如何用串聯(lián)諧振裝置給高壓交聯(lián)電纜現(xiàn)場做交流耐壓試驗(yàn)
如何用串聯(lián)諧振裝置給高壓交聯(lián)電纜現(xiàn)場做交流耐壓試驗(yàn)？ 問題的提出，首先我們要從電纜構(gòu)造說起。當(dāng)前在和國內(nèi)已有越來越多的XLPE交聯(lián)聚乙烯絕緣的電力電纜替代原有的充油油紙絕緣的電力電纜。但在交聯(lián)電纜投運(yùn)前的試驗(yàn)手段上由于被試容量大和試驗(yàn)設(shè)備的原因，幾十年以來，電力系統(tǒng)仍沿襲使用直流耐壓的試驗(yàn)方法。近年來、國內(nèi)的很多研究機(jī)構(gòu)的研究成果表明直流試驗(yàn)對XLPE交聯(lián)聚乙烯電纜有不同程度的損害。有的研究觀點(diǎn)認(rèn)為XLPE結(jié)構(gòu)具有存儲積累單極性殘余電荷的能力，當(dāng)在直流試驗(yàn)后，如不能有效的釋放掉直流殘余電荷，投運(yùn)后在直流殘余電荷加上交流電壓峰值將可能致使電纜發(fā)生擊穿。國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為，交聯(lián)聚乙烯電纜的直流耐壓試驗(yàn)中，由于空間電荷效應(yīng)，絕緣中的實(shí)際電場強(qiáng)度可比電纜絕緣的工作電場強(qiáng)度高達(dá)11倍。交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜即使通過了直流試驗(yàn)不發(fā)生擊穿，也會引起絕緣的嚴(yán)重?fù)p傷。其次，由于施加的直流電壓場強(qiáng)分布與運(yùn)行的交流電壓場強(qiáng)分布不同。直流試驗(yàn)也不能真實(shí)模擬運(yùn)行狀態(tài)下電纜承受的過電壓，并有效的發(fā)現(xiàn)電纜及電纜接頭本身和施工工藝上的缺陷。因此，使用非直流的方法對交聯(lián)電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)就越來越受到人們的重視。目前，在中低壓電纜上國外已使用超低頻電源（VLF）進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。但由于此類VLF的電壓等級偏低，尚不能用于110kV及以上的高壓電纜試驗(yàn)。在國內(nèi)，對于低壓電纜,這種方法也使用過，但由于試驗(yàn)設(shè)備的原因，沒能得到大面積的推廣。而近些年由于城、農(nóng)網(wǎng)建設(shè)改造的進(jìn)行， XLPE交聯(lián)電纜越來越多，僅僅靠直流耐壓試驗(yàn)后就將電纜投入運(yùn)行，而在運(yùn)行電壓下發(fā)生電纜或電纜頭擊穿的事例也時有發(fā)生。所以，大家都在探索新的試驗(yàn)方法。
試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)問題的探討
由于設(shè)備容量和體積等問題，目前國家尚無高壓電力電纜敷設(shè)后在現(xiàn)場進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。但對直流耐壓試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn),由于前面所述原因人們也產(chǎn)生了一些疑問。CIGRI大電網(wǎng)工作會議21工作組的《高壓擠包絕緣電纜竣工驗(yàn)收試驗(yàn)建議導(dǎo)則》中對目前采用的直流耐壓試驗(yàn)方法提出疑議，并推薦使用工頻及近似工頻（30-300Hz）的交流試驗(yàn)方法。IEC 60840標(biāo)準(zhǔn)中在45-150kV敷設(shè)后電纜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中除原直流試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)外，增加了1.7U0 5分鐘或1U0 24小時的交流試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。