中压开关设备电缆试验回路的绝缘试验方法分析

刘 蕾，李华良，谢瑞涛

（1.西安高压电器研究院有限责任公司，西安710077；2.中国启源工程设计研究院有限公司，西安710018）

0 引言

近年来，电力电缆因具有可靠性高、节省线路走廊、受外界环境影响小、传输性能稳定等优点在城市配电网中应用广泛[1-2]。城市电缆一般敷设于地下或电缆井道内，电缆发生故障或绝缘击穿后维修成本高，因此，为提高供电可靠性，掌握电缆的运行状态，定期对电缆进行预防性试验十分必要。然而将电缆从开关设备上断开十分困难，且程序复杂。将电缆连接在开关设备上对其进行绝缘试验，开关设备将承受电缆试验时电应力的作用，这在开关设备设计时并未考虑。

电缆的绝缘试验可采用超低频、工频或直流耐压方法，一些试验参数比开关设备的额定绝缘水平高。考虑到用户供电连续性的要求，开关设备的部分进/出线无法从高压回路断开，开关设备将承受电缆试验时系统对地电压作用；而开关设备断口，将承受联合电应力的作用，断口两端的电压可能接近或超过其额定工频试验电压，存在击穿风险。

GB/T 3906—2020《3.6 kV~40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备》将电缆试验回路的绝缘试验列为适用时强制的型式试验，给出了对应的额定工频电缆试验电压Uct（a.c.）以及额定直流电缆试验电压Uct（d.c.）的定义和相应试验方法。标准规定，开关设备可以设计成当电缆与开关设备连接时允许进行电缆试验，通过专门的试验连接或电缆终端来实施，此时开关设备应能同时承受施加在电缆连接部件的额定电缆试验电压和电缆试验期间主回路元件正常承受的额定电压的联合作用[3]。GB/T 3906—2020还规定了电缆试验回路的绝缘性能，要求开关设备制造企业应在开关设计、制造和出厂试验时考虑上述工况。本文分析了开关设备配用电缆的试验工况，提出了符合GB/T 3906—2020要求的电缆绝缘试验回路，对额定电缆试验电压值进行了讨论，总结了相关标准或规范的推荐试验值。

1 开关设备电缆的绝缘试验

1.1 试验回路

图1 为负荷开关配套电缆的绝缘试验（交流/直流）路，采用高压整流硅堆和高压短接线的方式来实现直流和交流的输出，用工频试验变压器1模拟系统电源电压，用工频试验变压器2进行电缆耐压试验。从图1可以看出，当对ab段电缆进行耐压试验时，负荷开关的断口将同时承受工频试验变压器1侧运行电压和工频试验变压器2侧电缆试验电压的联合作用。

图1 电缆的绝缘试验回路

GB/T 3906—2020规定，Uct（a.c.）和Uct（d.c.）分别为与开关设备（可能处于运行状态）连接的电缆上可以施加的额定交流和直流试验电压。对于Uct（a.c.），试验持续时间为1 min；对于Uct（d.c.），试验持续时间为15 min。按照最严格的情况，对于两个同频率的、极性相反（相位差180°）的交流试验电压，开关设备断口所承受的电压为Ust（a.c.）系统交流运行电压之差。试验期间，若电缆试验连接部分和母线之间有分隔，则可以忽略母线侧的试验电压，仅需单独给试验电缆施加电压。

1.2 试验参数不确定原因

图2 为电缆试验时开关设备母线侧、电缆和开关断口两侧的电压波形，其中，Ust（a.c.）和Ust（d.c.）分别为电缆交流和直流耐压试验时开关断口上承受的联合电压，其值由系统运行电压和电缆试验电压共同确定。然而，GB/T 3906—2020并未给出Ust（a.c.）和Ust（d.c.）的具体值，仅说明如果开关设备的设计允许电缆和开关设备连接时进行电缆的绝缘试验，制造厂应该规定一个或者多个额定试验电压，给实际试验带来了一定困难，但制造厂往往无法给出电缆额定试验电压Uct（a.c.）和Uct（d.c.）的值，原因有以下几点。

（1）中压开关设备的进出线电缆通常由电缆制造厂提供，按照相关标准[4-6]进行交货验收，能否直接引用其安装后的电气试验电压还需要论证。

（2）中压开关设备投运后，配套电缆的预防性试验由用户负责进行，其试验值通常依据电力部门的预防性试验规程，而这类规程数量多而且不够严谨。建议用户在调研后确定是否需要根据规程规定的程序进行耐压试验，同时还应按照电缆以及电缆试验设备的实际情况，尽可能给出对应电缆试验电压的推荐值。

（3）要求开关设备集成电缆试验功能是GB/T 3906—2020的新要求，Uct（a.c.）和Uct（d.c.）需根据实际运行工况（电压值、电压类型、预防性试验周期等）综合考虑。试验电压值太高会导致开关设备制造成本增加；反之，则无法反映实际运行维护工况。

