陶源 深圳市特區(qū)建發(fā)投資發(fā)展有限公司

引言：隨著我國(guó)電網(wǎng)改造力度的不斷加大，XLPE交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜已逐漸替代充油油紙電纜，被廣泛應(yīng)用于輸電及配電線路。作為電力電纜交接試驗(yàn)的重要組成部分，耐壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)電纜絕緣性能的最直接手段。與油紙電纜不同的是，以往應(yīng)用于充油絕緣電纜的直流耐壓試驗(yàn)并不適用于交聯(lián)聚乙烯電纜。國(guó)外一些機(jī)構(gòu)通過(guò)研究認(rèn)為，直流耐壓不能真實(shí)反映電纜的實(shí)際運(yùn)行工況，并且在直流電場(chǎng)作用下，會(huì)促使交聯(lián)聚乙烯絕緣水樹(shù)枝轉(zhuǎn)為電樹(shù)枝，當(dāng)電纜投運(yùn)后，電樹(shù)枝很容易被交流電擊穿。

因此，交流耐壓就成為了更適合交聯(lián)聚乙烯電纜的試驗(yàn)方法。目前常用的交流試驗(yàn)方法如：工頻耐壓、諧振耐壓、0.1Hz超低頻等。由于電力電纜在電氣回路中呈現(xiàn)電容性，根據(jù)不同的應(yīng)用形式，電纜的電壓等級(jí)、長(zhǎng)度、截面也有很大差別，這就對(duì)試驗(yàn)裝置的容量以及適用范圍提出了一定要求，如何準(zhǔn)確、適用地選用交流耐壓方法就成為了電纜交接試驗(yàn)中需要掌握的內(nèi)容。

1.工頻耐壓試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

工頻交流耐壓裝置主要由智能工頻試驗(yàn)臺(tái)、試驗(yàn)變壓器2部分構(gòu)成。如圖1所示，工頻耐壓的原理較為簡(jiǎn)單，其輸出就是利用操作平滑調(diào)節(jié)調(diào)壓器，從而實(shí)現(xiàn)在試驗(yàn)變壓器的高壓側(cè)輸出端生成試驗(yàn)所需要的電壓值。以U0/U=8.7/10kV交聯(lián)聚乙烯電纜為例，其交接試驗(yàn)電壓為2U0既17.4kV。

圖1 ：工頻耐壓試驗(yàn)接線圖

1.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB50150 2016《電氣裝置安裝工程 電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，工頻耐壓試驗(yàn)與變頻20～300Hz耐壓標(biāo)準(zhǔn)相同，見(jiàn)表1：

表1：橡塑電纜20Hz-300Hz 交流耐壓試驗(yàn)電壓和時(shí)間

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

1）工頻50Hz試驗(yàn)條件下，完全符合電纜實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況環(huán)境，所以也是檢驗(yàn)交流電纜最直接有效的方法。

2）從理論上講，工頻耐壓試驗(yàn)不但能檢驗(yàn)電纜的泄漏特性、耐壓性，還能反映由于局部電介質(zhì)損耗引起的絕緣材質(zhì)局部耐壓特性。

3）試驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，方法成熟，儀器數(shù)量少，連線操作方法簡(jiǎn)易。

但工頻耐壓可試驗(yàn)的電容值是有限的。以YJV22-8.7/10kV-300mm2電纜為例，其1km長(zhǎng)度電纜電容量為0.370uF，若對(duì)1km電纜進(jìn)行工頻試壓，試驗(yàn)設(shè)備的容量P=ωCU2，既：

式中：U——試驗(yàn)電壓值

C——電纜電容值

經(jīng)計(jì)算可知，試驗(yàn)裝置的容量應(yīng)≥35kVA，當(dāng)電纜長(zhǎng)度達(dá)到3km時(shí)，試驗(yàn)裝置容量則超過(guò)100kVA，參考國(guó)內(nèi)武高電力廠生產(chǎn)的WDYD型工頻試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)，僅試驗(yàn)變壓器重量就超過(guò)290kg，如此笨重的設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)便十分困難，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的工作效率同樣造成一定影響。

