電纜線路主絕緣交流耐壓試驗的判據(jù)為：頻率為20～300 Hz 的交流耐壓試驗，試驗時間為60 min，絕緣不擊穿，試驗電壓為GB/T 11017.1-2014《額定電壓110 kV（Um=126 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第1 部分 試驗方法和要求》中規(guī)定：電纜和附件安裝后施加的交流電壓試驗值應(yīng)為128 kV（2U0），持續(xù)時間1 h。作為替代可施加交流電壓64 kV（U0），持續(xù)時間24 h[4]。

因該電纜為已運行的電纜線路，已在線運行6年，現(xiàn)場考慮到其運行年份、環(huán)境條件、擊穿經(jīng)歷以及試驗?zāi)康模?jīng)與設(shè)備管理方、廠家協(xié)商，確定最終的試驗電壓按照1.6U0執(zhí)行，耐壓時間為60 min。110 kV 電力電纜額定電壓U為110 kV，設(shè)備最高電壓Um為126 kV，用于確定試驗電壓的值U0為64 kV，因此最終試驗電壓為102.4 kV。

2 試驗系統(tǒng)與參數(shù)估算

2.1 變頻串聯(lián)諧振試驗系統(tǒng)

在電容、電感及電阻所組成的串聯(lián)電路里，當(dāng)容抗XC與感抗XL相等時，即XC=XL，電路中的電壓U與電流I的相位相同，電路呈現(xiàn)純阻性，這種現(xiàn)象叫作串聯(lián)諧振。如圖1 所示，由R、L、C組成的串聯(lián)電路在交流電源U作用下，其阻抗為：

圖1 由電容、電感及電阻所組成的串聯(lián)電路

串聯(lián)諧振時，電感電壓或電容電壓與電源電壓的比值以字母Q來表示，稱為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)或諧振系數(shù)，即：

因被試設(shè)備為電容性的，若采用試驗變壓器則容量不夠，采用變頻串聯(lián)諧振試驗系統(tǒng)可以解決現(xiàn)場高電壓、大容量的交流耐壓試驗工作。變頻電源目前已經(jīng)非常成熟，其工作原理是從最初小功率的信號源經(jīng)過多次放大后實現(xiàn)大功率輸出，由變頻電源輸出合適的頻率和電壓，經(jīng)勵磁變使被試設(shè)備和電抗器組成的LC 回路諧振產(chǎn)生高壓，在被應(yīng)用到高壓試驗后，大大緩解了現(xiàn)場試驗電源的容量不足問題。該試驗系統(tǒng)的主要特點是：試驗等效性好，輸出即為正弦波，波形失真度小，波形畸變率<3%；體積小、重量輕、搬運靈活、適合現(xiàn)場使用；操作簡潔、接線方便；安全可靠、內(nèi)置多種保護(hù)，包括放電擊穿保護(hù)、過電壓整定保護(hù)、輸出短路保護(hù)、開機(jī)零位保護(hù)、橋臂放大回路保護(hù)、功率曲線保護(hù)等；微機(jī)控制、輸出穩(wěn)定性好，輸出電壓的不穩(wěn)定度<1%；大功率變頻電源采用光纖控制，將高壓和低壓控制回路隔離，確保人身安全。

如圖2 所示,變頻串聯(lián)諧振試驗系統(tǒng)電氣回路主要由變頻電源柜、勵磁變壓器（T）、高壓電抗器（L）、分壓器（Ck）和被試品（Cx）、均壓環(huán)等部分組成。被試品電纜與電抗器采用串聯(lián)諧振連接方式，高壓分壓器與被試品電纜并聯(lián)測量諧振電壓并作高壓保護(hù)信號。

圖2 變頻串聯(lián)諧振試驗系統(tǒng)電氣回路

2.2 試驗設(shè)備

現(xiàn)場采用長沙海沃電力科技有限公司HVFP—450 kW 變頻串聯(lián)諧振裝置，其中高壓電抗器參數(shù)：額定電壓250 kV，額定電流6 A，電感量200±2%H；變頻電源參數(shù)：額定功率450 kW，輸出電壓0～350 V，輸出電流0～1 286 A，頻率范圍20～300 Hz；勵磁變壓器參數(shù)：額定容量450 kV·A，額定輸入2×0.35/0.4/0.45 kV（2×645/562.5/500 A），額定輸出2×5/25/60 kV（2×45/18/7.5 A），工作頻率50～300 Hz。

2.3 勵磁變抽頭的選擇

在變頻串聯(lián)諧振試驗系統(tǒng)中，勵磁變高壓抽頭的選擇至關(guān)重要。從品質(zhì)因數(shù)與諧振曲線的關(guān)系可知，Q越大，頻率選擇性越好、通頻帶越窄。在加壓前一般按照變頻串聯(lián)諧振加壓系統(tǒng)回路Q值為30（最低值），結(jié)合試驗電壓值來選取勵磁變高壓抽頭。根據(jù)變頻柜的工作性能參數(shù)，要求其輸出電壓在200～350 V 為較好，300～350 V 為最佳。勵磁變高壓抽頭不能選取太高，也不能選取太低，如果抽頭選取電壓太低諧振電壓將無法滿足試驗電壓要求值，如果抽頭選取選電壓太高諧振電壓雖然滿足試驗電壓要求值，但變頻柜不能工作在其最佳工作狀態(tài)或者是接近其最佳工作狀態(tài)。換而言之如果選取太高，會出現(xiàn)變頻電源輸出電壓低于200 V 時，一次電壓已經(jīng)滿足試驗要求值，此時變頻柜中的功率板會出現(xiàn)較為明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，從而導(dǎo)致變頻電源柜不能長時間工作運行。

