交聯(lián)海底電纜交流耐壓試驗(yàn)研究及主要問題處理

王慧軍，徐金兵

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，浙江 杭州 311215）

0 引言

海底電纜是海洋通訊及電力的關(guān)鍵傳輸設(shè)備，是海上絲綢之路和海上風(fēng)電建設(shè)中的核心裝備。為消除由于海底電纜在運(yùn)輸、敷設(shè)及牽引過程中受到外力傷害而導(dǎo)致的安全隱患，在正式投運(yùn)前需要完成海底電纜相應(yīng)的交接試驗(yàn)。

交流耐壓試驗(yàn)是鑒定海底電纜絕緣強(qiáng)度最有效和最直接的方法，也是交接預(yù)防性試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。海底電纜交流耐壓試驗(yàn)存在電壓高、電流大的特點(diǎn)，因此，現(xiàn)場(chǎng)普遍采用串并聯(lián)混合諧振試驗(yàn)方式進(jìn)行。串并聯(lián)混合諧振的關(guān)鍵是對(duì)試驗(yàn)電抗器的選擇，因?yàn)樵囼?yàn)電抗器的電感量大小，決定了該套串聯(lián)諧振耐壓設(shè)備的試驗(yàn)電壓大小、品質(zhì)因數(shù)及設(shè)備容量。通過調(diào)節(jié)變頻源的輸出頻率，可以使得整個(gè)回路達(dá)到最佳狀態(tài)，試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)電流同時(shí)滿足試驗(yàn)要求。

本文通過對(duì)串并聯(lián)諧振回路進(jìn)行分析，計(jì)算出長(zhǎng)距離交聯(lián)海底電纜耐壓試驗(yàn)所需的設(shè)備參數(shù)，進(jìn)而選擇合適的試驗(yàn)設(shè)備，確保試驗(yàn)工作能夠順利開展。在此基礎(chǔ)上，分析了試驗(yàn)和運(yùn)行過程中遇到的主要問題及解決思路。

1 串并聯(lián)混合諧振回路分析

海底電纜被試品可等效成高品質(zhì)因素的電容，串并聯(lián)混合諧振等效回路圖如圖1所示，由于海底電纜的電容量很大，因此可以忽略分壓器電容的影響。

圖1 串并聯(lián)混合諧振等效回路圖

試驗(yàn)頻率 f 按式（1）計(jì)算：

試驗(yàn)電流 I 按式（2）計(jì)算：

式中：U為試驗(yàn)電壓。

將式（1）代入式（2）可得出：

故串并聯(lián)諧振回路的試驗(yàn)頻率：

那么，試驗(yàn)電流I可以表示為：

有功功率P：

品質(zhì)因數(shù)Q：

式中：S為總功率。

2 試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算及實(shí)際應(yīng)用

某海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)一座220 kV海上升壓站、兩回220 kV海底電纜送出線路和一座陸上計(jì)量站。220 kV海上升壓站將35 kV電壓升壓至220 kV，經(jīng)兩回220 kV海底電纜將風(fēng)機(jī)所發(fā)電能輸送至陸上計(jì)量站后，就近轉(zhuǎn)入電網(wǎng)系統(tǒng)。220 kV海底電纜為220 kV海上升壓站至陸上計(jì)量站處的兩回3×400 127/220 kV海底光電復(fù)合纜三芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件，敷設(shè)長(zhǎng)度26.7 km。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32346.1—2015《額定電壓220 kV（Um= 252 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣大長(zhǎng)度交流海底電纜及附件 第1部分：試驗(yàn)方法和要求》[1]，GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[2]和GB/T 18890.1—2015《額定電壓220 kV（Um= 252 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣絕緣電力電纜及其附件 第1部分：試驗(yàn)方法和要求》[3]中的相關(guān)要求，海底電纜線路試驗(yàn)電壓為180 kV，試驗(yàn)時(shí)間為60 min，試驗(yàn)頻率范圍為20～300 Hz。

被試海底電纜線路A、B、C三相共一回路，單根總長(zhǎng)度26.7 km。被試海底電纜線路電容量為3.15 μF。根據(jù)式（1），按照標(biāo)準(zhǔn)要求的最低試驗(yàn)頻率20 Hz計(jì)算，可計(jì)算出所需試驗(yàn)電抗器的總電感量應(yīng)小于20 H。結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備，選用6臺(tái)250 kV 70 H 20 A的試驗(yàn)電抗器（1串5并方式）進(jìn)行串并聯(lián)混合諧振，根據(jù)式（4）和式（5），串并聯(lián)諧振回路的試驗(yàn)頻率約為26.26 Hz，試驗(yàn)電流約為15.59 A，海底電纜電容電流約為93.51 A，每個(gè)并聯(lián)補(bǔ)償電抗器流過的電流約為15.59 A。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，品質(zhì)因數(shù)Q值取80，保險(xiǎn)系數(shù)取1.4，按照式（8）計(jì)算輸入端的電源功率P：

