110 kV交聯聚乙烯絕緣電纜耐壓試驗

于 海，劉 威，李 清

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

0 引 言

隨著社會的不斷發展，城市用電量不斷增大，電力電纜作為電網中重要的一次設備，對保證電力負荷穩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聚乙烯絕緣電纜因其電氣性能優良、機械強度高、操作溫度高、耐腐蝕等優點，已經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，以及時發現電纜絕緣缺陷、保證供電的安全穩定[3]。

傳統直流耐壓試驗因為其輕便、容量低、可移動性好等優點，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生水樹枝，在直流電壓的作用下，會加速絕緣老化，出現直流耐壓正常、投入運行發生擊穿現象[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，要制作大容量連續可調電感非常困難，所以工頻諧振交流耐壓試驗一般用于實驗室研究，不適合現場試驗[6]。

本文著眼于XLPE絕緣電纜現場交流耐壓試驗。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缺點，提出變頻并聯補償串聯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

由于工頻串聯諧振交流耐壓試驗通過調節串聯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節電源輸出頻率以實現諧振，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，又可分為變頻串聯諧振電纜耐壓試驗、變頻并聯諧振電纜耐壓試驗以及并聯補償串聯諧振電纜耐壓試驗[7-9]。

1.1 變頻串聯諧振交流耐壓試驗

變頻串聯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，然后根據試品耐壓等級，選擇合適量程的電抗器L，通過調節變頻器輸出頻率，使電路發生諧振。

圖1 變頻串聯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，串聯諧振具有補償電壓的作用。當電路發生諧振時，試品兩端會產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 變頻并聯諧振交流耐壓試驗

圖2為變頻并諧振聯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 變頻并聯諧振耐壓試驗原理圖

1.3 變頻并聯補償串聯諧振交流耐壓試驗

圖3為變頻并聯補償串聯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為串聯電抗器，L2為并聯電抗器，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 變頻并聯補償串聯諧振交流耐壓試驗原理圖

變頻并聯補償串聯諧振交流耐壓試驗利用了串聯諧振對電壓補償作用以及并聯諧振電流分流作用，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絕緣電纜的現場檢測技術。振蕩波電壓系統由于其體積小、重量輕、易操作、易實現等優點更易于應用于現場。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電感發電發生振蕩，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

兩種方法都能發生振蕩，但是間接法需要充電電容較大，而且在發生振蕩的瞬間，試品電容兩端會產生一個過電壓，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，并聯補償串聯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，減少試驗設備質量和體積，而且為高電壓、長距離XLPE絕緣電纜交流耐壓現場試驗提供可能。

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。

根據電纜參數可知，此110 kV交聯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。若采用串聯諧振，根據串聯諧振計算式

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。若采用并聯諧振，根據并聯諧振相關計算式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補償串聯諧振方案，利用串聯諧振電路電壓補償作用以及并聯諧振分流作用，完成此次現場試驗，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為串聯電抗器，Lb、Lc、Ld、Le、Lf為并聯電抗器，Cx為電纜電容，C1、C2為分壓器。根據并聯補償串聯諧振電路計算式

可以計算得出，該試驗諧振頻率為f=34.87 Hz，串聯回路電流為I=5.18 A，流過每一相并聯電抗器電流為IL=5.18 A，滿足電抗器以及變頻諧振電源的要求。

110 kV電纜變頻并聯補償串聯諧振現場試驗數據如表1所示。

表1 現場試驗數據Table 1 Test data on site

試驗數據與理論計算數據基本相差不大，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，依靠變頻串聯諧振試驗方案，則需要電流量極大的電抗器，這在現場試驗中很難實現。變頻并聯補償串聯諧振交流耐壓解決了串聯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諧振方案不能滿足試驗要求，所以根據現有設備，重新設計試驗方案，選擇并聯補償串聯諧振方案，有效解決了設備參數問題，使試驗得以進行。

2)合理估算電路參數。電路參數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，哪些參數可以忽略、哪些參數不能忽略，這對于品質因數、頻率的計算起著決定作用。合理估算電路參數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，使得電抗器發熱嚴重，需要足夠的冷卻時間，這影響了試驗進度。

3 結 語

隨著XLPE絕緣電纜的普及，傳統直流耐壓試驗已經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，現場試驗條件難以滿足工頻耐壓試驗要求。分析了現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其應用領域。指出并聯補償串聯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。