而在220kV等級中IEC 62067/CD草案中則取消了電纜敷設(shè)后試驗(yàn)中直流試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，只有交流試驗(yàn)的要求，即 20-300Hz 1.4U0 60分鐘。為了更有效的對施工后的交聯(lián)電纜進(jìn)行交接試驗(yàn),華北電力集團(tuán)公司在《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》修訂內(nèi)容中在電纜主絕緣耐壓試驗(yàn)一項(xiàng)中增加了電纜的交流耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。之后，國內(nèi)很多地方也相應(yīng)的出臺了地方性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其試驗(yàn)頻率大多都在30-300Hz，中低壓電纜試驗(yàn)電壓為1.6-2.0倍的相電壓，高壓電纜試驗(yàn)電壓一般都在1.4-1.7倍的相電壓，具體根據(jù)各個地方略有不同，浙江推薦中低壓電纜試驗(yàn)頻率為45-65 Hz，高壓電纜試驗(yàn)頻率為35-75 Hz。
電纜試驗(yàn)頻率爭議
由于電纜的電容量較大，采用傳統(tǒng)的工頻試驗(yàn)變壓器很笨重，龐大，且大電流的工作電源在現(xiàn)場不易取得。因此一般都采用串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備。其輸入電源的容量能顯著降低，重量減輕，便于使用和運(yùn)輸。初期多采用調(diào)感式串聯(lián)諧振設(shè)備（50Hz），但存在自動化程度差、噪音大等缺點(diǎn)。因此現(xiàn)在大都采用TPXZB系列調(diào)頻式（30-300Hz）串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備，可以得到更高的品質(zhì)數(shù)（Q值），并具有自動調(diào)諧、多重保護(hù)，以及低噪音、靈活的組合方式（單件重量大為下降）等優(yōu)點(diǎn)。
綜合國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料，選擇合適的試驗(yàn)頻率范圍是個比較重要的問題。在這方面，有一些不同的觀點(diǎn)和提法。就目前的國內(nèi)外的提法來看，我們總結(jié)可分成3類：第1類為較寬頻率范圍30-300Hz、20-300Hz、1-300Hz；第2類為工頻范圍，45-65Hz，45-55Hz；第3類為接近工頻，35-75Hz。
（1）第1類較寬頻率范圍
大電網(wǎng)會議第21、09工作組發(fā)布的《試驗(yàn)導(dǎo)則》，建議頻率范圍為30-300Hz。但實(shí)際上更低一些頻率也具有較好地等效性。IEC60840和IEC62067標(biāo)準(zhǔn)草案（2001年和2000年）就規(guī)定可采用20-300Hz。
國外有些廠家設(shè)計(jì)串聯(lián)諧用電抗器，在特殊情況下也有采用zui低頻率為25Hz或20Hz的。當(dāng)然頻率愈低，被試電纜的長度（電容量）可增大。但是電抗器鐵心因此放大，使重量增加。個別資料顯示, 1-300Hz的交流試驗(yàn)也具有與工頻交流試驗(yàn)的等效性，這說明實(shí)際應(yīng)用中頻率下限有可能取得更低，例如小于20Hz甚至到0.1Hz也是可行的。進(jìn)一步表明在這樣的頻率范圍內(nèi)，絕緣內(nèi)部各介質(zhì)的電壓分布及介質(zhì)特性仍基本相同。
工作頻率超過300Hz是否適當(dāng)？有資料報(bào)導(dǎo)說，隨頻率增高，串諧電抗器及勵磁變壓器的損耗降低，但是要考慮被試品電容介質(zhì)的極化發(fā)熱問題，因此頻率高于300Hz是不可取的。
（2）第2類為工頻范圍
