電力電纜交流耐壓試驗(yàn)的幾種方法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1概述  
隨著我國(guó)的電力事業(yè)的迅速發(fā)展，尤其是在城網(wǎng)改造中，用交聯(lián)聚乙烯電纜(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：“交聯(lián)電纜”)代替架空線路已成為一種趨勢(shì)，高電壓的電力交聯(lián)電纜使用的數(shù)量越來(lái)越多。為了檢驗(yàn)和保證交聯(lián)電纜的安裝質(zhì)量，在送電投運(yùn)前，對(duì)交聯(lián)電纜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)十分必要。過(guò)去由于受試驗(yàn)設(shè)備的限制，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)交聯(lián)電纜進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)比較困難，一般采用直流耐壓試驗(yàn)來(lái)代替。存在兩個(gè)缺點(diǎn)：  
1)直流電壓對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣，有積累效應(yīng)，即“記憶性”。一旦電纜有了由于直流試驗(yàn)而引起的“記憶性”，它就需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)釋放盡殘留在電纜中直流電荷。而當(dāng)該電纜投入運(yùn)行時(shí)，直流電荷便會(huì)疊加在交流電壓峰值上，產(chǎn)生“和電壓”，遠(yuǎn)超過(guò)電纜的額定電壓，使絕緣加速老化，縮短使用壽命。  
2)直流電壓分布與實(shí)際運(yùn)行的交流電壓不同，直流電場(chǎng)分布受電阻率影響，而交流下電場(chǎng)分布與電阻率和介電系數(shù)都有關(guān)。因此直流耐壓試驗(yàn)并不能象交流耐壓一樣可以準(zhǔn)確地反映電纜的機(jī)械損傷等明顯缺陷，直流試驗(yàn)合格的電纜，投入運(yùn)行后，在正常工作電壓作用下，也會(huì)發(fā)生絕緣故障。由此可見(jiàn)，對(duì)于交聯(lián)電纜采用傳統(tǒng)的直流耐壓試驗(yàn)是不可取的，應(yīng)予淘汰。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家都建議現(xiàn)場(chǎng)對(duì)交聯(lián)電纜進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)來(lái)代替直流電壓試驗(yàn)。由于電力電纜對(duì)地電容量很大，在現(xiàn)場(chǎng)采用50Hz工頻進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)條件難以具備，但采用調(diào)頻電源進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，條件是基本具備的。根據(jù)GB11017-89[1]及IEC840，現(xiàn)場(chǎng)絕緣耐壓試驗(yàn)中使用的交流電壓頻率，可采用30—300Hz。  
2交流耐壓試驗(yàn)的幾種方法  
2·1串聯(lián)諧振  
如果被試品的試驗(yàn)電壓較高，而電容量較小，一般可采用串聯(lián)諧振方法。  
當(dāng)試驗(yàn)回路中ω0L=1ω0C(C包括CX、C1、C2)時(shí)，試驗(yàn)回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，此時(shí)能在試品上產(chǎn)生較高的試驗(yàn)電壓(試驗(yàn)電壓高低與回路品質(zhì)因數(shù)有關(guān))，如果電容C較大，試驗(yàn)回路電流也較大，通過(guò)電抗器的電流也較大，這時(shí)試驗(yàn)設(shè)備一般難以滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要；通常該試驗(yàn)接線僅適用于被試品電容量較小而試驗(yàn)電壓較高，試驗(yàn)變壓器能滿足試驗(yàn)容量要求而不能滿足試驗(yàn)電壓要求的情況。  
對(duì)于電力電纜來(lái)說(shuō)，被試設(shè)備的電容量C是固定的，要使試驗(yàn)回路產(chǎn)生諧振就要改變?cè)囼?yàn)回路的電感L或頻率ω，即：ω0=1LC或L=1ω02C。  
采用改變電感的方法來(lái)滿足串聯(lián)諧振需采用可調(diào)電抗器，但限于運(yùn)輸和在現(xiàn)場(chǎng)搬動(dòng)，電抗器的體積和重量不能做得很大，因此可調(diào)電抗器的調(diào)節(jié)范圍是有限的。所以在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)采用調(diào)感的方法往往由于電抗器的范圍有限而不能滿足試驗(yàn)要求。  
另一種方法是采用調(diào)頻的方法，即當(dāng)電抗器和電容固定時(shí)通過(guò)改變?cè)囼?yàn)電源頻率來(lái)使ω0L=1ω0C來(lái)達(dá)到所需的電壓，但這時(shí)需要一套調(diào)頻電源裝置。  
2·2并聯(lián)諧振  
