110 kV 電力電纜現場交流耐壓試驗

史興文

（黃河電力檢修工程有限公司，青海 西寧 810000）

0 引言

高壓電力電纜因其可靠性高、占地少、容量大等優點，被廣泛應用于工礦企業內部供電，它的安全穩定運行直接影響著企業的日常生產。青海某鋁業公司110 kV 變電站GIS 設備發生短路故障，導致其線路引下線電纜B 相發生擊穿，擊穿部位在電纜桿塔敷設部分。現場擬對中間頭、終端頭安裝制作完成后的電纜進行試驗，以驗證其完好性和安裝質量。交流耐壓試驗的電壓、波形、頻率和被試電纜絕緣內電壓分布，一般與實際運行情況相吻合，能有效地發現絕緣缺陷，是檢驗其絕緣優劣最有效的方法。針對該電纜的特點，對采用變頻串聯諧振系統進行交流耐壓試驗的試驗方案、基本原理、試驗系統、參數估算等進行了探索，通過現場試驗進行驗證并提出了抗干擾措施及注意事項。

1 試驗方案選擇

2022 年4 月，某企業110 kV 電纜系統發生故障，現場對故障電纜引下部分進行了拆除、敷設新電纜并制作電纜終端，在桿塔下方的余纜井內進行電纜中間頭的制作。其中新電纜長度為80 m，采用遠東電纜有限公司的ZAYJLW03-64/110-1×1400 型電纜，即A 級阻燃交聯聚乙烯絕緣縐紋鋁套電力電纜。

不論在理論上還是實踐中，均證明進行電壓高的直流耐壓影響此類電纜的使用壽命，如果降低試驗電壓標準又起不到預防作用。交流耐壓試驗用于高壓電纜的竣工驗收時，其擊穿檢出率高達9%左右[1]。為了更靈敏有效地查出電力電纜某些局部缺陷，考驗其絕緣承受各種過電壓的能力，對電力電纜進行串聯諧振交流耐壓試驗非常必要[2]。DL/T 596-2021《電力設備預防性試驗規程》中規定66 kV 及以上擠出絕緣電力電纜線路主絕緣交流耐壓試驗的判據為：頻率為20～300 Hz 的交流耐壓試驗，試驗時間為60 min，絕緣不擊穿，試驗電壓為GB/T 11017.1-2014《額定電壓110 kV（Um=126 kV）交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第1 部分 試驗方法和要求》中規定：電纜和附件安裝后施加的交流電壓試驗值應為128 kV（2U0），持續時間1 h。作為替代可施加交流電壓64 kV（U0），持續時間24 h[4]。

因該電纜為已運行的電纜線路，已在線運行6年，現場考慮到其運行年份、環境條件、擊穿經歷以及試驗目的，經與設備管理方、廠家協商，確定最終的試驗電壓按照1.6U0執行，耐壓時間為60 min。110 kV 電力電纜額定電壓U為110 kV，設備最高電壓Um為126 kV，用于確定試驗電壓的值U0為64 kV，因此最終試驗電壓為102.4 kV。

2 試驗系統與參數估算

2.1 變頻串聯諧振試驗系統

在電容、電感及電阻所組成的串聯電路里，當容抗XC與感抗XL相等時，即XC=XL，電路中的電壓U與電流I的相位相同，電路呈現純阻性，這種現象叫作串聯諧振。如圖1 所示，由R、L、C組成的串聯電路在交流電源U作用下，其阻抗為：

圖1 由電容、電感及電阻所組成的串聯電路

串聯諧振時，電感電壓或電容電壓與電源電壓的比值以字母Q來表示，稱為諧振回路的品質因數或諧振系數，即：

因被試設備為電容性的，若采用試驗變壓器則容量不夠，采用變頻串聯諧振試驗系統可以解決現場高電壓、大容量的交流耐壓試驗工作。變頻電源目前已經非常成熟，其工作原理是從最初小功率的信號源經過多次放大后實現大功率輸出，由變頻電源輸出合適的頻率和電壓，經勵磁變使被試設備和電抗器組成的LC 回路諧振產生高壓，在被應用到高壓試驗后，大大緩解了現場試驗電源的容量不足問題。該試驗系統的主要特點是：試驗等效性好，輸出即為正弦波，波形失真度小，波形畸變率<3%；體積小、重量輕、搬運靈活、適合現場使用；操作簡潔、接線方便；安全可靠、內置多種保護，包括放電擊穿保護、過電壓整定保護、輸出短路保護、開機零位保護、橋臂放大回路保護、功率曲線保護等；微機控制、輸出穩定性好，輸出電壓的不穩定度<1%；大功率變頻電源采用光纖控制，將高壓和低壓控制回路隔離，確保人身安全。

如圖2 所示,變頻串聯諧振試驗系統電氣回路主要由變頻電源柜、勵磁變壓器（T）、高壓電抗器（L）、分壓器（Ck）和被試品（Cx）、均壓環等部分組成。被試品電纜與電抗器采用串聯諧振連接方式，高壓分壓器與被試品電纜并聯測量諧振電壓并作高壓保護信號。

圖2 變頻串聯諧振試驗系統電氣回路

2.2 試驗設備

現場采用長沙海沃電力科技有限公司HVFP—450 kW 變頻串聯諧振裝置，其中高壓電抗器參數：額定電壓250 kV，額定電流6 A，電感量200±2%H；變頻電源參數：額定功率450 kW，輸出電壓0～350 V，輸出電流0～1 286 A，頻率范圍20～300 Hz；勵磁變壓器參數：額定容量450 kV·A，額定輸入2×0.35/0.4/0.45 kV（2×645/562.5/500 A），額定輸出2×5/25/60 kV（2×45/18/7.5 A），工作頻率50～300 Hz。