上工業(yè)頻率主要指50Hz和60Hz兩種，故IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對高壓絕緣的工業(yè)試驗(yàn)頻率范圍為45-65Hz，在我國額定工頻為50Hz。GB/T16927.1-1997規(guī)定工頻試驗(yàn)頻率范圍為45-55Hz。
認(rèn)為工頻電力電纜的試驗(yàn)電壓也必須是工頻，這是趨于比較保守的觀點(diǎn)。針對此問題應(yīng)該著重說明交接和預(yù)防性試驗(yàn)的目的在于發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的能力來定的。在不同的頻率下只要絕緣內(nèi)部介質(zhì)電壓分布相同，又有基本相同的檢出絕緣故障的能力，就能達(dá)到試驗(yàn)的目的。因此即使選用比工頻范圍更寬的頻率也是可以接受的。
在90年代中期為了選擇適當(dāng)?shù)慕涣髂蛪涸囼?yàn)的頻率范圍，做了大量、仔細(xì)的基礎(chǔ)研究工作。得出頻率在30-300Hz范圍內(nèi)，橡塑電纜內(nèi)部幾種典型絕緣缺陷的擊穿特性沒有明顯差別。這應(yīng)該是可信的，也得到普遍采用。分析形成這種在不同頻率下良好的擊穿特性，主要原因是優(yōu)良的同軸絕緣結(jié)構(gòu)，單一的絕緣介質(zhì)，材質(zhì)相對純潔、電場分布合理、規(guī)則。因此，在不同頻率下結(jié)構(gòu)內(nèi)部電壓分布相同，形成寬頻率范圍試驗(yàn)的條件。
油紙絕緣電纜一直采用頻率等于零的直流電壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，其實(shí)際效果很好，數(shù)十年來未受到置疑。
（3）第3類為接近工頻頻率，35-75Hz
國外曾對正常XLPE（交聯(lián)聚乙烯）絕緣電纜樣品，在不同頻率下進(jìn)行擊穿試驗(yàn)。結(jié)果表明在頻率為35-75Hz時擊穿電壓均落在可置信度95%之內(nèi)。因此有觀點(diǎn)贊成試驗(yàn)電壓頻率選在35-75Hz,也較為靠近運(yùn)行電壓頻率50Hz。值得注意的是，上述測試結(jié)果是對正常絕緣做的擊穿試驗(yàn)。而交接和預(yù)防性試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)電壓值是偏低的，它只能擊穿有缺陷的絕緣弱點(diǎn)（機(jī)械損傷、水樹枝、終端頭或接頭盒應(yīng)力鐵錐施工或用料錯誤，等等），*不足以擊穿電纜本體的正常絕緣?？梢妰煞N試驗(yàn)的目的和工作機(jī)理均不相同。似乎沒有必要將正常絕緣35-75Hz的擊穿特性“延伸”應(yīng)用到檢測絕緣缺陷方面。
串聯(lián)諧振裝置的選型
35kV及以下電壓等級的電纜使用數(shù)量多，實(shí)驗(yàn)工作量大，所以此類耐壓試驗(yàn)裝置應(yīng)該體積小，重量輕，滬躍公司生產(chǎn)的電纜串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置由此誕生。
本裝置中，要求單個人能現(xiàn)場搬動的部件重量不超過30kg，要求兩人能現(xiàn)場搬動的部件不超過60kg，適合現(xiàn)場搬動，電抗器部分采用干式環(huán)氧澆注，美觀可靠，適合各類電纜的要求。本裝置具有以下特點(diǎn)：
（1）、操作簡便
具有自動/手動調(diào)諧功能；大屏幕顯示電壓、電流和頻率等參數(shù)；具有過壓過流整定與保護(hù)功能；具有失諧保護(hù)功能；具有自動記時和時間到關(guān)閉功能；電壓調(diào)節(jié)具有零位啟動功能，以保證調(diào)諧的安全性和高壓回路的零起升壓；
（2）、配置靈活
電抗器采用多臺式，試被試設(shè)備可串可并使用，而且可以根據(jù)被試設(shè)備確定帶到現(xiàn)場區(qū)的電抗器的個數(shù)；
（3）、重量輕、體積小
以一套2kM長的10kV電纜（高壓電流2.）為例，單臺電抗器重量35kg（2臺），變頻控制箱重量12kg，勵磁變壓器重量15kg。
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