XLPE绝缘高压电缆变频谐振法交流耐压特性试验

贾 晨,陈 博,王 迪,杨宝伟

(1.国网长春供电公司,长春 130041;2.国网天津市电力公司信息通信公司,天津 300010)

交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆具有极佳的电气性能、机械性能和耐腐蚀性,其介质损耗小于纸绝缘和 PVC绝缘电缆,电容也小,在没有有效星形接地系统中可降低充电电流和接地故障电流。同时,XLPE绝缘电缆弯曲半径小,比其他同类电缆质量轻,终端处理较为简单,不含油且对敷设环境要求较低,因而特别适用于城网中较为复杂的线路。XLPE绝缘电缆的抗老化特性及超强的耐热变形性能决定了其在正常运行温度(90℃)、短时故障(130℃)及短路(250℃)条件下可允许大电流通过。

以往XLPE绝缘电缆投运前的试验,由于试验设备和被试设备容量较大等原因,一些试验单位现场仍沿用直流耐压试验方法。近年来国内众多研究结果表明,采用直流耐压试验方法对XLPE绝缘电缆有不同程度的损害,目前已多采用交流耐压试验替代原来的直流耐压试验,但目前城网中新旧电缆相结合较多,因此现场试验方法以及试验电压等级和时间的确定十分重要。

1 直流耐压试验存在的问题

1.1 电缆绝缘的电场分布

直流电压下电缆绝缘的电场分布取决于材料的体积电阻率,而交流电压下的电场分布取决于各介质的介电常数,特别是在电缆终端头、接头盒等电缆附件中的直流电场强度的分布和交流电场强度的分布完全不同,交、直流电压下绝缘老化的机理也不尽相同。

1.2 直流电压下产生记忆效应的问题

XLPE绝缘电缆在直流电压下会产生“记忆”效应,存储积累单极性残余电荷。一旦产生“记忆”,需要很长时间才能将这种直流偏压释放。电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行,直流电压将叠加在工频电压峰值上,使得电缆的电压值远远超过其额定电压,从而有可能导致电缆绝缘击穿。同时,直流耐压试验时,会有电子注入到聚合物介质内部,形成空间电荷,使该处电场强度降低,从而难于发生击穿。XLPE绝缘电缆的半导体凸出处和污秽点等处容易产生空间电荷。但如果在试验时电缆终端头发生表面闪络或电缆附件击穿,电缆芯线上将产生波振荡,在已积聚空间电荷的地点,由于振荡电压极性迅速改为异极性,使该处电场强度显著增大,可能损坏绝缘并造成多点击穿。

1.3 水树枝加速绝缘老化

XLPE绝缘电缆在潮湿运行环境下易产生水树枝,一旦产生水树枝,在直流电压下会迅速转变为电树枝并形成放电,从而加速绝缘劣化,有可能导致在工频电压作用下形成击穿,而单纯的水树枝在交流工作电压下还能保持相当的耐压值,并能保持一段时间。

2 交流耐压试验

2.1 超低频 0.1Hz耐压试验

因被试交联电缆的电容量很大,工频试验时所需试验变压器的容量也要很大,导致试验设备笨重而不适用于现场使用。采用0.1 Hz作为试验电源,理论上可以将试验变压器的容量降低到1/500,试验变压器的质量可大大降低,可以较容易地移动到现场进行试验。目前,此种方法主要应用于中低压电缆的试验,由于电压等级偏低,还不能用于 110 kV及以上的高压电缆试验。

2.2 谐振耐压试验

可调电感型谐振试验系统可以满足耐压要求,但由于设备质量较大而主要用于试验室。而变频谐振试验方法不但能满足高压交联电缆的耐压要求,而且质量小,适宜现场试验。该方法采用固定电抗器作为谐振电抗器,以调频的方式实现谐振,频率的调节范围为 30～300 Hz,这种交流电压可模拟运行工况下相同的场强,并已被证明为最有效方法。

2.2.1 串联谐振耐压试验

串联谐振耐压试验是利用电抗器的电感与被试品电容实现串联谐振,已经成为当前高电压试验的新的方向和潮流,在国内外得到了广泛应用。串联谐振有调感式和调频式 2种,调感式采用可调节铁芯气隙的电抗器,通过调节电感量,使回路处于工频谐振状态。其缺点是噪音大、机械结构复杂,设备笨重,搬运困难。而调频式采用固定电感电抗器,通过调节激励电源的频率使其与试验回路的固有频率相同,串联回路达到谐振状态,从而在被试品上产生高电压或大电流。其特点是试验设备体积小、质量小,品质因数高,使用方便。图1为串联谐振的等值电路图。图中电容C包括被试电容、电容分压器、高压试验回路电容。

也就是在被试品得到的容量为试验电源容量的Q倍。换言之,小容量的试验变压器可以对大容量的试品进行耐压试验。实际试验回路中的Q值一般可以达到 20～70,激励电压仅为试验品谐振电压的1/Q,激励功率亦为谐振功率的1/Q。

