電力電纜交流耐壓試驗的幾種方法和現場試驗

1概述  
隨著我國的電力事業的迅速發展，尤其是在城網改造中，用交聯聚乙烯電纜(以下簡稱：“交聯電纜”)代替架空線路已成為一種趨勢，高電壓的電力交聯電纜使用的數量越來越多。為了檢驗和保證交聯電纜的安裝質量，在送電投運前，對交聯電纜進行現場交流耐壓試驗十分必要。過去由于受試驗設備的限制，在現場對交聯電纜進行交流耐壓試驗比較困難，一般采用直流耐壓試驗來代替。存在兩個缺點：  
1)直流電壓對交聯聚乙烯絕緣，有積累效應，即“記憶性”。一旦電纜有了由于直流試驗而引起的“記憶性”，它就需要很長時間來釋放盡殘留在電纜中直流電荷。而當該電纜投入運行時，直流電荷便會疊加在交流電壓峰值上，產生“和電壓”，遠超過電纜的額定電壓，使絕緣加速老化，縮短使用壽命。  
2)直流電壓分布與實際運行的交流電壓不同，直流電場分布受電阻率影響，而交流下電場分布與電阻率和介電系數都有關。因此直流耐壓試驗并不能象交流耐壓一樣可以準確地反映電纜的機械損傷等明顯缺陷，直流試驗合格的電纜，投入運行后，在正常工作電壓作用下，也會發生絕緣故障。由此可見，對于交聯電纜采用傳統的直流耐壓試驗是不可取的，應予淘汰。近年來，國內外許多專家都建議現場對交聯電纜進行交流耐壓試驗來代替直流電壓試驗。由于電力電纜對地電容量很大，在現場采用50Hz工頻進行交流耐壓試驗條件難以具備，但采用調頻電源進行交流耐壓試驗，條件是基本具備的。根據GB11017-89[1]及IEC840，現場絕緣耐壓試驗中使用的交流電壓頻率，可采用30—300Hz。  
2交流耐壓試驗的幾種方法  
2·1串聯諧振  
如果被試品的試驗電壓較高，而電容量較小，一般可采用串聯諧振方法。  
當試驗回路中ω0L=1ω0C(C包括CX、C1、C2)時，試驗回路產生串聯諧振，此時能在試品上產生較高的試驗電壓(試驗電壓高低與回路品質因數有關)，如果電容C較大，試驗回路電流也較大，通過電抗器的電流也較大，這時試驗設備一般難以滿足現場試驗需要；通常該試驗接線僅適用于被試品電容量較小而試驗電壓較高，試驗變壓器能滿足試驗容量要求而不能滿足試驗電壓要求的情況。  
對于電力電纜來說，被試設備的電容量C是固定的，要使試驗回路產生諧振就要改變試驗回路的電感L或頻率ω，即：ω0=1LC或L=1ω02C。  
采用改變電感的方法來滿足串聯諧振需采用可調電抗器，但限于運輸和在現場搬動，電抗器的體積和重量不能做得很大，因此可調電抗器的調節范圍是有限的。所以在現場試驗時采用調感的方法往往由于電抗器的范圍有限而不能滿足試驗要求。  
另一種方法是采用調頻的方法，即當電抗器和電容固定時通過改變試驗電源頻率來使ω0L=1ω0C來達到所需的電壓，但這時需要一套調頻電源裝置。  
2·2并聯諧振  
如果被試品的試驗電壓較低而試品容量較大時，一般可采用并聯諧振方法。  
當試驗回路中ω0L=1ω0C(C包括CX、C1、C2)時，試驗回路產生并聯諧振，此時試品電壓等于電抗器電壓也等于升壓變壓器高壓側電壓。由于電抗器的補償作用，變壓器理論上僅提供回路阻性電流，可以大大降低對試驗變壓器的容量要求。因此該試驗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，試驗時可采用幾個低電壓電抗器并聯的方法或利用可調電抗器改變電感的方法來滿足并聯諧振要求。如果有一套調頻電源裝置的話，也可采用改變試驗電源頻率的方法，使回路滿足試驗要求。  
2·3串-并聯法  
當試驗電壓較高、被試品電容量較大時，采用上述兩種方法都難以滿足試驗要求，主要是試驗設備難以滿足要求：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，即使是可調電抗器也往往由于可調范圍有限而難以滿足試驗要求。因此僅靠配備合適的電抗器來滿足試驗要求就比較困難，所以國內外進行長電纜交流耐壓試驗一般均采用串、并聯調頻諧振方式。  
在試驗回路中串入電抗器產生串聯諧振來提高被試品試驗電壓，在被試品兩端并聯電抗器使被試品電容電流大部份由電抗器來補償，從而使通過串聯電路中電抗器的電流大為減少，從而降低試驗對電抗器、試驗變壓器的要求。采用調頻電源裝置來改變試驗頻率使ω0L=1ω0C，使試驗回路產生諧振。這樣試驗設備就比較容易滿足試驗要求。  
3柳東I、II回電力電纜交流耐壓試驗  
云南電力試驗研究所對昆明供電局柳東I、II回110kV交聯電力電纜進行交流耐壓試驗，采用的是調頻方法及串-并聯諧振接線方式(見圖3所示)；其兩條電纜長度均為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，采用的補償電抗器為4個并聯，每個電抗器的電感量為200H左右，串聯電抗器電感也為200H左右，在電抗器1串4并的串并聯諧振接線情況下，通過變頻電源盡量使試驗頻率接近于50Hz，計算的試驗頻率大約為48·45Hz，計算被試品電力電纜的電容電流大約為9·04A，4個電抗器補償電感電流為7·23A，每個補償電抗器通過的電流不到2A，而串聯回路中的電抗器電流僅為1·81A，這樣每個電抗器只需要耐壓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就能滿足試驗要求。  
注:在電纜芯導體和金屬屏蔽層間施加試驗電壓110kV，持續5min，試驗結果全部通過。  
4調頻電源裝置的主要技術參數：  
4·1調頻電源柜  
額定輸入電壓：三相380V交流  
單相輸出電壓：0~365V，標準正弦波  
額定輸出電流：0~800A  
頻率調節范圍：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(單節的額定參數)  
額定電感量：200H  
額定電流：4A  
額定電壓250kV  
50Hz時的品質因素Q：50  
重量：1000kg  
5結束語  
1)從試驗中可以看出，“串-并聯諧振法”實質上仍然是串聯諧振。這次試驗主要還是利用L-C諧振原理·與傳統的串聯諧振不同之處在于，電抗器L不是簡單地與被試品電力電纜電容Cx構成串聯諧振，而是與電抗器L1-L4和被試電纜電容Cx的并聯回路產生串聯諧振，諧振電壓為Uc。并聯電抗器L1-L4主要起補償作用。  
2)由于有了L1-L4的補償作用，使得流過勵磁變壓器高壓側及串聯電抗器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磁變壓器容量也將大大減少，相對提高了調頻諧振裝置的帶負載能力。使得原本很難進行的試驗項目，相對變得容易。