2.超低頻0.1Hz耐壓試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

超低頻0.1Hz耐壓試驗(yàn)裝置的組成與工頻耐壓類(lèi)似，但體積僅為工頻耐壓設(shè)備的1/10～1/100。其試驗(yàn)原理是利用超低頻產(chǎn)生的正弦波電流進(jìn)行充電。在達(dá)到試驗(yàn)需要的時(shí)間后，對(duì)試品充電至高電壓。超低頻正弦波同時(shí)也消除了一些其他不利諧波的產(chǎn)生，例如高頻諧波，而該類(lèi)諧波會(huì)對(duì)電纜試品產(chǎn)生諸如駐波及其它一些有害的電壓突變。實(shí)踐證明，超低頻0.1Hz耐壓對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣產(chǎn)生的擊穿電壓與工頻所得到的電壓值是基本相同。

2.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB50150 2016《電氣裝置安裝工程 電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》以及歐盟試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，超低頻0.1Hz試驗(yàn)電壓為3U0，耐壓時(shí)間為15min。

2.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

1）超低頻0.1Hz耐壓試驗(yàn)設(shè)備體積重量小巧，理論上試驗(yàn)變壓器容量是工頻裝置的1／500，其體積同樣也小于串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置，在現(xiàn)場(chǎng)具有搬運(yùn)靈活的特點(diǎn)。

2）超低頻耐壓能促使水樹(shù)枝轉(zhuǎn)化為電樹(shù)枝，因此很容易發(fā)現(xiàn)交聯(lián)電纜的水樹(shù)枝缺陷。

3）適用的試品電容范圍一般為0-6uF，基本可以滿足大部分長(zhǎng)度、截面的電纜試驗(yàn)。

雖然超低頻能檢驗(yàn)絕緣水樹(shù)枝缺陷，但也容易引起交聯(lián)電纜受水樹(shù)枝影響后，進(jìn)而加速絕緣老化，減少電纜的使用壽命的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)超低頻0.1Hz耐壓試驗(yàn)的輸出電壓還有一定限制，所以該方法在110KV及以上電壓等級(jí)的電纜中應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)很少，現(xiàn)今還缺乏依據(jù)證明其檢驗(yàn)效果與工頻耐壓等效，所以只能應(yīng)用于35kV及以下電纜試驗(yàn)。

3.諧振耐壓試驗(yàn)

諧振耐壓裝置按照試驗(yàn)過(guò)程中電路元件變化的種類(lèi)，可分為變感式(L)、變?nèi)菔?C)、變頻式(f)。現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50150 2016《電氣裝置安裝工程 電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》明確提出，由于變頻串聯(lián)諧振電壓試驗(yàn)具有設(shè)備輕便、要求的試驗(yàn)電源容量不大、對(duì)試品的損傷小等優(yōu)點(diǎn)，因此，除制造廠另有規(guī)定外，建議優(yōu)先采用變頻串聯(lián)諧振的方式。并要求橡塑電纜應(yīng)優(yōu)先采用20Hz～300Hz交流耐壓試驗(yàn)。所以本文以變頻20Hz～300Hz串聯(lián)諧振試驗(yàn)為代表進(jìn)行探討。

3.1 試驗(yàn)原理

變頻串聯(lián)諧振裝置主要由勵(lì)磁變壓器、電抗器、電容分壓器、變頻電源控制平臺(tái)組成。其主要是通過(guò)串聯(lián)方式，將電感（電抗器）、電容（電纜）、電壓源三部分組成（如圖2）。通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)電路中的相關(guān)參數(shù)及電源頻率，使整個(gè)回路達(dá)到諧振升壓的目的。當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程發(fā)生諧振時(shí)，此時(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)中的感抗值等于容抗值（ωL=1/ωc）。電路的諧振頻率：，電感（電抗器）產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量與電容（電纜）產(chǎn)生的電場(chǎng)能量在此過(guò)程中不斷互相轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生積累疊加效應(yīng)，便生成一個(gè)幅值遠(yuǎn)大于電源Q倍的電壓，且波形接近于正弦波、頻率接近工頻附近的電壓施加于電纜試品上。

