110 kV交联聚乙烯绝缘电缆耐压试验

于 海，刘 威，李 清

(1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院,乌鲁木齐 830011；2.国网新疆电力有限公司经济技术研究院，乌鲁木齐830000)

0 引 言

随着社会的不断发展，城市用电量不断增大，电力电缆作为电网中重要的一次设备，对保证电力负荷稳定安全运行有着重要的作用。按照绝缘材料分，电力电缆可以分为油浸纸绝缘电力电缆、塑料绝缘电缆、橡胶(皮)绝缘电力电缆等[1]。其中,塑料绝缘电缆中的交联聚乙烯绝缘电缆因其电气性能优良、机械强度高、操作温度高、耐腐蚀等优点，已经广泛被应用到城市电缆当中[2]。

虽然电力电缆在出厂时要经过严格的试验，但是在运输和安装过程中可能由于磕碰、受潮等因素造成各种缺陷。因此，电力电缆在投运前必须要进行耐压试验，以及时发现电缆绝缘缺陷、保证供电的安全稳定[3]。

传统直流耐压试验因为其轻便、容量低、可移动性好等优点，曾被广泛地用于油浸纸绝缘电缆耐压试验。但是XLPE绝缘电缆与油浸纸绝缘电缆不同，属于整体绝缘，绝缘机理在直流场和交流场表现完全不同。直流耐压试验应用于XLPE绝缘电缆中时，一方面，不能模拟其运行方式，且会在其内部残存电荷，当电缆正常运行于峰值电压时，可能造成击穿；另一方面，由于绝缘电缆容易产生水树枝，在直流电压的作用下，会加速绝缘老化，出现直流耐压正常、投入运行发生击穿现象[4]。超低频交流耐压试验(0.1 Hz耐压试验)由于设备轻便而便于现场试验，但是其设备容量较低，而且不能完全反映电缆工频状态下的运行情况，所以不能满足高电压等级的电缆耐压试验。但有研究表明，该试验可在低电压下对XLPE绝缘电缆的绝缘受潮和水树枝缺陷进行有效监测[5]。工频谐振交流耐压试验最能反映电缆实际运行情况，但是高电压、长距离电缆在进行耐压试验时，电缆等效电容会随着电缆长度以及截面积变化而变化，要制作大容量连续可调电感非常困难，所以工频谐振交流耐压试验一般用于实验室研究，不适合现场试验[6]。

本文着眼于XLPE绝缘电缆现场交流耐压试验。首先，介绍了目前常见的几种可用于XLPE绝缘电缆现场交流耐压试验的方法；然后，分析了其试验原理以及各自的优缺点，提出变频并联补偿串联谐振交流耐压试验是用于高电压、长距离电缆交流耐压试验的最优方案；最后，通过1次长距离电缆交流耐压试验验证该方案的可行性，并提出高电压、长距离电缆交流耐压试验应注意的问题。

1 变频交流耐压试验

由于工频串联谐振交流耐压试验通过调节串联回路电抗器容量来达到谐振的目的，对电抗器等设备要求高；而变频交流耐压试验是通过调节电源输出频率以实现谐振，降低了对电抗器的要求。由GB150—2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》可知，橡塑电缆优先采用20～300 Hz交流耐压试验，对于频率满足该范围的交流耐压试验都可达到试验目的，所以变频交流耐压试验是现场电缆耐压试验最常用的方法。按照其电抗器连入电路的位置不同，又可分为变频串联谐振电缆耐压试验、变频并联谐振电缆耐压试验以及并联补偿串联谐振电缆耐压试验[7-9]。

1.1 变频串联谐振交流耐压试验

变频串联谐振耐压工作原理图如图1所示。交流电源连接变频器，通过励磁变压器升压达到满足要求的电压值。其中：R为线路等效电阻，L为串联电抗器，Cx为被试品，C1、C2为分压器。变压器输出电压为Us，试品电压为Uo，回路电流为I。

该方法首先估算被试品的电容值Cx，然后根据试品耐压等级，选择合适量程的电抗器L，通过调节变频器输出频率，使电路发生谐振。

图1 变频串联谐振耐压试验原理图

式中:Po为试品所需要的功率。由于分压器电容值很小，可以忽略不计，所以电源输出功率约为试品需求功率的Q倍。

由此可知，串联谐振具有补偿电压的作用。当电路发生谐振时，试品两端会产生高于励磁变压器两端Q倍的电压，电源输出功率同样高出试品功率Q倍。但是，随着电容量C的增加，线路电流不断增加(试验电压Uo不变)。所以该方法适用于回路电流较小、试品电压较高且试品电容量较小的场合。

1.2 变频并联谐振交流耐压试验

图2为变频并谐振联交流耐压试验原理图。其中:T为励磁变压器，R为线路等效电阻，L为并联电抗器，Cx为被试品，C1、C2为分压器。I为主回路电流，IL为流过电抗器电流，IC为流过电容C的电流，Us为励磁变压器两端电压，Uo为试品两端电压。

由于线路电流几乎为0，所以Us=Uo。此时主回路电流几乎为0，电容器与电抗器之间实现能量的交换。该种试验电路可用于试品电容量大、电压不高的场合，并且该方案降低了对变压器功率的要求。

图2 变频并联谐振耐压试验原理图

1.3 变频并联补偿串联谐振交流耐压试验

图3为变频并联补偿串联谐振交流耐压试验原理图。图中，T为励磁变压器，R为线路等效电阻，L1为串联电抗器，L2为并联电抗器，Cx为试品，C1、C2为分压器，Us为励磁变压器输出电压，Uo为试品两端电压，I为主回路电流，IL为流过L2的电流，IC为流过电容C的电流，其中电容C包括试品电容以及分压器电容。

