高壓直流電纜耐壓試驗方法及關(guān)鍵技術(shù)研究

趙海龍 李 猛 范美城 蔣軍騰 陳建國

（正泰電氣股份有限公司）

0 引言

直流電纜相比于交流電纜在遠距離輸電方面具有明顯的優(yōu)勢，相同的電纜類型、導(dǎo)體截面及敷設(shè)安裝條件下，直流電纜比交流電纜具有更大的載流量和輸電容量、更低的運行損耗［1-2］。研究表明，在輸電距離大于40km的電纜工程中，高壓直流電纜具有成本優(yōu)勢，且距離越長優(yōu)勢越明顯。

國外直流電纜技術(shù)已發(fā)展到較高水平，積累了大量的工程經(jīng)驗，日本跨紀伊海峽海底工程二期中采用±500kV、輸電容量2800MW浸漬紙（MI-PPLP）絕緣電纜［4］。我國直流電纜輸電技術(shù)起步較晚但發(fā)展較快，國內(nèi)多家電纜廠都在積極開發(fā)高電壓等級的直流電纜，±320kV直流電纜已投入工程應(yīng)用，±525kV直流電纜已有廠家開發(fā)成功［5-7］。

當前國內(nèi)高壓直流電纜的試驗技術(shù)滯后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［8］，高壓直流電纜通過型式試驗和預(yù)鑒定試驗后，無法判斷電纜產(chǎn)品本身的最高使用電壓，也無法確定哪種電纜的可靠性更高，因此需要開展高壓直流電纜耐壓試驗研究，以便對直流電纜系統(tǒng)進行性能評價。

1 試驗?zāi)康?/h2>

高壓直流電纜的耐壓試驗主要是為獲取直流電纜的擊穿電壓與時間的關(guān)系曲線（壽命曲線），通過較高的試驗電壓獲得在較短時間的擊穿電壓值，以此外推的方法求出相應(yīng)于時間為無限長的電纜擊穿電壓［9］。確定電纜壽命曲線一般采用逐級加壓的方式，以便比較電纜的相對質(zhì)量。同時，在試驗電壓一定時，電纜運行溫度的高低對電纜壽命有著較大的影響，電纜導(dǎo)體的持續(xù)載流發(fā)熱會在絕緣層中形成一個溫度梯度，靠近導(dǎo)體屏蔽處溫度高，靠近絕緣層處溫度低，從而影響絕緣層中的電導(dǎo)率分布，有可能會出現(xiàn)絕緣層外徑處的電場強度很高，而絕緣層內(nèi)徑處電場強度下降，發(fā)生“電場反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，從而使電纜的擊穿電壓值隨時間增長而降低［10-11］。因此，在直流耐壓試驗中對電纜加壓的同時應(yīng)對電纜進行加熱，以獲得更準確的電纜壽命曲線。

2 試驗原理及試驗方法

耐壓試驗所用的試品為500kV直流模型電纜，采用±500kV直流電纜絕緣料制作真型電纜本體、接頭和終端，然后針對模型電纜進行耐壓試驗研究。

通常采用感應(yīng)電流法加熱電纜，具體方法為，耐壓試驗中電纜回路由主回路和模擬回路組成，主回路和模擬回路均采用銅排連接成閉合回路，通過穿心變壓器使電纜回路感應(yīng)出大電流加熱電纜［12］。

耐壓試驗的原理圖見圖1，其中380V電源輸入經(jīng)調(diào)壓器、充電變壓器為高壓直流發(fā)生器本體提供電源，高壓直流發(fā)生器本體通過倍壓整流、濾波穩(wěn)壓給電纜系統(tǒng)施加直流高電壓；380V電源輸入經(jīng)調(diào)壓器、穿心變壓器給電纜系統(tǒng)加熱；計算機控制處理系統(tǒng)通過采集輸出電壓信號及輔助測溫電纜溫度信號，以調(diào)節(jié)直流輸出電壓及電纜系統(tǒng)導(dǎo)體溫度。在直流電纜耐壓試驗中對電纜加壓，同時電纜導(dǎo)體需維持規(guī)定的溫度。

圖1 直流電纜耐壓試驗原理圖

測量過程中始終保持試驗電纜主回路和模擬回路感應(yīng)電流值相等。采集模擬回路實際溫度信息，通過這個信息控制模擬回路和主回路感應(yīng)電流大小。因主回路和模擬回路的感應(yīng)電流值相等，則主回路和模擬回路的電纜溫度相等，這樣可以間接采集試驗電纜的導(dǎo)體溫度，并控制主回路電纜溫度。