現(xiàn)場試驗時，先按照之前假定的Q值選取相應(yīng)的勵磁變高壓抽頭，初步選定勵磁變高壓抽頭。如果變頻電源的輸出電壓達(dá)到或接近300～350 V 時一次電壓未達(dá)到試驗要求值，則表明試驗回路的Q值較低，此時應(yīng)改選勵磁變高壓抽頭，選取的抽頭應(yīng)比事先確定的抽頭電壓級要高（即提高勵磁變的變比K），此時還可結(jié)合改變勵磁變低壓側(cè)抽頭來實現(xiàn)，直到變頻柜輸出電壓控制在300～350 V，一次電壓滿足試驗要求值時為合適抽頭；如果變頻柜的輸出電壓在0～200 V，此時一次電壓已經(jīng)達(dá)到試驗要求值，則表明回路的Q值很大，則應(yīng)改選較低的高壓抽頭（即降低勵磁變壓器的變比K）。

2.4 試驗參數(shù)估算

對于110 kV 的高壓電纜交接試驗，勵磁變輸出電壓至少要達(dá)到1.8 kV[5]。為提前確?，F(xiàn)場試驗電源的容量，確保試驗過程中電源的可靠穩(wěn)定，需提前對試驗參數(shù)進(jìn)行估算。被試品110 kV 交聯(lián)聚乙烯電纜的導(dǎo)體截面積為1×1 400 mm2，電容量為0.253 μF/km（廠家提供新電纜參數(shù)，作為參考），電纜長度為280 m，因此其電容量：

C=0.28×0.253=0.070 84 μF （4）

根據(jù)串聯(lián)諧振條件計算諧振頻率，見式（4）；高壓一次電流，見式（5）；勵磁變比（高壓抽頭假定選取25 kV/18 A 檔，低壓選取400 V 檔），見式（6）；勵磁變壓器二次側(cè)電流，見式（7）。

故電源容量：

3 現(xiàn)場試驗

3.1 現(xiàn)場試驗

耐壓前采用5 000 V 兆歐表對B 相電纜進(jìn)行絕緣電阻測量，數(shù)值183.6 GΩ?，F(xiàn)場按照試驗方案開始試驗，當(dāng)電壓升高至試驗電壓102.4 kV 左右時，實際頻率為42.1 Hz，變頻柜輸出電流為117 A，與估算數(shù)據(jù)非常接近。設(shè)置倒計時1 h 試驗順利完成，耐壓后絕緣電阻數(shù)值為192.8 GΩ，該電纜交流耐壓試驗合格。對電纜外護(hù)套施加10 kV 的直流電壓未發(fā)生擊穿，外護(hù)套耐壓前后絕緣電阻數(shù)值分別為238 MΩ 和246 MΩ。

3.2 抗干擾措施

試驗所用電源為專用電源，根據(jù)試驗參數(shù)估算的結(jié)果選取合適的電源接至400 V 開關(guān)柜，與其他電源分開；變頻電源柜、勵磁變壓器、高壓電抗器等試驗設(shè)備的接地均接至電纜接地箱上，滿足試驗回路一點接地，無接地環(huán)路；試驗所用接線均為專用的防暈導(dǎo)線，現(xiàn)場盡可能縮短引線長度，在連接頭處使用絕緣膠帶進(jìn)行包扎，減少電暈、提高回路的品質(zhì)因數(shù)。

3.3 注意事項

試驗開始前準(zhǔn)備好安全技術(shù)措施并設(shè)專人監(jiān)護(hù)，防止人員誤入試驗現(xiàn)場。

試驗儀器應(yīng)放置在平整的地面，并確保電抗器底部無金屬，防止形成渦流，影響品質(zhì)因數(shù)；檢查并確保試驗回路牢固可靠，將電纜A、C 兩相導(dǎo)體、金屬屏蔽一起進(jìn)行直接接地；檢查整個試驗系統(tǒng)的高壓絕緣安全距離是否足夠，不應(yīng)小于2 m；在確認(rèn)試驗回路無誤后先不帶被試電纜進(jìn)行空升試驗，設(shè)置好過壓整定數(shù)據(jù)，此時諧振回路由串聯(lián)電抗器和電容分壓器組成；試驗時調(diào)整試驗頻率并觀察高壓側(cè)電壓變化，直到高壓側(cè)出現(xiàn)最大值時，調(diào)整電壓升至試驗值；試驗人員應(yīng)時刻保持警惕，嚴(yán)格控制升壓過程和升壓速度；還應(yīng)隨時觀測高壓一次回路的電流值，確保其值不超過高壓電抗器和勵磁變高壓線圈的額定電流值；使用專用的防暈導(dǎo)線連接到被試品，并盡量縮短引線長度，提高回路的品質(zhì)因數(shù)。

試驗結(jié)束后試驗人員嚴(yán)格按照停電、驗電、懸掛臨時接地線的步驟將被試電纜接地，確保人身安全。

4 結(jié)論

通過利用串聯(lián)諧振系統(tǒng)順利完成了某變電站110 kV 電力電纜的現(xiàn)場交流耐壓試驗，確保了新（舊）電纜質(zhì)量、敷設(shè)及電纜頭制作工藝質(zhì)量合格，保證了該變電站按計劃順利恢復(fù)投運，證明了此種試驗方法的可靠，也為今后開展更多類似的試驗提供了參考。