图3 变频并联补偿串联谐振交流耐压试验原理图

变频并联补偿串联谐振交流耐压试验利用了串联谐振对电压补偿作用以及并联谐振电流分流作用，以减少电源输出功率。上述原理图可等效为图4。

所以试品电压为

主回路电流为

1.4 振荡波交流耐压试验

振荡波电压法是近些年研究较多的一种用于XLPE绝缘电缆的现场检测技术。振荡波电压系统由于其体积小、重量轻、易操作、易实现等优点更易于应用于现场。同时有研究表明，振荡波电压与交流电压具有良好的等效性，被认为是具有前景的电缆检测手段。

振荡波电压法的基本原理是LC振荡，按照产生振荡波电压方式的不同，可以分成两种：一种是直接对电缆进行充电，然后与回路中的电感发生振荡，此种方法以下简称“直充法”；另一种是通过直流电源对大电容充电，然后通过大电容对电缆以及串联电感发电发生振荡，此种方法以下简称“间接法”。

图5 直充法原理图

图6 间接法原理图

两种方法都能发生振荡，但是间接法需要充电电容较大，而且在发生振荡的瞬间，试品电容两端会产生一个过电压，超过额定电压，并且过电压幅值难以预测，所以实际应用主要以直充法为主。

振荡波电压法目前国内并无相关标准，而且直充法是否会在电缆中残存电荷，从而造成电缆损坏并无报道，该方法多用于电缆局放检测。

综上所述，并联补偿串联谐振能够有效补偿电源输出电压，而且能够减少主回路电流。这样不但能够有效降低对于试验变压器、电抗器容量的需求，减少试验设备质量和体积，而且为高电压、长距离XLPE绝缘电缆交流耐压现场试验提供可能。

2 实际应用

对乌鲁木齐一变电站110 kV交联聚乙烯绝缘电缆进行交流耐压验收工作，电缆总长度约为7.23 km。

实验设备主要由变频谐振电源、励磁变压器、高压电抗器以及高压电容分压器组成。其中，变频谐振电源频率范围为30～300 Hz，输出功率为260 kW；励磁变压器额定容量为260 kVA，输出电压为5 kV、20 kV、60 kV比400 V三档；高压电抗器额定电压为160 kV，额定电流为7 A，电感值为97 H，共6个；分压器为250 kV。

根据电缆参数可知，此110 kV交联聚乙烯绝缘电缆电容量约为0.12 μF/km，所以7.23 km电缆总电容量Cx为0.86 μF。若采用串联谐振，根据串联谐振计算式

可知，当Uo与C已知时，ω越小，电流越小。由于电源谐振频率范围为30～300 Hz，所以当fmin=ω/2π=30 Hz时，电路电流最小，由此算出线路最小电流为17.82 A，远超于电抗器额定电流。所以串联谐振电路难以满足实际电抗器额定电流量需求。若采用并联谐振，根据并联谐振相关计算式Us=Uo可知，Uo=60 kV(变压器输出电压)，此时线路电压不满足试验电压需求。

所以本次实验采用并联补偿串联谐振方案，利用串联谐振电路电压补偿作用以及并联谐振分流作用，完成此次现场试验，具体原理图如图7所示。

图7 试验原理图

为了满足主回路以及并联谐振电路电抗器电流要求，实验采用串一并五连接方式。其中La为串联电抗器，Lb、Lc、Ld、Le、Lf为并联电抗器，Cx为电缆电容，C1、C2为分压器。根据并联补偿串联谐振电路计算式

可以计算得出，该试验谐振频率为f=34.87 Hz，串联回路电流为I=5.18 A，流过每一相并联电抗器电流为IL=5.18 A，满足电抗器以及变频谐振电源的要求。

110 kV电缆变频并联补偿串联谐振现场试验数据如表1所示。

表1 现场试验数据Table 1 Test data on site

试验数据与理论计算数据基本相差不大，证明该方案确实可行。

对于高电压、长距离电缆耐压试验，由于线路等效电容量大，依靠变频串联谐振试验方案，则需要电流量极大的电抗器，这在现场试验中很难实现。变频并联补偿串联谐振交流耐压解决了串联谐振需要大电流电抗器的问题，是高电压、长距离电缆耐压试验的可选方案。

通过这次试验，对于高电压、长距离电缆耐压试验仍有一些值得注意的问题。

1)合理配置设备，选择合适的试验方案。由于试验设备容量的限制，选择常用的变频串联谐振方案不能满足试验要求，所以根据现有设备，重新设计试验方案，选择并联补偿串联谐振方案，有效解决了设备参数问题，使试验得以进行。

2)合理估算电路参数。电路参数对于试验方案的确定至关重要。线路电容量的计算，电感量的计算，哪些参数可以忽略、哪些参数不能忽略，这对于品质因数、频率的计算起着决定作用。合理估算电路参数能够使试验方案更接近实际，保证试验能够顺利进行。

3)电抗器散热问题。这是此次试验面临的一个重要问题。由于试验电抗器额定电流量为7 A，实际试验时，流过电抗器的电流为5 A左右，使得电抗器发热严重，需要足够的冷却时间，这影响了试验进度。

3 结 语

随着XLPE绝缘电缆的普及，传统直流耐压试验已经不适合目前电缆耐压试验的要求，超低频耐压试验不能完全反映电缆实际运行情况，现场试验条件难以满足工频耐压试验要求。分析了现场电缆交流耐压试验常用的3种变频谐振交流试验方法，对比各自特点并总结其应用领域。指出并联补偿串联谐振交流耐压试验是用于高电压、长距离电缆交流耐压试验的主要方法，并通过一次现场交流耐压试验验证了该方法的可行性以及正确性。同时指出了该现场试验一些值得注意的问题，为高电压、长距离电缆试验提供参考。