中壓交聯(lián)電纜的交流試驗方法分析

徐永銘,李紅雷,徐永華,江騭一,李莉華

(1.上海市電力公司檢修公司,上海 200072;2.華東電力試驗研究院有限公司,上海 200437; 3.上海東捷建設(shè)(集團(tuán))有限公司,上海 200120)

0 引言

當(dāng)前,城市供電電纜化日益提高,中壓交聯(lián)聚乙烯電纜(10～35 kV)的交接試驗和預(yù)試,主要有變頻諧振、超低頻、振蕩波等耐壓試驗方法。但是,這些試驗方法在實施中尚存在很多問題,各供電公司對后兩種方法和工頻試驗的等效性,仍存在較大的爭議。例如:采用變頻諧振法,由于試驗設(shè)備體積和重量較大,運輸儲存困難,并受到試驗場地限制,而且試驗時間長,影響工程進(jìn)度,推廣比較困難。

上海電網(wǎng)與其它城網(wǎng)不同,中壓配電網(wǎng)中35 kV等級比例很高,而35 kV電纜耐壓試驗的現(xiàn)場實施難度明顯大于10 kV電纜。目前尚未形成統(tǒng)一的交聯(lián)電纜交流耐壓試驗方法與規(guī)范,這一問題亟待解決。

本文對中壓交聯(lián)電纜(主要是35 kV電纜)的交流耐壓試驗進(jìn)行了專題研究。根據(jù)中壓電纜點多面廣、試驗工作量大等特點,從試驗標(biāo)準(zhǔn)和試驗設(shè)備入手,重點解決試驗的現(xiàn)場可操作性問題,隨后在上海電網(wǎng)進(jìn)行推廣與實施。

1 非直流電纜耐壓試驗方法

對交聯(lián)聚乙烯電纜實施直流耐壓試驗,殘留的空間電荷會在運行中損傷電纜絕緣,而且交聯(lián)電纜在直流電壓下的電場分布與交流差別很大,對絕緣的考核效果不佳,所以交聯(lián)電纜不宜進(jìn)行直流耐壓試驗,這一點已在國內(nèi)外達(dá)成共識。

目前非直流電纜耐壓試驗方法主要有變頻諧振法、超低頻耐壓法和振蕩電壓法等。

TU公司G.chiller等對各種耐壓試驗方法的有效性進(jìn)行了實驗室研究。用工頻法、變頻諧振法、超低頻耐壓法、振蕩電壓法等對各種電纜樣本進(jìn)行耐壓試驗,統(tǒng)計各樣本的擊穿電壓。結(jié)果表明,振蕩電壓試驗方法比直流耐壓試驗方法更有效,但其有效性仍然不如工頻試驗;0.1 H z超低頻法的等效性也不如工頻耐壓,這兩種耐壓方法都不適用于新電纜的交接試驗。因此,采用工頻或近似于工頻波形的變頻諧振電壓進(jìn)行試驗,是IEC—60840和IEC—62067推薦的試驗方法,也是目前在各單位獲得廣泛認(rèn)可的電纜試驗方法。本課題將變頻諧振法作為電纜耐壓試驗的主要手段。

變頻諧振耐壓試驗方法是通過改變試驗系統(tǒng)的試驗頻率,使回路處于諧振狀態(tài),這樣試驗回路中試品上的大部分容性電流與電抗器上的感性電流相抵消,電源供給的能量僅為回路中消耗的有功功率,為試品容量的1/Q(Q為品質(zhì)因數(shù));因此試驗電源的容量降低,重量大大減輕。而且,由于諧振電抗器與被試電纜處于諧振狀態(tài),形成一個良好的濾波電路,能改善輸出電壓的波形畸變,得到良好的正弦波形;此外,被試電纜發(fā)生擊穿時,失去諧振條件,高壓電路和低壓電源回路的電流反而減小,故絕緣擊穿處的電弧不會將故障點擴(kuò)大,便于故障處理。

2 電纜交流耐壓的標(biāo)準(zhǔn)及執(zhí)行

2.1 試驗標(biāo)準(zhǔn)

國際大電網(wǎng)會議CIGRE第21、09工作組認(rèn)為:“頻率在30～300H z范圍內(nèi),橡塑電纜內(nèi)部幾種典型絕緣缺陷的擊穿特性沒有明顯差別”。

我國2006年制定的《GB 50150—電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》中,規(guī)定橡塑電纜交接耐壓試驗頻率為20～300 H z,試驗參數(shù)見表1。

表1 國家交接試驗標(biāo)準(zhǔn)

從國外的情況看,在中壓電纜30～300 Hz現(xiàn)場試驗的試驗時間上,美國、加拿大等國家的試驗時間大多選用5min;而德國的經(jīng)驗,傾向于用30 min,德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《VDE DIN 0276 Part 10011995》中,推薦中壓電纜耐壓值采用2U 0,頻率為45～65 Hz,時間為30min。