如果被試品的試驗(yàn)電壓較低而試品容量較大時(shí)，一般可采用并聯(lián)諧振方法。  
當(dāng)試驗(yàn)回路中ω0L=1ω0C(C包括CX、C1、C2)時(shí)，試驗(yàn)回路產(chǎn)生并聯(lián)諧振，此時(shí)試品電壓等于電抗器電壓也等于升壓變壓器高壓側(cè)電壓。由于電抗器的補(bǔ)償作用，變壓器理論上僅提供回路阻性電流，可以大大降低對(duì)試驗(yàn)變壓器的容量要求。因此該試驗(yàn)回路適用于試品電容量大，而電壓較低的情況。低電壓的電抗器一般容易制作，試驗(yàn)時(shí)可采用幾個(gè)低電壓電抗器并聯(lián)的方法或利用可調(diào)電抗器改變電感的方法來(lái)滿足并聯(lián)諧振要求。如果有一套調(diào)頻電源裝置的話，也可采用改變?cè)囼?yàn)電源頻率的方法，使回路滿足試驗(yàn)要求。  
2·3串-并聯(lián)法  
當(dāng)試驗(yàn)電壓較高、被試品電容量較大時(shí)，采用上述兩種方法都難以滿足試驗(yàn)要求，主要是試驗(yàn)設(shè)備難以滿足要求：一是合適的高電壓大容量的電抗器一般單位都不具備；二是不同長(zhǎng)度的電纜電容量不相同，需要的電抗器也不一樣，即使是可調(diào)電抗器也往往由于可調(diào)范圍有限而難以滿足試驗(yàn)要求。因此僅靠配備合適的電抗器來(lái)滿足試驗(yàn)要求就比較困難，所以國(guó)內(nèi)外進(jìn)行長(zhǎng)電纜交流耐壓試驗(yàn)一般均采用串、并聯(lián)調(diào)頻諧振方式。  
在試驗(yàn)回路中串入電抗器產(chǎn)生串聯(lián)諧振來(lái)提高被試品試驗(yàn)電壓，在被試品兩端并聯(lián)電抗器使被試品電容電流大部份由電抗器來(lái)補(bǔ)償，從而使通過(guò)串聯(lián)電路中電抗器的電流大為減少，從而降低試驗(yàn)對(duì)電抗器、試驗(yàn)變壓器的要求。采用調(diào)頻電源裝置來(lái)改變?cè)囼?yàn)頻率使ω0L=1ω0C，使試驗(yàn)回路產(chǎn)生諧振。這樣試驗(yàn)設(shè)備就比較容易滿足試驗(yàn)要求。  
3柳東I、II回電力電纜交流耐壓試驗(yàn)  
云南電力試驗(yàn)研究所對(duì)昆明供電局柳東I、II回110kV交聯(lián)電力電纜進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，采用的是調(diào)頻方法及串-并聯(lián)諧振接線方式(見(jiàn)圖3所示)；其兩條電纜長(zhǎng)度均為2·1km，每km的電容量為0·12μF，每一相電纜總電容量大約為0·27uF，采用的補(bǔ)償電抗器為4個(gè)并聯(lián)，每個(gè)電抗器的電感量為200H左右，串聯(lián)電抗器電感也為200H左右，在電抗器1串4并的串并聯(lián)諧振接線情況下，通過(guò)變頻電源盡量使試驗(yàn)頻率接近于50Hz，計(jì)算的試驗(yàn)頻率大約為48·45Hz，計(jì)算被試品電力電纜的電容電流大約為9·04A，4個(gè)電抗器補(bǔ)償電感電流為7·23A，每個(gè)補(bǔ)償電抗器通過(guò)的電流不到2A，而串聯(lián)回路中的電抗器電流僅為1·81A，這樣每個(gè)電抗器只需要耐壓150kV電流大于2A；升壓變壓器的變比為K=18000V/400V=45，輸出電壓為18kV，電流也只需要2A就能滿足試驗(yàn)要求。  
注:在電纜芯導(dǎo)體和金屬屏蔽層間施加試驗(yàn)電壓110kV，持續(xù)5min，試驗(yàn)結(jié)果全部通過(guò)。  
4調(diào)頻電源裝置的主要技術(shù)參數(shù)：  
4·1調(diào)頻電源柜  
額定輸入電壓：三相380V交流  
單相輸出電壓：0~365V，標(biāo)準(zhǔn)正弦波  
額定輸出電流：0~800A  
頻率調(diào)節(jié)范圍：30~300Hz  
重量：800kg  
4·2中間升壓變壓器  
額定容量：80kVA  
高低壓變比：18000V/400V  
4·3諧振電抗器(單節(jié)的額定參數(shù))  
額定電感量：200H  
額定電流：4A  
額定電壓250kV  
50Hz時(shí)的品質(zhì)因素Q：50  
重量：1000kg  
5結(jié)束語(yǔ)  
1)從試驗(yàn)中可以看出，“串-并聯(lián)諧振法”實(shí)質(zhì)上仍然是串聯(lián)諧振。這次試驗(yàn)主要還是利用L-C諧振原理·與傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振不同之處在于，電抗器L不是簡(jiǎn)單地與被試品電力電纜電容Cx構(gòu)成串聯(lián)諧振，而是與電抗器L1-L4和被試電纜電容Cx的并聯(lián)回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，諧振電壓為Uc。并聯(lián)電抗器L1-L4主要起補(bǔ)償作用。  
2)由于有了L1-L4的補(bǔ)償作用，使得流過(guò)勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)及串聯(lián)電抗器L上的電流I減小，電抗器L的體積和重量將大大減輕以及勵(lì)磁變壓器容量也將大大減少，相對(duì)提高了調(diào)頻諧振裝置的帶負(fù)載能力。使得原本很難進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目，相對(duì)變得容易。