交聯聚乙烯電纜幾種交流耐壓試驗的選擇

陶源 深圳市特區建發投資發展有限公司

引言：隨著我國電網改造力度的不斷加大，XLPE交聯聚乙烯絕緣電纜已逐漸替代充油油紙電纜，被廣泛應用于輸電及配電線路。作為電力電纜交接試驗的重要組成部分，耐壓試驗是檢驗電纜絕緣性能的最直接手段。與油紙電纜不同的是，以往應用于充油絕緣電纜的直流耐壓試驗并不適用于交聯聚乙烯電纜。國外一些機構通過研究認為，直流耐壓不能真實反映電纜的實際運行工況，并且在直流電場作用下，會促使交聯聚乙烯絕緣水樹枝轉為電樹枝，當電纜投運后，電樹枝很容易被交流電擊穿。

因此，交流耐壓就成為了更適合交聯聚乙烯電纜的試驗方法。目前常用的交流試驗方法如：工頻耐壓、諧振耐壓、0.1Hz超低頻等。由于電力電纜在電氣回路中呈現電容性，根據不同的應用形式，電纜的電壓等級、長度、截面也有很大差別，這就對試驗裝置的容量以及適用范圍提出了一定要求，如何準確、適用地選用交流耐壓方法就成為了電纜交接試驗中需要掌握的內容。

1.工頻耐壓試驗

1.1 試驗原理

工頻交流耐壓裝置主要由智能工頻試驗臺、試驗變壓器2部分構成。如圖1所示，工頻耐壓的原理較為簡單，其輸出就是利用操作平滑調節調壓器，從而實現在試驗變壓器的高壓側輸出端生成試驗所需要的電壓值。以U0/U=8.7/10kV交聯聚乙烯電纜為例，其交接試驗電壓為2U0既17.4kV。

圖1 ：工頻耐壓試驗接線圖

1.2 試驗標準

根據GB50150 2016《電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準》規定，工頻耐壓試驗與變頻20～300Hz耐壓標準相同，見表1：

表1：橡塑電纜20Hz-300Hz 交流耐壓試驗電壓和時間

1.3 優缺點分析

1）工頻50Hz試驗條件下，完全符合電纜實際運行時的工況環境，所以也是檢驗交流電纜最直接有效的方法。

2）從理論上講，工頻耐壓試驗不但能檢驗電纜的泄漏特性、耐壓性，還能反映由于局部電介質損耗引起的絕緣材質局部耐壓特性。

3）試驗原理簡單，方法成熟，儀器數量少，連線操作方法簡易。

但工頻耐壓可試驗的電容值是有限的。以YJV22-8.7/10kV-300mm2電纜為例，其1km長度電纜電容量為0.370uF，若對1km電纜進行工頻試壓，試驗設備的容量P=ωCU2，既：

式中：U——試驗電壓值

C——電纜電容值

經計算可知，試驗裝置的容量應≥35kVA，當電纜長度達到3km時，試驗裝置容量則超過100kVA，參考國內武高電力廠生產的WDYD型工頻試驗設備參數，僅試驗變壓器重量就超過290kg，如此笨重的設備在現場搬運便十分困難，對實驗人員的工作效率同樣造成一定影響。

2.超低頻0.1Hz耐壓試驗

2.1 試驗原理

超低頻0.1Hz耐壓試驗裝置的組成與工頻耐壓類似，但體積僅為工頻耐壓設備的1/10～1/100。其試驗原理是利用超低頻產生的正弦波電流進行充電。在達到試驗需要的時間后，對試品充電至高電壓。超低頻正弦波同時也消除了一些其他不利諧波的產生，例如高頻諧波，而該類諧波會對電纜試品產生諸如駐波及其它一些有害的電壓突變。實踐證明，超低頻0.1Hz耐壓對交聯聚乙烯絕緣產生的擊穿電壓與工頻所得到的電壓值是基本相同。

2.2 試驗標準

我國標準GB50150 2016《電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準》以及歐盟試驗標準規定，超低頻0.1Hz試驗電壓為3U0，耐壓時間為15min。

2.3 優缺點分析

1）超低頻0.1Hz耐壓試驗設備體積重量小巧，理論上試驗變壓器容量是工頻裝置的1／500，其體積同樣也小于串聯諧振試驗裝置，在現場具有搬運靈活的特點。

2）超低頻耐壓能促使水樹枝轉化為電樹枝，因此很容易發現交聯電纜的水樹枝缺陷。

3）適用的試品電容范圍一般為0-6uF，基本可以滿足大部分長度、截面的電纜試驗。

雖然超低頻能檢驗絕緣水樹枝缺陷，但也容易引起交聯電纜受水樹枝影響后，進而加速絕緣老化，減少電纜的使用壽命的問題。目前國內外對超低頻0.1Hz耐壓試驗的輸出電壓還有一定限制，所以該方法在110KV及以上電壓等級的電纜中應用經驗很少，現今還缺乏依據證明其檢驗效果與工頻耐壓等效，所以只能應用于35kV及以下電纜試驗。