國內(nèi)部分地區(qū)已經(jīng)推廣交聯(lián)聚乙烯電纜的非直流耐壓試驗,并在實際工作中形成了自己的標(biāo)準(zhǔn),部分情況列于表2。此外,南方電網(wǎng)《Q/CSG 10007—2004電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中規(guī)定, 35 kV及以下橡塑絕緣電力電纜的耐壓試驗值為1.6U 0,時間為60m in。

綜合國內(nèi)外各地區(qū)的試驗標(biāo)準(zhǔn),其發(fā)展趨勢是:電纜電壓等級越高,試驗值越小,試驗時間越長;交接試驗時間往往大于預(yù)試時間,如有的地區(qū)交接試驗為60m in,預(yù)試為5min。另外,預(yù)試電壓普遍取交接試驗的80%,這一點與電力系統(tǒng)其他設(shè)備的耐壓試驗是相同的。中壓電纜的試驗值大多為2U 0,試驗時間大多為5m in。

另外,各地區(qū)都是首先在高壓電纜上開展交流耐壓,在110 kV及以上等級電纜早已實現(xiàn)了諧振耐壓,而中壓電纜交流耐壓的開展情況參差不齊,普遍實施較晚,很多地區(qū)尚未實施,對中壓交聯(lián)聚乙烯電纜(XLPE)仍采用直流耐壓試驗。

2.2 試驗參數(shù)

根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),變頻諧振耐壓試驗的頻率可取20～300 Hz。

關(guān)于試驗時間、試驗電壓值,各地實施情況有較大差別。以往直流耐壓的試驗時間僅為5 min,交流耐壓如果采用60m in,加上交流耐壓設(shè)備笨重、操作復(fù)雜,試驗時間以及消耗的人力物力都明顯超過直流耐壓。在當(dāng)今城市電網(wǎng)規(guī)模增大、電網(wǎng)建設(shè)速度加快的情況下,將對電纜線路投運工期有較大影響。這樣,推廣用交流耐壓代替直流耐壓,會在實踐中遇到相當(dāng)大的困難。

表2 國內(nèi)部分地區(qū)變頻諧振耐壓試驗標(biāo)準(zhǔn)

在應(yīng)用變頻交流耐壓中,必須考慮不同電壓等級的差異。

高壓電纜(110 kV及以上)的重要性高,所以耐壓中施加的電壓較低,耐壓時間較長(有的地區(qū)采用60 min)。中壓電纜的重要性相對較低,數(shù)量多,試驗工作量大,故障率低,輕微的絕緣缺陷不容易在耐壓試驗中暴露出來,所以在中壓電纜試驗中,適當(dāng)提高耐壓值,減少試驗時間,是必要而且可行的手段。此外,我國對中壓交聯(lián)電纜采用交流耐壓試驗尚處在初期階段,采用較短的試驗時間,可減少局部放電的積累作用,而且更便于推廣實施,待執(zhí)行幾年,積累一定經(jīng)驗后,再考慮修訂標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)絕緣材料擊穿統(tǒng)計理論,耐受時間與擊穿場強的關(guān)系可表示為:

式中:n——壽命指數(shù),XLPE取5～9;U1——試驗電壓1; U2——試驗電壓2;t1——試驗時間1;t2——試驗時間2。

根據(jù)上述算式,從對主絕緣的實際考核效果看,2.5U 0(5 min)、2.0U 0(30 min)和1.8U0(60 min)基本是相當(dāng)?shù)摹?/p>

經(jīng)過以上分析,本課題擬提升電纜的試驗電壓值。目前國內(nèi)外各地對35 kV電纜試驗電壓值都沒有超過2U0,本課題嘗試采用2.5U0電壓,試驗時間為5min;既保證試驗效果,又減少了試驗時間。這樣,確定了如表3的電纜試驗標(biāo)準(zhǔn)。

表3 本課題的電纜試驗標(biāo)準(zhǔn)

3 車載試驗裝置的研發(fā)

3.1 變頻諧振試驗裝置

現(xiàn)有變頻諧振試驗裝置在中壓電纜現(xiàn)場試驗中存在的主要問題是:試驗設(shè)備的裝卸和接線時間長、工作量大、消耗人力物力;接線較復(fù)雜,不利于現(xiàn)場安全。

目前,中壓電纜耐壓設(shè)備基本都采用分立元件,在現(xiàn)場進(jìn)行組合接線。表4中列出了一套典型試驗設(shè)備(用于35～10 kV電纜)的配置和重量,裝置總重量約450 kg,完成裝運和現(xiàn)場組裝連線,通常需要5～6名工作人員。

表4 分立式試驗裝置的配置

為解決以上問題,本課題開發(fā)了交流耐壓試驗車,直接從車上引出高壓到被試電纜,可避免現(xiàn)場裝卸、組裝、連線等諸多麻煩,使工作效率大大提高,同時改善了工作人員的環(huán)境。

目前,已有單位采用車載試驗裝置進(jìn)行電纜耐壓,但僅能對10 kV電纜進(jìn)行耐壓試驗,由于試驗引線、補償、絕緣等技術(shù)難點,不能用于35 kV電纜耐壓。根據(jù)目前搜集到的資料,未見關(guān)于35 kV電纜耐壓試驗車的報道。

