賈 晨,陳 博,王 迪,楊寶偉

(1.國網(wǎng)長春供電公司,長春 130041;2.國網(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,XLPE絕緣電纜彎曲半徑小,比其他同類電纜質(zhì)量輕,終端處理較為簡單,不含油且對敷設環(huán)境要求較低,因而特別適用于城網(wǎng)中較為復雜的線路。XLPE絕緣電纜的抗老化特性及超強的耐熱變形性能決定了其在正常運行溫度(90℃)、短時故障(130℃)及短路(250℃)條件下可允許大電流通過。

以往XLPE絕緣電纜投運前的試驗,由于試驗設備和被試設備容量較大等原因,一些試驗單位現(xiàn)場仍沿用直流耐壓試驗方法。近年來國內(nèi)眾多研究結(jié)果表明,采用直流耐壓試驗方法對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替代原來的直流耐壓試驗,但目前城網(wǎng)中新舊電纜相結(jié)合較多,因此現(xiàn)場試驗方法以及試驗電壓等級和時間的確定十分重要。

1 直流耐壓試驗存在的問題

1.1 電纜絕緣的電場分布

直流電壓下電纜絕緣的電場分布取決于材料的體積電阻率,而交流電壓下的電場分布取決于各介質(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強度的分布和交流電場強度的分布完全不同,交、直流電壓下絕緣老化的機理也不盡相同。

1.2 直流電壓下產(chǎn)生記憶效應的問題

XLPE絕緣電纜在直流電壓下會產(chǎn)生“記憶”效應,存儲積累單極性殘余電荷。一旦產(chǎn)生“記憶”,需要很長時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遠超過其額定電壓,從而有可能導致電纜絕緣擊穿。同時,直流耐壓試驗時,會有電子注入到聚合物介質(zhì)內(nèi)部,形成空間電荷,使該處電場強度降低,從而難于發(fā)生擊穿。XLPE絕緣電纜的半導體凸出處和污穢點等處容易產(chǎn)生空間電荷。但如果在試驗時電纜終端頭發(fā)生表面閃絡或電纜附件擊穿,電纜芯線上將產(chǎn)生波振蕩,在已積聚空間電荷的地點,由于振蕩電壓極性迅速改為異極性,使該處電場強度顯著增大,可能損壞絕緣并造成多點擊穿。

1.3 水樹枝加速絕緣老化

XLPE絕緣電纜在潮濕運行環(huán)境下易產(chǎn)生水樹枝,一旦產(chǎn)生水樹枝,在直流電壓下會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌渲Σ⑿纬煞烹?從而加速絕緣劣化,有可能導致在工頻電壓作用下形成擊穿,而單純的水樹枝在交流工作電壓下還能保持相當?shù)哪蛪褐?并能保持一段時間。

2 交流耐壓試驗

2.1 超低頻 0.1Hz耐壓試驗

因被試交聯(lián)電纜的電容量很大,工頻試驗時所需試驗變壓器的容量也要很大,導致試驗設備笨重而不適用于現(xiàn)場使用。采用0.1 Hz作為試驗電源,理論上可以將試驗變壓器的容量降低到1/500,試驗變壓器的質(zhì)量可大大降低,可以較容易地移動到現(xiàn)場進行試驗。目前,此種方法主要應用于中低壓電纜的試驗,由于電壓等級偏低,還不能用于 110 kV及以上的高壓電纜試驗。

2.2 諧振耐壓試驗

可調(diào)電感型諧振試驗系統(tǒng)可以滿足耐壓要求,但由于設備質(zhì)量較大而主要用于試驗室。而變頻諧振試驗方法不但能滿足高壓交聯(lián)電纜的耐壓要求,而且質(zhì)量小,適宜現(xiàn)場試驗。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行工況下相同的場強,并已被證明為最有效方法。

2.2.1 串聯(lián)諧振耐壓試驗

串聯(lián)諧振耐壓試驗是利用電抗器的電感與被試品電容實現(xiàn)串聯(lián)諧振,已經(jīng)成為當前高電壓試驗的新的方向和潮流,在國內(nèi)外得到了廣泛應用。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,通過調(diào)節(jié)電感量,使回路處于工頻諧振狀態(tài)。其缺點是噪音大、機械結(jié)構(gòu)復雜,設備笨重,搬運困難。而調(diào)頻式采用固定電感電抗器,通過調(diào)節(jié)激勵電源的頻率使其與試驗回路的固有頻率相同,串聯(lián)回路達到諧振狀態(tài),從而在被試品上產(chǎn)生高電壓或大電流。其特點是試驗設備體積小、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、高壓試驗回路電容。

