于 海，劉 威，李 清

(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學研究院,烏魯木齊 830011；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，烏魯木齊830000)

0 引 言

隨著社會的不斷發(fā)展，城市用電量不斷增大，電力電纜作為電網(wǎng)中重要的一次設備，對保證電力負荷穩(wěn)定安全運行有著重要的作用。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、機械強度高、操作溫度高、耐腐蝕等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛被應用到城市電纜當中[2]。

雖然電力電纜在出廠時要經(jīng)過嚴格的試驗，但是在運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，電力電纜在投運前必須要進行耐壓試驗，以及時發(fā)現(xiàn)電纜絕緣缺陷、保證供電的安全穩(wěn)定[3]。

傳統(tǒng)直流耐壓試驗因為其輕便、容量低、可移動性好等優(yōu)點，曾被廣泛地用于油浸紙絕緣電纜耐壓試驗。但是XLPE絕緣電纜與油浸紙絕緣電纜不同，屬于整體絕緣，絕緣機理在直流場和交流場表現(xiàn)完全不同。直流耐壓試驗應用于XLPE絕緣電纜中時，一方面，不能模擬其運行方式，且會在其內(nèi)部殘存電荷，當電纜正常運行于峰值電壓時，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，會加速絕緣老化，出現(xiàn)直流耐壓正常、投入運行發(fā)生擊穿現(xiàn)象[4]。超低頻交流耐壓試驗(0.1 Hz耐壓試驗)由于設備輕便而便于現(xiàn)場試驗，但是其設備容量較低，而且不能完全反映電纜工頻狀態(tài)下的運行情況，所以不能滿足高電壓等級的電纜耐壓試驗。但有研究表明，該試驗可在低電壓下對XLPE絕緣電纜的絕緣受潮和水樹枝缺陷進行有效監(jiān)測[5]。工頻諧振交流耐壓試驗最能反映電纜實際運行情況，但是高電壓、長距離電纜在進行耐壓試驗時，電纜等效電容會隨著電纜長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一般用于實驗室研究，不適合現(xiàn)場試驗[6]。

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

1 變頻交流耐壓試驗

由于工頻串聯(lián)諧振交流耐壓試驗通過調(diào)節(jié)串聯(lián)回路電抗器容量來達到諧振的目的，對電抗器等設備要求高；而變頻交流耐壓試驗是通過調(diào)節(jié)電源輸出頻率以實現(xiàn)諧振，降低了對電抗器的要求。由GB150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》可知，橡塑電纜優(yōu)先采用20～300 Hz交流耐壓試驗，對于頻率滿足該范圍的交流耐壓試驗都可達到試驗目的，所以變頻交流耐壓試驗是現(xiàn)場電纜耐壓試驗最常用的方法。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、變頻并聯(lián)諧振電纜耐壓試驗以及并聯(lián)補償串聯(lián)諧振電纜耐壓試驗[7-9]。

1.1 變頻串聯(lián)諧振交流耐壓試驗

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，通過勵磁變壓器升壓達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，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，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)諧振具有補償電壓的作用。當電路發(fā)生諧振時，試品兩端會產(chǎn)生高于勵磁變壓器兩端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合。

1.2 變頻并聯(lián)諧振交流耐壓試驗

圖2為變頻并諧振聯(lián)交流耐壓試驗原理圖。其中:T為勵磁變壓器，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。此時主回路電流幾乎為0，電容器與電抗器之間實現(xiàn)能量的交換。該種試驗電路可用于試品電容量大、電壓不高的場合，并且該方案降低了對變壓器功率的要求。

圖2 變頻并聯(lián)諧振耐壓試驗原理圖

1.3 變頻并聯(lián)補償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗

圖3為變頻并聯(lián)補償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗原理圖。圖中，T為勵磁變壓器，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)補償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗原理圖

變頻并聯(lián)補償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗利用了串聯(lián)諧振對電壓補償作用以及并聯(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

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)場檢測技術。振蕩波電壓系統(tǒng)由于其體積小、重量輕、易操作、易實現(xiàn)等優(yōu)點更易于應用于現(xiàn)場。同時有研究表明，振蕩波電壓與交流電壓具有良好的等效性，被認為是具有前景的電纜檢測手段。