2.3 勵磁變抽頭的選擇

在變頻串聯諧振試驗系統中，勵磁變高壓抽頭的選擇至關重要。從品質因數與諧振曲線的關系可知，Q越大，頻率選擇性越好、通頻帶越窄。在加壓前一般按照變頻串聯諧振加壓系統回路Q值為30（最低值），結合試驗電壓值來選取勵磁變高壓抽頭。根據變頻柜的工作性能參數，要求其輸出電壓在200～350 V 為較好，300～350 V 為最佳。勵磁變高壓抽頭不能選取太高，也不能選取太低，如果抽頭選取電壓太低諧振電壓將無法滿足試驗電壓要求值，如果抽頭選取選電壓太高諧振電壓雖然滿足試驗電壓要求值，但變頻柜不能工作在其最佳工作狀態或者是接近其最佳工作狀態。換而言之如果選取太高，會出現變頻電源輸出電壓低于200 V 時，一次電壓已經滿足試驗要求值，此時變頻柜中的功率板會出現較為明顯的發熱現象，從而導致變頻電源柜不能長時間工作運行。

現場試驗時，先按照之前假定的Q值選取相應的勵磁變高壓抽頭，初步選定勵磁變高壓抽頭。如果變頻電源的輸出電壓達到或接近300～350 V 時一次電壓未達到試驗要求值，則表明試驗回路的Q值較低，此時應改選勵磁變高壓抽頭，選取的抽頭應比事先確定的抽頭電壓級要高（即提高勵磁變的變比K），此時還可結合改變勵磁變低壓側抽頭來實現，直到變頻柜輸出電壓控制在300～350 V，一次電壓滿足試驗要求值時為合適抽頭；如果變頻柜的輸出電壓在0～200 V，此時一次電壓已經達到試驗要求值，則表明回路的Q值很大，則應改選較低的高壓抽頭（即降低勵磁變壓器的變比K）。

2.4 試驗參數估算

對于110 kV 的高壓電纜交接試驗，勵磁變輸出電壓至少要達到1.8 kV[5]。為提前確保現場試驗電源的容量，確保試驗過程中電源的可靠穩定，需提前對試驗參數進行估算。被試品110 kV 交聯聚乙烯電纜的導體截面積為1×1 400 mm2，電容量為0.253 μF/km（廠家提供新電纜參數，作為參考），電纜長度為280 m，因此其電容量：

C=0.28×0.253=0.070 84 μF （4）

根據串聯諧振條件計算諧振頻率，見式（4）；高壓一次電流，見式（5）；勵磁變比（高壓抽頭假定選取25 kV/18 A 檔，低壓選取400 V 檔），見式（6）；勵磁變壓器二次側電流，見式（7）。

故電源容量：

3 現場試驗

3.1 現場試驗

耐壓前采用5 000 V 兆歐表對B 相電纜進行絕緣電阻測量，數值183.6 GΩ。現場按照試驗方案開始試驗，當電壓升高至試驗電壓102.4 kV 左右時，實際頻率為42.1 Hz，變頻柜輸出電流為117 A，與估算數據非常接近。設置倒計時1 h 試驗順利完成，耐壓后絕緣電阻數值為192.8 GΩ，該電纜交流耐壓試驗合格。對電纜外護套施加10 kV 的直流電壓未發生擊穿，外護套耐壓前后絕緣電阻數值分別為238 MΩ 和246 MΩ。

3.2 抗干擾措施

試驗所用電源為專用電源，根據試驗參數估算的結果選取合適的電源接至400 V 開關柜，與其他電源分開；變頻電源柜、勵磁變壓器、高壓電抗器等試驗設備的接地均接至電纜接地箱上，滿足試驗回路一點接地，無接地環路；試驗所用接線均為專用的防暈導線，現場盡可能縮短引線長度，在連接頭處使用絕緣膠帶進行包扎，減少電暈、提高回路的品質因數。

3.3 注意事項

試驗開始前準備好安全技術措施并設專人監護，防止人員誤入試驗現場。

試驗儀器應放置在平整的地面，并確保電抗器底部無金屬，防止形成渦流，影響品質因數；檢查并確保試驗回路牢固可靠，將電纜A、C 兩相導體、金屬屏蔽一起進行直接接地；檢查整個試驗系統的高壓絕緣安全距離是否足夠，不應小于2 m；在確認試驗回路無誤后先不帶被試電纜進行空升試驗，設置好過壓整定數據，此時諧振回路由串聯電抗器和電容分壓器組成；試驗時調整試驗頻率并觀察高壓側電壓變化，直到高壓側出現最大值時，調整電壓升至試驗值；試驗人員應時刻保持警惕，嚴格控制升壓過程和升壓速度；還應隨時觀測高壓一次回路的電流值，確保其值不超過高壓電抗器和勵磁變高壓線圈的額定電流值；使用專用的防暈導線連接到被試品，并盡量縮短引線長度，提高回路的品質因數。

試驗結束后試驗人員嚴格按照停電、驗電、懸掛臨時接地線的步驟將被試電纜接地，確保人身安全。

4 結論

通過利用串聯諧振系統順利完成了某變電站110 kV 電力電纜的現場交流耐壓試驗，確保了新（舊）電纜質量、敷設及電纜頭制作工藝質量合格，保證了該變電站按計劃順利恢復投運，證明了此種試驗方法的可靠，也為今后開展更多類似的試驗提供了參考。