參考熱沖擊逐級擊穿試驗方法［13-14］，提出高壓直流電纜耐壓試驗方法：試驗期間電纜導(dǎo)體溫度控制為不低于Tcmax，且電纜絕緣溫差控制為不低于ΔTmax（廠家申明值），采用在導(dǎo)體中通電流而在金屬屏蔽中不通過電流，即感應(yīng)電流法使電纜導(dǎo)體達到所需的溫度。

試驗中為防止終端套管閃絡(luò)，取負極性直流試驗電壓。試驗中，先將試驗電壓值升至電纜的額定電壓值U0，然后，緩慢升高施加于模型電纜的直流試驗電壓（1%U0kV／s），以5%U0（kV）為一級，每一級保持5min，直至模型電纜發(fā)生擊穿。記錄擊穿電壓值，即為模型電纜的耐壓值。

3 需要解決的難點問題

3.1 儀器設(shè)備的保護問題

試驗中采用溫度記錄儀記錄電纜樣品的導(dǎo)體及各絕緣層或外護套等的溫度，采用熱電偶作為溫度傳感器來測量各個測量點的溫度。試驗時沖擊電壓及直流電壓對周圍導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電壓通常為千伏級，溫度記錄儀為弱電儀器設(shè)備，通過熱電偶傳導(dǎo)的千伏級感應(yīng)電壓極易損害溫度記錄儀。

3.2 加熱試驗設(shè)備的容量問題

標準推薦采用導(dǎo)體電流來加熱電纜，具體方法為，將模型電纜按規(guī)定的彎曲半徑彎曲，并用銅排連接成閉合回路，通過多臺穿心變壓器使電纜回路感應(yīng)出大電流，電纜導(dǎo)體長時間通過大電流發(fā)熱從而加熱整根電纜［15］。

高壓直流電纜耐壓試驗時，電纜樣品分為模擬回路及試驗回路，對試驗回路施加所需的試驗電壓值，用于考核電纜樣品的絕緣水平，對模擬回路僅加熱，用于與試驗回路作對比測溫。耐壓試驗時電纜樣品測溫示意圖及樣品布置如圖2及圖3所示。

圖2 耐壓試驗時電纜樣品測溫示意圖

圖3 耐壓試驗時電纜樣品布置圖

耐壓試驗對電纜導(dǎo)體加熱時，調(diào)壓器的輸出接到穿心變壓器的原邊，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓來調(diào)節(jié)穿心變壓器的輸入電壓，從而調(diào)節(jié)電纜回路的感應(yīng)電壓，進而調(diào)節(jié)電纜回路的感應(yīng)電流。電纜回路感應(yīng)電流的升高或降低，對應(yīng)的電纜導(dǎo)體溫度升高或降低，以此實現(xiàn)對電纜導(dǎo)體溫度的控制。

在不加任何措施的情況下，采用調(diào)壓器及穿心變壓器對500kV電壓等級直流電纜進行感應(yīng)法加熱，試驗數(shù)據(jù)如表1所示（電纜樣品試驗回路）。

表1 耐壓試驗時的加熱試驗數(shù)據(jù)

實驗室采用50kVA調(diào)壓器加熱電纜模擬回路，采用100kVA加熱電纜試驗回路。由表1可見，當電纜樣品回路感應(yīng)電流為1752kV時，調(diào)壓器的輸出電流為305A，已超出調(diào)壓器輸出端子的長期電流載流量設(shè)計值（150A），同時超過調(diào)壓器與穿心變壓器之間的連接電纜的載流量允許值（180A）。短期可運行，長期將造成調(diào)壓器損壞及連接電纜溫度過高而著火等不安全因素，若不采取措施，無法對500kV高壓直流電纜進行長時間的加熱。

3.3 電纜樣品的絕緣溫差問題

500kV高壓直流電纜進行耐壓電壓時，需對電纜導(dǎo)體溫度與絕緣層溫度之間的溫度差ΔT進行控制。500kV高壓直流電纜結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 500k V高壓直流電纜結(jié)構(gòu)圖