3.諧振耐壓試驗

諧振耐壓裝置按照試驗過程中電路元件變化的種類，可分為變感式(L)、變容式(C)、變頻式(f)。現行國家標準GB50150 2016《電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準》明確提出，由于變頻串聯諧振電壓試驗具有設備輕便、要求的試驗電源容量不大、對試品的損傷小等優點，因此，除制造廠另有規定外，建議優先采用變頻串聯諧振的方式。并要求橡塑電纜應優先采用20Hz～300Hz交流耐壓試驗。所以本文以變頻20Hz～300Hz串聯諧振試驗為代表進行探討。

3.1 試驗原理

變頻串聯諧振裝置主要由勵磁變壓器、電抗器、電容分壓器、變頻電源控制平臺組成。其主要是通過串聯方式，將電感（電抗器）、電容（電纜）、電壓源三部分組成（如圖2）。通過調整試驗電路中的相關參數及電源頻率，使整個回路達到諧振升壓的目的。當試驗過程發生諧振時，此時試驗系統中的感抗值等于容抗值（ωL=1/ωc）。電路的諧振頻率：，電感（電抗器）產生的磁場能量與電容（電纜）產生的電場能量在此過程中不斷互相轉換，產生積累疊加效應，便生成一個幅值遠大于電源Q倍的電壓，且波形接近于正弦波、頻率接近工頻附近的電壓施加于電纜試品上。

圖2 ：變頻串聯諧振耐壓試驗接線圖

3.2 試驗標準

變頻20Hz～300Hz串聯諧振試驗與工頻耐壓試驗標準相同，見表1。

3.3 優缺點分析

1）由于串聯諧振是利用諧振產生高電壓，在整個試驗電路中，電源僅提供試驗電路中的有功消耗部分。因此，試驗電源容量只需達到電纜試品的1/Q便可完成試驗。

2）與工頻耐壓設備相比，串聯諧振省去了調壓裝置和大功率工頻試驗變壓器，同時，激磁電源僅為試品容量1/Q倍，使設備重量和體積都大幅減少。

3）諧振電源是諧振式濾波電路，可以有效改善輸出電壓的波形畸變，防止因諧波峰值對試品造成擊穿，所以更適合于110kV及以上高壓電纜。

4）當電纜發生擊穿時，因失去諧振條件，試驗電壓相應消失，同時電弧熄滅。電抗器也將限制回路電流的上升，從而保護串聯諧振設備免受過壓或大電流的沖擊。

5）國家標準GB50150 2016規定，對分相屏蔽的三芯電纜和單芯電纜，可一相或多相同時進行。當三芯電纜分相測試絕緣電阻后，可三相并聯同時進行耐壓試驗，試驗時間可縮短2/3。同時，由于電纜三相并聯后的總電容C=Ca+Cb+Cc，近似等效于對試驗系統進行了電容補償，更適合長距離、大截面的電纜試驗。

雖然變頻串聯諧振裝置具有諸多優點，但為了達到諧振目的，其試驗用的電抗器容量依然很大，現場環境條件不理想時，搬運設備也比較困難。并且當電纜試品長度短、截面小，整體電容偏小時，還需增加電容補償裝置以達到諧振條件，進而增加了試驗設備的數量。

結語：通過上述對三種交聯聚乙烯電纜常用交流耐壓方法的探討，可依照交聯聚乙烯電纜的不同應用場合，相應選擇合適的試驗方法，具體如下：

1）35 kV及以下電纜短距離敷設，優先采用工頻交流耐壓，例如住宅、綜合體等民用建筑地下室配電線路的交接試驗；

2）35 kV及以下電纜長距離敷設，若采用工頻交流耐壓設備容量過大，可考慮選擇超低頻0.1Hz耐壓試驗，例如超高層建筑設有高層變電所時、以及中壓電網改造等工程；

3）35 kV及以上電纜長距離敷設，采用變頻串聯諧振耐壓進行檢驗更為合適。當三芯電纜采用三相并聯試壓時，還可將試驗時間縮短為1/3，例如中高壓電力電網新建、改建等工程。