2.2.2 并联谐振耐压试验

一般情况下,试验变压器容量不足(满足试验电压,达不到试验电流),可以采用并联谐振加以补偿。并联谐振等值回路如图2所示。并联回路的2个支路感抗XL和容抗XC,当XL=XC时回路产生谐振。此时,IL和 IC都很大,但是总回路的电流 I≈0,XC上的电压等于电源电压。并联谐振由电感与电容(容性试品)以及电源并联组成。改变回路参数或电源频率,回路即可调谐至谐振,同时将有1个幅值远大于电源电流,且波形接近于正弦波的电压加在试品上。谐振条件和试验电压的稳定性取决于电源频率和试验回路特性的稳定性。当试品放电时,电源输出的电流较小,从而避免了对试品绝缘的损坏。

图2 并联谐振等值回路

2.2.3 串、并联谐振耐压试验

当试验变压器的额定电压、额定电流均不能满足试验要求时,可同时运用串并联谐振。串联谐振并联电抗器等值回路如图3所示。由电感与电容(容性试品)以及中压电源串并联组成。改变回路参数或电源频率,回路即可调谐至谐振,同时将有1个幅值远大于电源电流和电源电压,且波形接近于正弦波的电压加在试品上。

图3 串联谐振并联电抗器等值回路

2.3 参数计算

a.根据电缆电压等级、电缆截面积和电缆长度等基本参数计算电缆总电容量C。

b.根据电缆的长度和试验要求(如试验频率要求等)选择电抗器,设电抗器的电感量为 L,则试验频率为:f=1 000/2 π

c.谐振回路高压电流 IH=2 πfCUC/1 000。

e.估算所需励磁变输出电压:UO≥UC/Q。

3 变频谐振法的实际应用

以220 kV正阳甲、乙线 XLPE绝缘电缆交流耐压试验为例,电缆型号为YJLW03-127/220kV-1×1 200 mm2,长度 2.2 km。交流耐压试验设备技术参数见表1。依据DB22/T 002— 2007《交联聚乙烯绝缘电力电缆交接及预防性试验》标准,试验电压1.7 U0为 216 kV,时间为 60 min。

按照电缆截面 1 200 mm2(0.176μF/km)计算电缆总电容量为 387 200 pF,当 4节电抗器并联使用时按图1接线,电感量 26.539 H,耐压值216 kV,试验频率 f=49.65 Hz,谐振回路高压电流为26.1 A,励磁变压器的低压侧电流425 A。由于试验电压较高,考虑到励磁变压器、电抗器、电缆的有功损耗,励磁变压器实际电流会达到或接近额定电流,在耐压时,采用串联谐振,并联补偿的方式,即 1节10 A电抗器和2节5 A电抗器并联后与电缆串联,1节10 A电抗器与电缆并联(该节电抗器末端接地)。则励磁变压器输出电流17.4 A、输入电流283.7 A。

上述试验验证了采用串联谐振时,利用电抗器并联补偿方法对XLPE绝缘电缆进行交流耐压实验的可行性。

电缆的加压时间为 60 min,利用红外测温装置对电抗器的温度进行监视,用钳型电流表监测变频电源的输入电流和输出电流,以保证试验装置安全。试验引线采用无晕导线(或使用足够面积的塑胶多股软铜线)。

4 新旧电缆相结合的交流耐压试验

Q/GDW 512— 2010《电力电缆线路运行》规程要求见表2。对于已经运行的电缆线路,可采用较低的试验电压或较短的试验时间。充分考虑电缆线路的运行时间、环境条件、击穿历史和试验目的,最终确定试验的电压和时间。

Q/GDW 168— 2008《输变电设备状态检修试验规程》交流耐压试验标准为:220 kV交流耐压试验电压1.36U0,(173 kV),66 kV交流耐压试验电压1.6U0(80 kV),试验时间 5 min。 DB22/T 002— 2007《交联聚乙烯绝缘电力电缆交接及预防性试验》规程要求见表3。

表1 交流耐压试验设备技术参数

表2 电力电缆线路运行规程试验参数

表3 XLPE绝缘电力电缆主绝缘交流电压试验参数

考虑有些运行时间较长的66 kV XLPE绝缘电力电缆的承受能力,为保证电缆安全,建议按 Q/GDW 168— 2008交流耐压试验的电压标准执行,耐压时间5 min,或投运时将其挂网试运行 24 h。通过上述 2种方法对其进行检验,以此作为对新旧电缆通过竣工交接试验的条件。

5 结束语

利用变频谐振装置对XLPE绝缘电缆进行耐压试验大大降低了试验设备的容量,十分适合现场试验。同时利用变频谐振装置使其试验频率在一定范围内可调,试验电抗器通过串、并联组合,串联谐振并联补偿的方法可扩展现有试验设备能力,实现长距离电缆的交流耐压试验。对已运行的老旧电缆与新电缆结合后的交流耐压试验,要根据老旧电缆的运行情况,采用适当的试验电压与耐压时间。