中壓開關設備電纜試驗回路的絕緣試驗方法分析

劉 蕾，李華良，謝瑞濤

（1.西安高壓電器研究院有限責任公司，西安710077；2.中國啟源工程設計研究院有限公司，西安710018）

0 引言

近年來，電力電纜因具有可靠性高、節省線路走廊、受外界環境影響小、傳輸性能穩定等優點在城市配電網中應用廣泛[1-2]。城市電纜一般敷設于地下或電纜井道內，電纜發生故障或絕緣擊穿后維修成本高，因此，為提高供電可靠性，掌握電纜的運行狀態，定期對電纜進行預防性試驗十分必要。然而將電纜從開關設備上斷開十分困難，且程序復雜。將電纜連接在開關設備上對其進行絕緣試驗，開關設備將承受電纜試驗時電應力的作用，這在開關設備設計時并未考慮。

電纜的絕緣試驗可采用超低頻、工頻或直流耐壓方法，一些試驗參數比開關設備的額定絕緣水平高?？紤]到用戶供電連續性的要求，開關設備的部分進/出線無法從高壓回路斷開，開關設備將承受電纜試驗時系統對地電壓作用；而開關設備斷口，將承受聯合電應力的作用，斷口兩端的電壓可能接近或超過其額定工頻試驗電壓，存在擊穿風險。

GB/T 3906—2020《3.6 kV~40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》將電纜試驗回路的絕緣試驗列為適用時強制的型式試驗，給出了對應的額定工頻電纜試驗電壓Uct（a.c.）以及額定直流電纜試驗電壓Uct（d.c.）的定義和相應試驗方法。標準規定，開關設備可以設計成當電纜與開關設備連接時允許進行電纜試驗，通過專門的試驗連接或電纜終端來實施，此時開關設備應能同時承受施加在電纜連接部件的額定電纜試驗電壓和電纜試驗期間主回路元件正常承受的額定電壓的聯合作用[3]。GB/T 3906—2020還規定了電纜試驗回路的絕緣性能，要求開關設備制造企業應在開關設計、制造和出廠試驗時考慮上述工況。本文分析了開關設備配用電纜的試驗工況，提出了符合GB/T 3906—2020要求的電纜絕緣試驗回路，對額定電纜試驗電壓值進行了討論，總結了相關標準或規范的推薦試驗值。

1 開關設備電纜的絕緣試驗

1.1 試驗回路

圖1 為負荷開關配套電纜的絕緣試驗（交流/直流）路，采用高壓整流硅堆和高壓短接線的方式來實現直流和交流的輸出，用工頻試驗變壓器1模擬系統電源電壓，用工頻試驗變壓器2進行電纜耐壓試驗。從圖1可以看出，當對ab段電纜進行耐壓試驗時，負荷開關的斷口將同時承受工頻試驗變壓器1側運行電壓和工頻試驗變壓器2側電纜試驗電壓的聯合作用。

圖1 電纜的絕緣試驗回路

GB/T 3906—2020規定，Uct（a.c.）和Uct（d.c.）分別為與開關設備（可能處于運行狀態）連接的電纜上可以施加的額定交流和直流試驗電壓。對于Uct（a.c.），試驗持續時間為1 min；對于Uct（d.c.），試驗持續時間為15 min。按照最嚴格的情況，對于兩個同頻率的、極性相反（相位差180°）的交流試驗電壓，開關設備斷口所承受的電壓為Ust（a.c.）系統交流運行電壓之差。試驗期間，若電纜試驗連接部分和母線之間有分隔，則可以忽略母線側的試驗電壓，僅需單獨給試驗電纜施加電壓。