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：一種是直接對電纜進行充電，然后與回路中的電感發(fā)生振蕩，此種方法以下簡稱“直充法”；另一種是通過直流電源對大電容充電，然后通過大電容對電纜以及串聯(lián)電感發(fā)電發(fā)生振蕩，此種方法以下簡稱“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，試品電容兩端會產(chǎn)生一個過電壓，超過額定電壓，并且過電壓幅值難以預測，所以實際應用主要以直充法為主。

振蕩波電壓法目前國內(nèi)并無相關標準，而且直充法是否會在電纜中殘存電荷，從而造成電纜損壞并無報道，該方法多用于電纜局放檢測。

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

2 實際應用

對烏魯木齊一變電站110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜進行交流耐壓驗收工作，電纜總長度約為7.23 km。

實驗設備主要由變頻諧振電源、勵磁變壓器、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；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)諧振計算式

可知，當Uo與C已知時，ω越小，電流越小。由于電源諧振頻率范圍為30～300 Hz，所以當fmin=ω/2π=30 Hz時，電路電流最小，由此算出線路最小電流為17.82 A，遠超于電抗器額定電流。所以串聯(lián)諧振電路難以滿足實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)諧振相關計算式Us=Uo可知，Uo=60 kV(變壓器輸出電壓)，此時線路電壓不滿足試驗電壓需求。

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

圖7 試驗原理圖

為了滿足主回路以及并聯(lián)諧振電路電抗器電流要求，實驗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)補償串聯(lián)諧振電路計算式

可以計算得出，該試驗諧振頻率為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)補償串聯(lián)諧振現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)Table 1 Test data on site

試驗數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)基本相差不大，證明該方案確實可行。

對于高電壓、長距離電纜耐壓試驗，由于線路等效電容量大，依靠變頻串聯(lián)諧振試驗方案，則需要電流量極大的電抗器，這在現(xiàn)場試驗中很難實現(xiàn)。變頻并聯(lián)補償串聯(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、長距離電纜耐壓試驗的可選方案。

通過這次試驗，對于高電壓、長距離電纜耐壓試驗仍有一些值得注意的問題。

1)合理配置設備，選擇合適的試驗方案。由于試驗設備容量的限制，選擇常用的變頻串聯(lián)諧振方案不能滿足試驗要求，所以根據(jù)現(xiàn)有設備，重新設計試驗方案，選擇并聯(lián)補償串聯(lián)諧振方案，有效解決了設備參數(shù)問題，使試驗得以進行。

2)合理估算電路參數(shù)。電路參數(shù)對于試驗方案的確定至關重要。線路電容量的計算，電感量的計算，哪些參數(shù)可以忽略、哪些參數(shù)不能忽略，這對于品質(zhì)因數(shù)、頻率的計算起著決定作用。合理估算電路參數(shù)能夠使試驗方案更接近實際，保證試驗能夠順利進行。

3)電抗器散熱問題。這是此次試驗面臨的一個重要問題。由于試驗電抗器額定電流量為7 A，實際試驗時，流過電抗器的電流為5 A左右，使得電抗器發(fā)熱嚴重，需要足夠的冷卻時間，這影響了試驗進度。

3 結(jié) 語

隨著XLPE絕緣電纜的普及，傳統(tǒng)直流耐壓試驗已經(jīng)不適合目前電纜耐壓試驗的要求，超低頻耐壓試驗不能完全反映電纜實際運行情況，現(xiàn)場試驗條件難以滿足工頻耐壓試驗要求。分析了現(xiàn)場電纜交流耐壓試驗常用的3種變頻諧振交流試驗方法，對比各自特點并總結(jié)其應用領域。指出并聯(lián)補償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗是用于高電壓、長距離電纜交流耐壓試驗的主要方法，并通過一次現(xiàn)場交流耐壓試驗驗證了該方法的可行性以及正確性。同時指出了該現(xiàn)場試驗一些值得注意的問題，為高電壓、長距離電纜試驗提供參考。