交联聚乙烯电缆几种交流耐压试验的选择

陶源 深圳市特区建发投资发展有限公司

引言：随着我国电网改造力度的不断加大，XLPE交联聚乙烯绝缘电缆已逐渐替代充油油纸电缆，被广泛应用于输电及配电线路。作为电力电缆交接试验的重要组成部分，耐压试验是检验电缆绝缘性能的最直接手段。与油纸电缆不同的是，以往应用于充油绝缘电缆的直流耐压试验并不适用于交联聚乙烯电缆。国外一些机构通过研究认为，直流耐压不能真实反映电缆的实际运行工况，并且在直流电场作用下，会促使交联聚乙烯绝缘水树枝转为电树枝，当电缆投运后，电树枝很容易被交流电击穿。

因此，交流耐压就成为了更适合交联聚乙烯电缆的试验方法。目前常用的交流试验方法如：工频耐压、谐振耐压、0.1Hz超低频等。由于电力电缆在电气回路中呈现电容性，根据不同的应用形式，电缆的电压等级、长度、截面也有很大差别，这就对试验装置的容量以及适用范围提出了一定要求，如何准确、适用地选用交流耐压方法就成为了电缆交接试验中需要掌握的内容。

1.工频耐压试验

1.1 试验原理

工频交流耐压装置主要由智能工频试验台、试验变压器2部分构成。如图1所示，工频耐压的原理较为简单，其输出就是利用操作平滑调节调压器，从而实现在试验变压器的高压侧输出端生成试验所需要的电压值。以U0/U=8.7/10kV交联聚乙烯电缆为例，其交接试验电压为2U0既17.4kV。

图1 ：工频耐压试验接线图

1.2 试验标准

根据GB50150 2016《电气装置安装工程 电气设备交接试验标准》规定，工频耐压试验与变频20～300Hz耐压标准相同，见表1：

表1：橡塑电缆20Hz-300Hz 交流耐压试验电压和时间

1.3 优缺点分析

1）工频50Hz试验条件下，完全符合电缆实际运行时的工况环境，所以也是检验交流电缆最直接有效的方法。

2）从理论上讲，工频耐压试验不但能检验电缆的泄漏特性、耐压性，还能反映由于局部电介质损耗引起的绝缘材质局部耐压特性。

3）试验原理简单，方法成熟，仪器数量少，连线操作方法简易。

但工频耐压可试验的电容值是有限的。以YJV22-8.7/10kV-300mm2电缆为例，其1km长度电缆电容量为0.370uF，若对1km电缆进行工频试压，试验设备的容量P=ωCU2，既：

式中：U——试验电压值

C——电缆电容值

经计算可知，试验装置的容量应≥35kVA，当电缆长度达到3km时，试验装置容量则超过100kVA，参考国内武高电力厂生产的WDYD型工频试验设备参数，仅试验变压器重量就超过290kg，如此笨重的设备在现场搬运便十分困难，对实验人员的工作效率同样造成一定影响。

2.超低频0.1Hz耐压试验

2.1 试验原理

超低频0.1Hz耐压试验装置的组成与工频耐压类似，但体积仅为工频耐压设备的1/10～1/100。其试验原理是利用超低频产生的正弦波电流进行充电。在达到试验需要的时间后，对试品充电至高电压。超低频正弦波同时也消除了一些其他不利谐波的产生，例如高频谐波，而该类谐波会对电缆试品产生诸如驻波及其它一些有害的电压突变。实践证明，超低频0.1Hz耐压对交联聚乙烯绝缘产生的击穿电压与工频所得到的电压值是基本相同。

2.2 试验标准

我国标准GB50150 2016《电气装置安装工程 电气设备交接试验标准》以及欧盟试验标准规定，超低频0.1Hz试验电压为3U0，耐压时间为15min。

2.3 优缺点分析

1）超低频0.1Hz耐压试验设备体积重量小巧，理论上试验变压器容量是工频装置的1／500，其体积同样也小于串联谐振试验装置，在现场具有搬运灵活的特点。

2）超低频耐压能促使水树枝转化为电树枝，因此很容易发现交联电缆的水树枝缺陷。

3）适用的试品电容范围一般为0-6uF，基本可以满足大部分长度、截面的电缆试验。

虽然超低频能检验绝缘水树枝缺陷，但也容易引起交联电缆受水树枝影响后，进而加速绝缘老化，减少电缆的使用寿命的问题。目前国内外对超低频0.1Hz耐压试验的输出电压还有一定限制，所以该方法在110KV及以上电压等级的电缆中应用经验很少，现今还缺乏依据证明其检验效果与工频耐压等效，所以只能应用于35kV及以下电缆试验。