1.2 試驗參數不確定原因

圖2 為電纜試驗時開關設備母線側、電纜和開關斷口兩側的電壓波形，其中，Ust（a.c.）和Ust（d.c.）分別為電纜交流和直流耐壓試驗時開關斷口上承受的聯合電壓，其值由系統運行電壓和電纜試驗電壓共同確定。然而，GB/T 3906—2020并未給出Ust（a.c.）和Ust（d.c.）的具體值，僅說明如果開關設備的設計允許電纜和開關設備連接時進行電纜的絕緣試驗，制造廠應該規定一個或者多個額定試驗電壓，給實際試驗帶來了一定困難，但制造廠往往無法給出電纜額定試驗電壓Uct（a.c.）和Uct（d.c.）的值，原因有以下幾點。

（1）中壓開關設備的進出線電纜通常由電纜制造廠提供，按照相關標準[4-6]進行交貨驗收，能否直接引用其安裝后的電氣試驗電壓還需要論證。

（2）中壓開關設備投運后，配套電纜的預防性試驗由用戶負責進行，其試驗值通常依據電力部門的預防性試驗規程，而這類規程數量多而且不夠嚴謹。建議用戶在調研后確定是否需要根據規程規定的程序進行耐壓試驗，同時還應按照電纜以及電纜試驗設備的實際情況，盡可能給出對應電纜試驗電壓的推薦值。

（3）要求開關設備集成電纜試驗功能是GB/T 3906—2020的新要求，Uct（a.c.）和Uct（d.c.）需根據實際運行工況（電壓值、電壓類型、預防性試驗周期等）綜合考慮。試驗電壓值太高會導致開關設備制造成本增加；反之，則無法反映實際運行維護工況。

2 額定電纜試驗電壓

2.1 電纜試驗工況

為了確定額定電纜試驗電壓，首先需明確電纜的修復性維護試驗、預防性試驗、交接驗收試驗及安裝后電氣試驗工況。修復性維護試驗是指當電纜發生故障后，采用試驗方法確定故障點位置（低壓脈沖反射和脈沖電流測試），這類方法的試驗電壓遠低于電纜運行電壓。因此，額定電纜試驗電壓可不考慮電纜的修復性維護試驗。電纜的預防性試驗是指為了評估電纜、中間接頭以及相關配件的狀態，防止絕緣缺陷和潛在故障點演化為實際故障之前對其進行的周期性檢查試驗，國家電網公司有電纜的預防性試驗規程可供參考[7]。電纜的交接驗收試驗是指對現場安裝的電纜進行的驗收性試驗，主要目的是評價電纜的安裝是否符合規定要求、是否可以通電運行。交接驗收試驗一般按GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》或GB/T 12706—2020進行。安裝后電氣試驗用以證明安裝后的電纜及其附件完好。表1給出3.6~40.5 kV橡塑絕緣電纜的試驗要求，由于在用電纜中充油絕緣電纜和紙絕緣電纜應用較少，因此未列出[4-8]。從表1可以看出，電纜安裝后的電氣試驗、預防性試驗以及交接驗收試驗要求的試驗電壓較高，額定電纜試驗電壓應當考慮這類試驗的要求。

表1 3.6~40.5 kV橡塑絕緣電纜的試驗要求

2.2 實例分析

以10 kV電纜為例，按照GB 50150—2016進行電纜交流耐壓試驗時，電纜上的交流電壓為12 kV，母線上系統對地電壓為5.77 kV。當母線側和電纜側交流電壓相位相差180°時，開關斷口兩端承受的電壓為17.77 kV，如圖2（b）所示。而按DL/T 596—2005《電力設備預防性試驗規程》進行電纜直流耐壓預防性試驗時，電纜上的直流電壓為25 kV，母線上系統對地電壓為5.77 kV。當母線側電壓峰值和電纜側直流電壓極性相反時，開關斷口兩端承受的電壓為30.77 kV，如圖2（c）所示。斷口兩端的電壓均未超過12 kV開關設備斷口工頻耐受電壓（開關斷口工頻耐受電壓為42 kV，隔離斷口工頻耐受電壓為48 kV）[9]。然而，開關設備斷口工頻耐受電壓試驗規定的持續時間為1 min，而電纜耐壓試驗持續時間為5/15/60 min，24 h。根據GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》4.1.4規定，對于非有效接地系統工頻過電壓不應大于1.1Um[10]。電纜側交流耐壓值沒有超過此過電壓值，開關設備的絕緣水平能夠承受。