溫差ΔT即導(dǎo)體（導(dǎo)電線芯）與絕緣層（絕緣）之間的溫度差值。耐壓試驗中對直流電纜進行加熱，通過電纜導(dǎo)體感應(yīng)出的電流實現(xiàn)導(dǎo)體的溫度升高，熱量通過傳導(dǎo)散熱途徑向絕緣層、半導(dǎo)電層等擴散，實現(xiàn)整根電纜溫度的升高。

未采取任何措施，采用常規(guī)方式直接對電纜進行加熱，溫度曲線見圖5。在加熱階段第7～8h時，ΔT＝55.3℃-34.4℃＝20.9℃，無法滿足控制ΔT＝15～16℃的試驗要求。

圖5 采用常規(guī)加熱措施時的溫度曲線

4 解決措施

4.1 試驗設(shè)備的保護措施

直流耐壓試驗時的高電壓，會對電纜測溫裝置的熱電偶產(chǎn)生感應(yīng)電壓，同時若電纜樣品擊穿，也將感應(yīng)出一脈沖感應(yīng)電壓，通過熱電偶傳入電纜的測溫裝置，此兩脈沖性質(zhì)的感應(yīng)電壓均為千伏級電壓，造成溫度記錄儀損壞。

采用兩種保護措施：一是將普通塑料外皮的熱電偶更換為帶金屬鎧裝的鎧裝型熱電偶，并將鎧裝型熱電偶的金屬護套接地，作用原理為通過耦合作用將部分能量耦合到金屬外皮，通過接地線流入大地，減小通過熱電偶傳入溫度記錄儀的能量；二是在熱電偶的適當部位加入磁環(huán)，通過磁環(huán)的作用，將脈沖電壓的電場能轉(zhuǎn)換為磁場能，從而削弱脈沖電壓的幅值和變化速度，具有一定的抗干擾和濾波功能［16］。磁環(huán)及屏蔽型熱電偶如圖6、圖7所示。此兩種措施成本較低，效果明顯。

圖6 磁環(huán)

圖7 屏蔽型熱電偶

4.2 加熱試驗設(shè)備的電容補償

500kV高壓直流電纜加熱試驗回路呈感性，試驗時可加入一定的電容器進行補償，通過補償試驗回路無功電流，達到減小加熱試驗設(shè)備的試驗容量，同時可有效減小試驗?zāi)芎模档驮囼灣杀荆?7］。

考慮補償?shù)挠行约半娙萜靼惭b的方便，采用高壓補償方式，即在電纜試樣加熱設(shè)備穿心變壓器的原邊安裝電容器的方式，見圖8。

圖8 穿心變壓器電容補償安裝方式

4.3 絕緣溫差控制措施

通過控制電纜試樣在加熱過程中的溫度升高速率，可有效控制電纜試驗的絕緣溫差ΔT，采用以下三種方式實現(xiàn)：

一是在電纜試樣的外護套包裹鋁箔紙，通過鋁箔紙對熱量的反射實現(xiàn)對電纜絕緣層的保溫，見圖9。

圖9 包裹鋁箔紙的電纜試樣

二是嚴格控制電纜加熱過程中的試驗電流，在升溫的初始階段，加熱電流較小，然后逐步提升加熱電流，達到每個時間段電纜升溫速度基本一致。升溫電流曲線見圖10。其中，曲線1為電流曲線，曲線2為預(yù)測的電纜導(dǎo)體溫度曲線，曲線3為絕緣層溫度曲線，曲線2與曲線3之間的差值即為絕緣溫差ΔT。

圖10 升溫電流曲線

三是控制試驗時電纜的溫度，經(jīng)過摸索，將電纜外部溫度控制在19～21℃時，可將絕緣溫差ΔT控制在要求值。然而，實際試驗時，電纜試樣的外部溫度不易控制，所以采用將電纜試樣放入保溫大棚的方式，見圖11，在保溫大棚內(nèi)放入加熱裝置，控制大棚內(nèi)部溫度，從而達到控制電纜試驗外部溫度的效果。

圖11 通過保溫大棚實現(xiàn)對電纜試樣外部溫度的控制

5 結(jié)束語

本文提出高壓直流電纜耐壓試驗方法，并提出采用模型電纜進行直流耐壓試驗。通過本研究提出直流耐壓試驗時相關(guān)試驗設(shè)備的保護問題，解決如何采用已有容量的加熱試驗設(shè)備來滿足大截面絕緣體加熱的試驗容量要求問題，提供電纜樣品本身的絕緣溫差控制方法。