交联海底电缆交流耐压试验研究及主要问题处理

王慧军，徐金兵

（中国能源建设集团华东电力试验研究院有限公司，浙江 杭州 311215）

0 引言

海底电缆是海洋通讯及电力的关键传输设备，是海上丝绸之路和海上风电建设中的核心装备。为消除由于海底电缆在运输、敷设及牵引过程中受到外力伤害而导致的安全隐患，在正式投运前需要完成海底电缆相应的交接试验。

交流耐压试验是鉴定海底电缆绝缘强度最有效和最直接的方法，也是交接预防性试验的一项重要内容。海底电缆交流耐压试验存在电压高、电流大的特点，因此，现场普遍采用串并联混合谐振试验方式进行。串并联混合谐振的关键是对试验电抗器的选择，因为试验电抗器的电感量大小，决定了该套串联谐振耐压设备的试验电压大小、品质因数及设备容量。通过调节变频源的输出频率，可以使得整个回路达到最佳状态，试验电压和试验电流同时满足试验要求。

本文通过对串并联谐振回路进行分析，计算出长距离交联海底电缆耐压试验所需的设备参数，进而选择合适的试验设备，确保试验工作能够顺利开展。在此基础上，分析了试验和运行过程中遇到的主要问题及解决思路。

1 串并联混合谐振回路分析

海底电缆被试品可等效成高品质因素的电容，串并联混合谐振等效回路图如图1所示，由于海底电缆的电容量很大，因此可以忽略分压器电容的影响。

图1 串并联混合谐振等效回路图

试验频率 f 按式（1）计算：

试验电流 I 按式（2）计算：

式中：U为试验电压。

将式（1）代入式（2）可得出：

故串并联谐振回路的试验频率：

那么，试验电流I可以表示为：

有功功率P：

品质因数Q：

式中：S为总功率。

2 试验参数计算及实际应用

某海上风电场建设一座220 kV海上升压站、两回220 kV海底电缆送出线路和一座陆上计量站。220 kV海上升压站将35 kV电压升压至220 kV，经两回220 kV海底电缆将风机所发电能输送至陆上计量站后，就近转入电网系统。220 kV海底电缆为220 kV海上升压站至陆上计量站处的两回3×400 127/220 kV海底光电复合缆三芯交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件，敷设长度26.7 km。

按照国家标准GB/T 32346.1—2015《额定电压220 kV（Um= 252 kV）交联聚乙烯绝缘大长度交流海底电缆及附件 第1部分：试验方法和要求》[1]，GB 50150—2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》[2]和GB/T 18890.1—2015《额定电压220 kV（Um= 252 kV）交联聚乙烯绝缘绝缘电力电缆及其附件 第1部分：试验方法和要求》[3]中的相关要求，海底电缆线路试验电压为180 kV，试验时间为60 min，试验频率范围为20～300 Hz。

被试海底电缆线路A、B、C三相共一回路，单根总长度26.7 km。被试海底电缆线路电容量为3.15 μF。根据式（1），按照标准要求的最低试验频率20 Hz计算，可计算出所需试验电抗器的总电感量应小于20 H。结合现有试验设备，选用6台250 kV 70 H 20 A的试验电抗器（1串5并方式）进行串并联混合谐振，根据式（4）和式（5），串并联谐振回路的试验频率约为26.26 Hz，试验电流约为15.59 A，海底电缆电容电流约为93.51 A，每个并联补偿电抗器流过的电流约为15.59 A。根据经验，品质因数Q值取80，保险系数取1.4，按照式（8）计算输入端的电源功率P：

变频电源选择额定功率为400 kW，完全能够满足试验要求。现场实际试验结果频率为26.22 Hz，与理论计算基本相符。

3 海底电缆试验及运行过程中的问题

海底电缆试验及运行过程中容易出现的问题主要包括：海底电缆耐压时加压点问题、海底电缆线路参数测试问题和海底电缆外护套发热问题。

3.1 海底电缆耐压时加压点问题

目前，海底电缆线路与海上升压站气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS）和陆上计量站GIS的连接方式主要采用电缆进筒仓的方式，耐压试验时加压点容易出现问题，可以采用的方法有：1）在陆上计量站GIS海底电缆连接处外加试验套管。该方法耐压前需将海底电缆与GIS的连接导体拆除，电缆筒仓内注入合格的SF6气体，并经测试合格。耐压时将GIS侧可靠接地。耐压结束后拆除试验套管，再将海底电缆跟GIS进行连接。该方式存在的缺点是需要另外购置或租赁试验套管和施工工期要变长；2）通过陆上计量站GIS出线套管处进行加压。该方法耐压是通过部分GIS进行，试验前应将GIS耐压回路中的避雷器和电压互感器与GIS主回路连接的导体拆除或通过隔离开关断开。该方法存在的缺点是电缆耐压的试验电压和试验时间跟GIS的不一致，需提前跟GIS制造厂家沟通，得到许可后方可进行。

目前，由于海底电缆和GIS分属不同的设备厂家，现场多数采用第一种方法进行耐压试验。

3.2 海底电缆线路参数测试问题

海底电缆线路参数测试时，存在无法核相加压的问题。目前多数采用拆除GIS地刀接地连片，在地刀处核相加压的方式解决。通过合上GIS地刀，拆除GIS地刀接地连片，使得地刀与GIS主回路相通，又与GIS外壳绝缘。另测试数据与纯架空线路相比，零序电容量往往要大于正序电容量。这是因为海底电缆的屏蔽层始终是接地的，测量零序电容时，三相对地的电容量会并联到零序电容里，而正序电容只是单相电缆对地的电容，所以存在零序电容量要大于正序电容量。

3.3 海底电缆外护套发热问题

海底电缆非金属护套采用的是半导电聚乙烯（polyethylene，PE）护套，不锈钢丝铠装，海底电缆的金属护套和不锈钢丝铠装在海底电缆终端处直接接地。由于海底电缆的半导电PE非金属护套为半导电性，保护层、外被层具有渗水性，因此，在海中的海底电缆金属护套通过半导电PE护套、不锈钢丝铠装与海水接地。登陆后，由于陆地部分的环境发生变化，在金属护套与不锈钢丝铠装层之间则存在一定的电势差，海底电缆终端处接地点和海底电缆浸水部分间则会形成环流，所以部分海底电缆在运行过程中有外护套发热情况。在海底电缆终端处安装合适地过压保护装置可有效解决该类问题。

4 结语

本文通过对串并联谐振回路进行分析，计算得到长距离交联海底电缆耐压试验所需的设备参数，进而选择合适的试验设备，确保了交流耐压试验的顺利开展。在此基础上，分析了试验和运行过程中遇到的主要问题及其原因，提出了解决思路。