2 额定电缆试验电压

2.1 电缆试验工况

为了确定额定电缆试验电压，首先需明确电缆的修复性维护试验、预防性试验、交接验收试验及安装后电气试验工况。修复性维护试验是指当电缆发生故障后，采用试验方法确定故障点位置（低压脉冲反射和脉冲电流测试），这类方法的试验电压远低于电缆运行电压。因此，额定电缆试验电压可不考虑电缆的修复性维护试验。电缆的预防性试验是指为了评估电缆、中间接头以及相关配件的状态，防止绝缘缺陷和潜在故障点演化为实际故障之前对其进行的周期性检查试验，国家电网公司有电缆的预防性试验规程可供参考[7]。电缆的交接验收试验是指对现场安装的电缆进行的验收性试验，主要目的是评价电缆的安装是否符合规定要求、是否可以通电运行。交接验收试验一般按GB 50150—2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》或GB/T 12706—2020进行。安装后电气试验用以证明安装后的电缆及其附件完好。表1给出3.6~40.5 kV橡塑绝缘电缆的试验要求，由于在用电缆中充油绝缘电缆和纸绝缘电缆应用较少，因此未列出[4-8]。从表1可以看出，电缆安装后的电气试验、预防性试验以及交接验收试验要求的试验电压较高，额定电缆试验电压应当考虑这类试验的要求。

表1 3.6~40.5 kV橡塑绝缘电缆的试验要求

2.2 实例分析

以10 kV电缆为例，按照GB 50150—2016进行电缆交流耐压试验时，电缆上的交流电压为12 kV，母线上系统对地电压为5.77 kV。当母线侧和电缆侧交流电压相位相差180°时，开关断口两端承受的电压为17.77 kV，如图2（b）所示。而按DL/T 596—2005《电力设备预防性试验规程》进行电缆直流耐压预防性试验时，电缆上的直流电压为25 kV，母线上系统对地电压为5.77 kV。当母线侧电压峰值和电缆侧直流电压极性相反时，开关断口两端承受的电压为30.77 kV，如图2（c）所示。断口两端的电压均未超过12 kV开关设备断口工频耐受电压（开关断口工频耐受电压为42 kV，隔离断口工频耐受电压为48 kV）[9]。然而，开关设备断口工频耐受电压试验规定的持续时间为1 min，而电缆耐压试验持续时间为5/15/60 min，24 h。根据GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》4.1.4规定，对于非有效接地系统工频过电压不应大于1.1Um[10]。电缆侧交流耐压值没有超过此过电压值，开关设备的绝缘水平能够承受。

3 电缆常规试验方法比较

电缆的耐压试验及缺陷检测方法目前主要有交流（AC）电压法、直流（DC）电压法、超低频（Very Low Frequency，VLF）电压法和衰减振荡（Oscillating Waveform，OSC）电压法，不同方法性能比较见表2。

表2 电缆试验方法性能比较

电缆采用直流电压试验是为了降低电容性试验电流，进而减少试验设备的容量，但电缆的直流耐压试验持续时间较长，且其试验电压超过了系统规定的过电压水平，可能导致电缆过早老化、甚至诱发电缆绝缘缺陷。因此，相关标准和规程均不推荐35 kV工频以上电缆进行直流耐压试验[11]。

VLF电压法使用设备尺寸较小，而且对试验电源容量要求较低，试验典型频率为0.1 Hz。但是，VLF与直流或交流电压法的等效性尚未得到验证，在开关设备相关的IEC和国标中均未在电缆回路的绝缘试验中提及VLF电压法，仅指出直流电压试验可能涵盖VLF电压法。

OSC电压法是基于LC阻尼振荡原理对被测电缆施加近似工频正弦电压，即模拟电缆运行状态。振荡波测试时，不使用外部高压电源，每次加压过程持续时间约为几百毫秒，测试结果为电缆的局放量，属于电缆无损缺陷检测方法。OSC电压法适用于存在较大缺陷的电力电缆，但对电缆的“树枝化”缺陷灵敏检测度不足，无法完全替代其他方法。

4 电缆绝缘试验注意事项

开关设备配套电缆的绝缘试验方法并不复杂，但需要考虑开关设备主回路接线、电缆试验目的（安装后验收、交接验收、预防性试验或缺陷诊断等）、试验电压类型、试验持续时间及试验周期等因素。试验过程需注意以下几点。

（1）考虑改造或维修等因素，某些配电系统可能包含多种类型的绝缘电缆。对电缆进行试验时，应以其薄弱点的绝缘水平作为施加电应力的限值。

（2）如果电缆可从开关设备上断开进行绝缘试验，就不需要对开关设备断口提出相应的电缆回路绝缘试验要求。反之，如果电缆的一个或两个端子仍连接在开关设备上，试验时则应建立严格的安全操作规程，同时对开关设备断口的绝缘水平进行评估，以确定合理的试验电压值和持续时间。

（3）由于电缆试验工况的复杂性，且各标准之间不统一，GB/T 3906—2020无法给出相应的电缆试验电压类型、试验值和试验持续时间，这给开关设备的选择带来了困难。在试验过程中，考虑预期的试验工况之后，用户可按额定电缆试验电压值来选择开关设备，或者在招标时指定额定电缆试验电压值，表3为10 kV开关设备电缆试验的参数要求。

表3 10 kV开关设备电缆试验参数要求

（4）通常电缆的试验电压，表示为电缆导体对地或金属屏蔽之间的额定工频电压U0的倍数，导体间的额定工频电压为U，电缆可承受的最高系统电压为Um，这与GB 311.1—2012《绝缘配合 第1部分定义、原则和规则》的规定存在较大差异[12]。此部分容易让试验人员混淆，因为开关设备的额定电压Ur通常用相间电压值表示，且为“设备最高电压”而不是其运行电压，在实际试验时需要特别注意。