3.谐振耐压试验

谐振耐压装置按照试验过程中电路元件变化的种类，可分为变感式(L)、变容式(C)、变频式(f)。现行国家标准GB50150 2016《电气装置安装工程 电气设备交接试验标准》明确提出，由于变频串联谐振电压试验具有设备轻便、要求的试验电源容量不大、对试品的损伤小等优点，因此，除制造厂另有规定外，建议优先采用变频串联谐振的方式。并要求橡塑电缆应优先采用20Hz～300Hz交流耐压试验。所以本文以变频20Hz～300Hz串联谐振试验为代表进行探讨。

3.1 试验原理

变频串联谐振装置主要由励磁变压器、电抗器、电容分压器、变频电源控制平台组成。其主要是通过串联方式，将电感（电抗器）、电容（电缆）、电压源三部分组成（如图2）。通过调整试验电路中的相关参数及电源频率，使整个回路达到谐振升压的目的。当试验过程发生谐振时，此时试验系统中的感抗值等于容抗值（ωL=1/ωc）。电路的谐振频率：，电感（电抗器）产生的磁场能量与电容（电缆）产生的电场能量在此过程中不断互相转换，产生积累叠加效应，便生成一个幅值远大于电源Q倍的电压，且波形接近于正弦波、频率接近工频附近的电压施加于电缆试品上。

图2 ：变频串联谐振耐压试验接线图

3.2 试验标准

变频20Hz～300Hz串联谐振试验与工频耐压试验标准相同，见表1。

3.3 优缺点分析

1）由于串联谐振是利用谐振产生高电压，在整个试验电路中，电源仅提供试验电路中的有功消耗部分。因此，试验电源容量只需达到电缆试品的1/Q便可完成试验。

2）与工频耐压设备相比，串联谐振省去了调压装置和大功率工频试验变压器，同时，激磁电源仅为试品容量1/Q倍，使设备重量和体积都大幅减少。

3）谐振电源是谐振式滤波电路，可以有效改善输出电压的波形畸变，防止因谐波峰值对试品造成击穿，所以更适合于110kV及以上高压电缆。

4）当电缆发生击穿时，因失去谐振条件，试验电压相应消失，同时电弧熄灭。电抗器也将限制回路电流的上升，从而保护串联谐振设备免受过压或大电流的冲击。

5）国家标准GB50150 2016规定，对分相屏蔽的三芯电缆和单芯电缆，可一相或多相同时进行。当三芯电缆分相测试绝缘电阻后，可三相并联同时进行耐压试验，试验时间可缩短2/3。同时，由于电缆三相并联后的总电容C=Ca+Cb+Cc，近似等效于对试验系统进行了电容补偿，更适合长距离、大截面的电缆试验。

虽然变频串联谐振装置具有诸多优点，但为了达到谐振目的，其试验用的电抗器容量依然很大，现场环境条件不理想时，搬运设备也比较困难。并且当电缆试品长度短、截面小，整体电容偏小时，还需增加电容补偿装置以达到谐振条件，进而增加了试验设备的数量。

结语：通过上述对三种交联聚乙烯电缆常用交流耐压方法的探讨，可依照交联聚乙烯电缆的不同应用场合，相应选择合适的试验方法，具体如下：

1）35 kV及以下电缆短距离敷设，优先采用工频交流耐压，例如住宅、综合体等民用建筑地下室配电线路的交接试验；

2）35 kV及以下电缆长距离敷设，若采用工频交流耐压设备容量过大，可考虑选择超低频0.1Hz耐压试验，例如超高层建筑设有高层变电所时、以及中压电网改造等工程；

3）35 kV及以上电缆长距离敷设，采用变频串联谐振耐压进行检验更为合适。当三芯电缆采用三相并联试压时，还可将试验时间缩短为1/3，例如中高压电力电网新建、改建等工程。