變頻電源選擇額定功率為400 kW，完全能夠滿足試驗(yàn)要求。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果頻率為26.22 Hz，與理論計(jì)算基本相符。

3 海底電纜試驗(yàn)及運(yùn)行過程中的問題

海底電纜試驗(yàn)及運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)的問題主要包括：海底電纜耐壓時(shí)加壓點(diǎn)問題、海底電纜線路參數(shù)測(cè)試問題和海底電纜外護(hù)套發(fā)熱問題。

3.1 海底電纜耐壓時(shí)加壓點(diǎn)問題

目前，海底電纜線路與海上升壓站氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS）和陸上計(jì)量站GIS的連接方式主要采用電纜進(jìn)筒倉(cāng)的方式，耐壓試驗(yàn)時(shí)加壓點(diǎn)容易出現(xiàn)問題，可以采用的方法有：1）在陸上計(jì)量站GIS海底電纜連接處外加試驗(yàn)套管。該方法耐壓前需將海底電纜與GIS的連接導(dǎo)體拆除，電纜筒倉(cāng)內(nèi)注入合格的SF6氣體，并經(jīng)測(cè)試合格。耐壓時(shí)將GIS側(cè)可靠接地。耐壓結(jié)束后拆除試驗(yàn)套管，再將海底電纜跟GIS進(jìn)行連接。該方式存在的缺點(diǎn)是需要另外購(gòu)置或租賃試驗(yàn)套管和施工工期要變長(zhǎng)；2）通過陸上計(jì)量站GIS出線套管處進(jìn)行加壓。該方法耐壓是通過部分GIS進(jìn)行，試驗(yàn)前應(yīng)將GIS耐壓回路中的避雷器和電壓互感器與GIS主回路連接的導(dǎo)體拆除或通過隔離開關(guān)斷開。該方法存在的缺點(diǎn)是電纜耐壓的試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)時(shí)間跟GIS的不一致，需提前跟GIS制造廠家溝通，得到許可后方可進(jìn)行。

目前，由于海底電纜和GIS分屬不同的設(shè)備廠家，現(xiàn)場(chǎng)多數(shù)采用第一種方法進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

3.2 海底電纜線路參數(shù)測(cè)試問題

海底電纜線路參數(shù)測(cè)試時(shí)，存在無(wú)法核相加壓的問題。目前多數(shù)采用拆除GIS地刀接地連片，在地刀處核相加壓的方式解決。通過合上GIS地刀，拆除GIS地刀接地連片，使得地刀與GIS主回路相通，又與GIS外殼絕緣。另測(cè)試數(shù)據(jù)與純架空線路相比，零序電容量往往要大于正序電容量。這是因?yàn)楹５纂娎|的屏蔽層始終是接地的，測(cè)量零序電容時(shí)，三相對(duì)地的電容量會(huì)并聯(lián)到零序電容里，而正序電容只是單相電纜對(duì)地的電容，所以存在零序電容量要大于正序電容量。

3.3 海底電纜外護(hù)套發(fā)熱問題

海底電纜非金屬護(hù)套采用的是半導(dǎo)電聚乙烯（polyethylene，PE）護(hù)套，不銹鋼絲鎧裝，海底電纜的金屬護(hù)套和不銹鋼絲鎧裝在海底電纜終端處直接接地。由于海底電纜的半導(dǎo)電PE非金屬護(hù)套為半導(dǎo)電性，保護(hù)層、外被層具有滲水性，因此，在海中的海底電纜金屬護(hù)套通過半導(dǎo)電PE護(hù)套、不銹鋼絲鎧裝與海水接地。登陸后，由于陸地部分的環(huán)境發(fā)生變化，在金屬護(hù)套與不銹鋼絲鎧裝層之間則存在一定的電勢(shì)差，海底電纜終端處接地點(diǎn)和海底電纜浸水部分間則會(huì)形成環(huán)流，所以部分海底電纜在運(yùn)行過程中有外護(hù)套發(fā)熱情況。在海底電纜終端處安裝合適地過壓保護(hù)裝置可有效解決該類問題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)串并聯(lián)諧振回路進(jìn)行分析，計(jì)算得到長(zhǎng)距離交聯(lián)海底電纜耐壓試驗(yàn)所需的設(shè)備參數(shù)，進(jìn)而選擇合適的試驗(yàn)設(shè)備，確保了交流耐壓試驗(yàn)的順利開展。在此基礎(chǔ)上，分析了試驗(yàn)和運(yùn)行過程中遇到的主要問題及其原因，提出了解決思路。