圖2 ：變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)接線圖

3.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

變頻20Hz～300Hz串聯(lián)諧振試驗(yàn)與工頻耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相同，見(jiàn)表1。

3.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

1）由于串聯(lián)諧振是利用諧振產(chǎn)生高電壓，在整個(gè)試驗(yàn)電路中，電源僅提供試驗(yàn)電路中的有功消耗部分。因此，試驗(yàn)電源容量只需達(dá)到電纜試品的1/Q便可完成試驗(yàn)。

2）與工頻耐壓設(shè)備相比，串聯(lián)諧振省去了調(diào)壓裝置和大功率工頻試驗(yàn)變壓器，同時(shí)，激磁電源僅為試品容量1/Q倍，使設(shè)備重量和體積都大幅減少。

3）諧振電源是諧振式濾波電路，可以有效改善輸出電壓的波形畸變，防止因諧波峰值對(duì)試品造成擊穿，所以更適合于110kV及以上高壓電纜。

4）當(dāng)電纜發(fā)生擊穿時(shí)，因失去諧振條件，試驗(yàn)電壓相應(yīng)消失，同時(shí)電弧熄滅。電抗器也將限制回路電流的上升，從而保護(hù)串聯(lián)諧振設(shè)備免受過(guò)壓或大電流的沖擊。

5）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50150 2016規(guī)定，對(duì)分相屏蔽的三芯電纜和單芯電纜，可一相或多相同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)三芯電纜分相測(cè)試絕緣電阻后，可三相并聯(lián)同時(shí)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間可縮短2/3。同時(shí)，由于電纜三相并聯(lián)后的總電容C=Ca+Cb+Cc，近似等效于對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了電容補(bǔ)償，更適合長(zhǎng)距離、大截面的電纜試驗(yàn)。

雖然變頻串聯(lián)諧振裝置具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但為了達(dá)到諧振目的，其試驗(yàn)用的電抗器容量依然很大，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件不理想時(shí)，搬運(yùn)設(shè)備也比較困難。并且當(dāng)電纜試品長(zhǎng)度短、截面小，整體電容偏小時(shí)，還需增加電容補(bǔ)償裝置以達(dá)到諧振條件，進(jìn)而增加了試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量。

結(jié)語(yǔ)：通過(guò)上述對(duì)三種交聯(lián)聚乙烯電纜常用交流耐壓方法的探討，可依照交聯(lián)聚乙烯電纜的不同應(yīng)用場(chǎng)合，相應(yīng)選擇合適的試驗(yàn)方法，具體如下：

1）35 kV及以下電纜短距離敷設(shè)，優(yōu)先采用工頻交流耐壓，例如住宅、綜合體等民用建筑地下室配電線路的交接試驗(yàn)；

2）35 kV及以下電纜長(zhǎng)距離敷設(shè)，若采用工頻交流耐壓設(shè)備容量過(guò)大，可考慮選擇超低頻0.1Hz耐壓試驗(yàn)，例如超高層建筑設(shè)有高層變電所時(shí)、以及中壓電網(wǎng)改造等工程；

3）35 kV及以上電纜長(zhǎng)距離敷設(shè)，采用變頻串聯(lián)諧振耐壓進(jìn)行檢驗(yàn)更為合適。當(dāng)三芯電纜采用三相并聯(lián)試壓時(shí)，還可將試驗(yàn)時(shí)間縮短為1/3，例如中高壓電力電網(wǎng)新建、改建等工程。