交聯海底電纜交流耐壓試驗研究及主要問題處理

王慧軍，徐金兵

（中國能源建設集團華東電力試驗研究院有限公司，浙江 杭州 311215）

0 引言

海底電纜是海洋通訊及電力的關鍵傳輸設備，是海上絲綢之路和海上風電建設中的核心裝備。為消除由于海底電纜在運輸、敷設及牽引過程中受到外力傷害而導致的安全隱患，在正式投運前需要完成海底電纜相應的交接試驗。

交流耐壓試驗是鑒定海底電纜絕緣強度最有效和最直接的方法，也是交接預防性試驗的一項重要內容。海底電纜交流耐壓試驗存在電壓高、電流大的特點，因此，現場普遍采用串并聯混合諧振試驗方式進行。串并聯混合諧振的關鍵是對試驗電抗器的選擇，因為試驗電抗器的電感量大小，決定了該套串聯諧振耐壓設備的試驗電壓大小、品質因數及設備容量。通過調節變頻源的輸出頻率，可以使得整個回路達到最佳狀態，試驗電壓和試驗電流同時滿足試驗要求。

本文通過對串并聯諧振回路進行分析，計算出長距離交聯海底電纜耐壓試驗所需的設備參數，進而選擇合適的試驗設備，確保試驗工作能夠順利開展。在此基礎上，分析了試驗和運行過程中遇到的主要問題及解決思路。

1 串并聯混合諧振回路分析

海底電纜被試品可等效成高品質因素的電容，串并聯混合諧振等效回路圖如圖1所示，由于海底電纜的電容量很大，因此可以忽略分壓器電容的影響。

圖1 串并聯混合諧振等效回路圖

試驗頻率 f 按式（1）計算：

試驗電流 I 按式（2）計算：

式中：U為試驗電壓。

將式（1）代入式（2）可得出：

故串并聯諧振回路的試驗頻率：

那么，試驗電流I可以表示為：

有功功率P：

品質因數Q：

式中：S為總功率。

2 試驗參數計算及實際應用

某海上風電場建設一座220 kV海上升壓站、兩回220 kV海底電纜送出線路和一座陸上計量站。220 kV海上升壓站將35 kV電壓升壓至220 kV，經兩回220 kV海底電纜將風機所發電能輸送至陸上計量站后，就近轉入電網系統。220 kV海底電纜為220 kV海上升壓站至陸上計量站處的兩回3×400 127/220 kV海底光電復合纜三芯交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件，敷設長度26.7 km。

按照國家標準GB/T 32346.1—2015《額定電壓220 kV（Um= 252 kV）交聯聚乙烯絕緣大長度交流海底電纜及附件 第1部分：試驗方法和要求》[1]，GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》[2]和GB/T 18890.1—2015《額定電壓220 kV（Um= 252 kV）交聯聚乙烯絕緣絕緣電力電纜及其附件 第1部分：試驗方法和要求》[3]中的相關要求，海底電纜線路試驗電壓為180 kV，試驗時間為60 min，試驗頻率范圍為20～300 Hz。

被試海底電纜線路A、B、C三相共一回路，單根總長度26.7 km。被試海底電纜線路電容量為3.15 μF。根據式（1），按照標準要求的最低試驗頻率20 Hz計算，可計算出所需試驗電抗器的總電感量應小于20 H。結合現有試驗設備，選用6臺250 kV 70 H 20 A的試驗電抗器（1串5并方式）進行串并聯混合諧振，根據式（4）和式（5），串并聯諧振回路的試驗頻率約為26.26 Hz，試驗電流約為15.59 A，海底電纜電容電流約為93.51 A，每個并聯補償電抗器流過的電流約為15.59 A。根據經驗，品質因數Q值取80，保險系數取1.4，按照式（8）計算輸入端的電源功率P：

變頻電源選擇額定功率為400 kW，完全能夠滿足試驗要求。現場實際試驗結果頻率為26.22 Hz，與理論計算基本相符。

3 海底電纜試驗及運行過程中的問題

海底電纜試驗及運行過程中容易出現的問題主要包括：海底電纜耐壓時加壓點問題、海底電纜線路參數測試問題和海底電纜外護套發熱問題。

3.1 海底電纜耐壓時加壓點問題

目前，海底電纜線路與海上升壓站氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS）和陸上計量站GIS的連接方式主要采用電纜進筒倉的方式，耐壓試驗時加壓點容易出現問題，可以采用的方法有：1）在陸上計量站GIS海底電纜連接處外加試驗套管。該方法耐壓前需將海底電纜與GIS的連接導體拆除，電纜筒倉內注入合格的SF6氣體，并經測試合格。耐壓時將GIS側可靠接地。耐壓結束后拆除試驗套管，再將海底電纜跟GIS進行連接。該方式存在的缺點是需要另外購置或租賃試驗套管和施工工期要變長；2）通過陸上計量站GIS出線套管處進行加壓。該方法耐壓是通過部分GIS進行，試驗前應將GIS耐壓回路中的避雷器和電壓互感器與GIS主回路連接的導體拆除或通過隔離開關斷開。該方法存在的缺點是電纜耐壓的試驗電壓和試驗時間跟GIS的不一致，需提前跟GIS制造廠家溝通，得到許可后方可進行。

目前，由于海底電纜和GIS分屬不同的設備廠家，現場多數采用第一種方法進行耐壓試驗。

3.2 海底電纜線路參數測試問題

海底電纜線路參數測試時，存在無法核相加壓的問題。目前多數采用拆除GIS地刀接地連片，在地刀處核相加壓的方式解決。通過合上GIS地刀，拆除GIS地刀接地連片，使得地刀與GIS主回路相通，又與GIS外殼絕緣。另測試數據與純架空線路相比，零序電容量往往要大于正序電容量。這是因為海底電纜的屏蔽層始終是接地的，測量零序電容時，三相對地的電容量會并聯到零序電容里，而正序電容只是單相電纜對地的電容，所以存在零序電容量要大于正序電容量。

3.3 海底電纜外護套發熱問題

海底電纜非金屬護套采用的是半導電聚乙烯（polyethylene，PE）護套，不銹鋼絲鎧裝，海底電纜的金屬護套和不銹鋼絲鎧裝在海底電纜終端處直接接地。由于海底電纜的半導電PE非金屬護套為半導電性，保護層、外被層具有滲水性，因此，在海中的海底電纜金屬護套通過半導電PE護套、不銹鋼絲鎧裝與海水接地。登陸后，由于陸地部分的環境發生變化，在金屬護套與不銹鋼絲鎧裝層之間則存在一定的電勢差，海底電纜終端處接地點和海底電纜浸水部分間則會形成環流，所以部分海底電纜在運行過程中有外護套發熱情況。在海底電纜終端處安裝合適地過壓保護裝置可有效解決該類問題。

4 結語

本文通過對串并聯諧振回路進行分析，計算得到長距離交聯海底電纜耐壓試驗所需的設備參數，進而選擇合適的試驗設備，確保了交流耐壓試驗的順利開展。在此基礎上，分析了試驗和運行過程中遇到的主要問題及其原因，提出了解決思路。