3.2 變頻諧振交流耐壓試驗車

本課題開發(fā)的變頻諧振交流耐壓試驗車,將變頻諧振耐壓裝置的各單元組件固定在車箱里;采用高壓電纜輸出高壓,高壓電纜與電抗器間為可分離連接;將分壓器裝入電抗器箱體內(nèi)與電抗器合為一體,把分壓器測量端子裝在電抗器箱體上以引出測量電壓,如此,電抗器具備了高壓采樣功能,整個試驗系統(tǒng)在省卻了外置分壓器后得以簡化,而且實現(xiàn)了車內(nèi)高壓采樣,該試驗車已經(jīng)申請專利(申請?zhí)?00920048851.8)。

圖1是試驗車內(nèi)部布置示意圖。試驗車的設(shè)計能力如下(可滿足上海絕大多數(shù)中壓電纜線路的要求):

1)電纜的電壓等級為35 kV;最大電容量為0.73μF(400 mm2/3 km);試驗電壓為52 kV,時間為60 min,65 kV/5m in;試驗頻率為34～300 H z。

2)電纜的電壓等級為10 kV;最大電容量為2.1μF(400 mm2/5 km);試驗電壓為22 kV,時間為5m in;試驗頻率為30～300 Hz。

圖1 試驗車外觀示意圖

表5是試驗車的配置。為了解決試驗設(shè)備(特別是35 kV電纜耐壓設(shè)備)的車載問題,進(jìn)行了一些創(chuàng)新性設(shè)計。

1)設(shè)計了適合車載的金屬箱式電抗器,電抗器采用閉合磁路設(shè)計,對鐵磁物質(zhì)沒有漏磁,可以放在鐵磁物質(zhì)上。電抗器的電感值固定,通過中間抽頭來改變電感量,用一臺電抗器來滿足10 kV電纜和35 kV電纜的耐壓。

2)采用特別定制的進(jìn)口硅橡膠高壓電纜作為試驗引線,該電纜是柔性電纜,長度為50 m,能方便接入室內(nèi)電纜終端;現(xiàn)場電源和試品的距離可達(dá)100m,非常適合上海地區(qū)各種復(fù)雜的接線條件。

3)高壓輸出電纜的終端與電抗器之間的連接,采用插拔式電纜接頭,現(xiàn)場接線靈活可靠。

表5 車載試驗裝置的配置

4 現(xiàn)場應(yīng)用

本課題中,對33回線電纜完成了變頻諧振耐壓試驗,其中5回線為35 kV電纜(型號為YJV-26/35),其余均為10 kV電纜(型號為YJV-8.7/10),現(xiàn)場應(yīng)用情況如下:

1)試驗參數(shù) 試驗的最低頻率為35 Hz,最高頻率為172 Hz,試驗頻率均滿足20～30 Hz的要求。試驗電壓和時間按照表3的要求。

2)運行時間 5回35 kV電纜均是新電纜。28回10 kV電纜中,大部分是新電纜或剛投運幾個月,也有少數(shù)已運行幾年的電纜;其中,運行時間為5 a以上的2回線電纜,分別運行了9 a和 10 a。

3)故障電纜 通過交流耐壓試驗的電纜都已投入運行,目前運行正常,未發(fā)生過擊穿事件。

在現(xiàn)場試驗中僅有1條電纜沒有通過試驗。對故障電纜進(jìn)行解剖,發(fā)現(xiàn)擊穿點位于半導(dǎo)體應(yīng)力錐以上,故障原因是電纜本體存在先天缺陷,加上擊穿點的電場分布比較集中,最終導(dǎo)致?lián)舸Ｕf明這次試驗有效地暴露了電纜的內(nèi)部缺陷。

5 結(jié)語

交流耐壓作為電纜的一項重要的試驗考核手段,要求他既能有效地發(fā)現(xiàn)電纜的絕緣缺陷,又具有良好的可操作性,而且要適應(yīng)城市電網(wǎng)現(xiàn)有的運行檢修管理模式。

本課題根據(jù)上海中壓電纜線路的35 kV比例高、試驗工作量大、交流試驗推廣難度大的情況,在試驗項目的革新和新型試驗設(shè)備的開發(fā)兩方面,進(jìn)行了嘗試和創(chuàng)新,實施效果比較滿意,主要表現(xiàn)在以下兩個方面:

1)在試驗標(biāo)準(zhǔn)方面,提升了試驗參數(shù),將35 kV電纜的交接試驗電壓提高至2.5U 0,這樣, 10～35 kV交聯(lián)電纜的交接試驗均采用2.5U0 (5 m in),預(yù)試均采用2.0U0(5 m in),既保證了試驗效果,又減少了試驗時間。

2)在試驗設(shè)備方面,開發(fā)的車載試驗系統(tǒng)能用于35 kV及以下電壓等級的電纜試驗,并可顯著地提高試驗?zāi)芰涂刹僮餍?具有一定的推廣價值。