也就是在被試品得到的容量為試驗電源容量的Q倍。換言之,小容量的試驗變壓器可以對大容量的試品進行耐壓試驗。實際試驗回路中的Q值一般可以達到 20～70,激勵電壓僅為試驗品諧振電壓的1/Q,激勵功率亦為諧振功率的1/Q。

2.2.2 并聯(lián)諧振耐壓試驗

一般情況下,試驗變壓器容量不足(滿足試驗電壓,達不到試驗電流),可以采用并聯(lián)諧振加以補償。并聯(lián)諧振等值回路如圖2所示。并聯(lián)回路的2個支路感抗XL和容抗XC,當XL=XC時回路產(chǎn)生諧振。此時,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,同時將有1個幅值遠大于電源電流,且波形接近于正弦波的電壓加在試品上。諧振條件和試驗電壓的穩(wěn)定性取決于電源頻率和試驗回路特性的穩(wěn)定性。當試品放電時,電源輸出的電流較小,從而避免了對試品絕緣的損壞。

圖2 并聯(lián)諧振等值回路

2.2.3 串、并聯(lián)諧振耐壓試驗

當試驗變壓器的額定電壓、額定電流均不能滿足試驗要求時,可同時運用串并聯(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,同時將有1個幅值遠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)計算

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

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

c.諧振回路高壓電流 IH=2 πfCUC/1 000。

e.估算所需勵磁變輸出電壓:UO≥UC/Q。

3 變頻諧振法的實際應用

以220 kV正陽甲、乙線 XLPE絕緣電纜交流耐壓試驗為例,電纜型號為YJLW03-127/220kV-1×1 200 mm2,長度 2.2 km。交流耐壓試驗設備技術(shù)參數(shù)見表1。依據(jù)DB22/T 002— 2007《交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜交接及預防性試驗》標準,試驗電壓1.7 U0為 216 kV,時間為 60 min。

按照電纜截面 1 200 mm2(0.176μF/km)計算電纜總電容量為 387 200 pF,當 4節(jié)電抗器并聯(lián)使用時按圖1接線,電感量 26.539 H,耐壓值216 kV,試驗頻率 f=49.65 Hz,諧振回路高壓電流為26.1 A,勵磁變壓器的低壓側(cè)電流425 A。由于試驗電壓較高,考慮到勵磁變壓器、電抗器、電纜的有功損耗,勵磁變壓器實際電流會達到或接近額定電流,在耐壓時,采用串聯(lián)諧振,并聯(lián)補償?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)。則勵磁變壓器輸出電流17.4 A、輸入電流283.7 A。

上述試驗驗證了采用串聯(lián)諧振時,利用電抗器并聯(lián)補償方法對XLPE絕緣電纜進行交流耐壓實驗的可行性。

電纜的加壓時間為 60 min,利用紅外測溫裝置對電抗器的溫度進行監(jiān)視,用鉗型電流表監(jiān)測變頻電源的輸入電流和輸出電流,以保證試驗裝置安全。試驗引線采用無暈導線(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

Q/GDW 512— 2010《電力電纜線路運行》規(guī)程要求見表2。對于已經(jīng)運行的電纜線路,可采用較低的試驗電壓或較短的試驗時間。充分考慮電纜線路的運行時間、環(huán)境條件、擊穿歷史和試驗目的,最終確定試驗的電壓和時間。

Q/GDW 168— 2008《輸變電設備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》交流耐壓試驗標準為:220 kV交流耐壓試驗電壓1.36U0,(173 kV),66 kV交流耐壓試驗電壓1.6U0(80 kV),試驗時間 5 min。 DB22/T 002— 2007《交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜交接及預防性試驗》規(guī)程要求見表3。

表1 交流耐壓試驗設備技術(shù)參數(shù)

表2 電力電纜線路運行規(guī)程試驗參數(shù)

表3 XLPE絕緣電力電纜主絕緣交流電壓試驗參數(shù)

考慮有些運行時間較長的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交流耐壓試驗的電壓標準執(zhí)行,耐壓時間5 min,或投運時將其掛網(wǎng)試運行 24 h。通過上述 2種方法對其進行檢驗,以此作為對新舊電纜通過竣工交接試驗的條件。

5 結(jié)束語

利用變頻諧振裝置對XLPE絕緣電纜進行耐壓試驗大大降低了試驗設備的容量,十分適合現(xiàn)場試驗。同時利用變頻諧振裝置使其試驗頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào),試驗電抗器通過串、并聯(lián)組合,串聯(lián)諧振并聯(lián)補償?shù)姆椒蓴U展現(xiàn)有試驗設備能力,實現(xiàn)長距離電纜的交流耐壓試驗。對已運行的老舊電纜與新電纜結(jié)合后的交流耐壓試驗,要根據(jù)老舊電纜的運行情況,采用適當?shù)脑囼炿妷号c耐壓時間。