3 電纜常規試驗方法比較

電纜的耐壓試驗及缺陷檢測方法目前主要有交流（AC）電壓法、直流（DC）電壓法、超低頻（Very Low Frequency，VLF）電壓法和衰減振蕩（Oscillating Waveform，OSC）電壓法，不同方法性能比較見表2。

表2 電纜試驗方法性能比較

電纜采用直流電壓試驗是為了降低電容性試驗電流，進而減少試驗設備的容量，但電纜的直流耐壓試驗持續時間較長，且其試驗電壓超過了系統規定的過電壓水平，可能導致電纜過早老化、甚至誘發電纜絕緣缺陷。因此，相關標準和規程均不推薦35 kV工頻以上電纜進行直流耐壓試驗[11]。

VLF電壓法使用設備尺寸較小，而且對試驗電源容量要求較低，試驗典型頻率為0.1 Hz。但是，VLF與直流或交流電壓法的等效性尚未得到驗證，在開關設備相關的IEC和國標中均未在電纜回路的絕緣試驗中提及VLF電壓法，僅指出直流電壓試驗可能涵蓋VLF電壓法。

OSC電壓法是基于LC阻尼振蕩原理對被測電纜施加近似工頻正弦電壓，即模擬電纜運行狀態。振蕩波測試時，不使用外部高壓電源，每次加壓過程持續時間約為幾百毫秒，測試結果為電纜的局放量，屬于電纜無損缺陷檢測方法。OSC電壓法適用于存在較大缺陷的電力電纜，但對電纜的“樹枝化”缺陷靈敏檢測度不足，無法完全替代其他方法。

4 電纜絕緣試驗注意事項

開關設備配套電纜的絕緣試驗方法并不復雜，但需要考慮開關設備主回路接線、電纜試驗目的（安裝后驗收、交接驗收、預防性試驗或缺陷診斷等）、試驗電壓類型、試驗持續時間及試驗周期等因素。試驗過程需注意以下幾點。

（1）考慮改造或維修等因素，某些配電系統可能包含多種類型的絕緣電纜。對電纜進行試驗時，應以其薄弱點的絕緣水平作為施加電應力的限值。

（2）如果電纜可從開關設備上斷開進行絕緣試驗，就不需要對開關設備斷口提出相應的電纜回路絕緣試驗要求。反之，如果電纜的一個或兩個端子仍連接在開關設備上，試驗時則應建立嚴格的安全操作規程，同時對開關設備斷口的絕緣水平進行評估，以確定合理的試驗電壓值和持續時間。

（3）由于電纜試驗工況的復雜性，且各標準之間不統一，GB/T 3906—2020無法給出相應的電纜試驗電壓類型、試驗值和試驗持續時間，這給開關設備的選擇帶來了困難。在試驗過程中，考慮預期的試驗工況之后，用戶可按額定電纜試驗電壓值來選擇開關設備，或者在招標時指定額定電纜試驗電壓值，表3為10 kV開關設備電纜試驗的參數要求。

表3 10 kV開關設備電纜試驗參數要求

（4）通常電纜的試驗電壓，表示為電纜導體對地或金屬屏蔽之間的額定工頻電壓U0的倍數，導體間的額定工頻電壓為U，電纜可承受的最高系統電壓為Um，這與GB 311.1—2012《絕緣配合 第1部分定義、原則和規則》的規定存在較大差異[12]。此部分容易讓試驗人員混淆，因為開關設備的額定電壓Ur通常用相間電壓值表示，且為“設備最高電壓”而不是其運行電壓，在實際試驗時需要特別注意。