交联聚乙烯绝缘电力电缆耐压试验方法

1、光纤与电缆及其应用技术O pt i c a l F i b e r &E l e c t r i c C a b l e 2014年第2期N o .22014檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏殏殏殏测试技术交联聚乙烯绝缘电力电缆耐压试验方法程占福(远东电缆有限公司,江苏宜兴214257摘要简述了交联聚乙烯(X L P E 绝缘电缆直流耐压试验的缺点及交流耐压试验的必要性。重点介绍了交流串联谐振的试验原理及试验配置,并举例说明。此外还就试验注意事项进行相关说明。关键词交联聚乙烯绝缘电力电缆;直流耐压;交流耐压;串联谐振;谐振频率;设备配置中图分类号TM247文献标识码B 文章编号1006-1908(

2、201402-0009-04T h e A C W i t h s t a n d V o l t a ge T e s t M e t h o df o r X L P E P o w e rC a b l e C H E N G Z h a n f u (F a r E a s t C a b l e C o .,L t d .,Y i x i n g 214257,J i a n g s u ,C h i n a A b s t r a c t :T h e d i s a d v a n t a g e s o f D C w i t h s t a n d v o l t a g e

3、 t e s t m e t h o d o f X L P E c a b l e a n d t h e n e c e s s a r i t y o f A C w i t h s t a n d v o l t a g e t e s t a r e d e s c r i b e d b r i e f l y .T h e t e s t p r i n c i p l e a n d t e s t c o n f i g u r a t i o n o f A C s e r i e s r e s o n a n c e a r e i n t r o d u c e d

4、e m p h a t i c a l l y a n d i l l u s t r a t e d .I n a d d i t i o n t h e n o t i c e s i n t h e t e s t a r e d e s c r ib e d .K e y w o r d s :X L P E p o w e rc a b l e ;D C w i t h s t a nd v o l t a ge ;A C w i t h s t a n d v o l t a g e ;s e r i e s r e s o n a n c e ;r e s o n a n c e

5、f r e q u e n c y ;s e t -u pc o n f i g u r a t i o n 收稿日期2013-08-15作者简介程占福(1971,男,远东电缆有限公司技术主管.作者地址江苏省宜兴市高塍镇远东大道8号,远东电缆有限公司,2142571直流耐压试验的缺点随着我国社会的发展,城市化进程的加快,电力电缆线路在中高压、超高压电网中所占的比例日益增长,交联聚乙烯(X L P E 绝缘电力电缆由于具有良好的电气性能等一系列优点,在全国电力网中取得广泛应用。为确保供电系统以及电力电缆的安全运行,在X L P E 绝缘电缆投入运行前,必须对其进行相关的耐压试验,主要包括电缆出厂

6、耐压试验、电缆敷设安装后的交接验收试验以及预防性试验1。电缆的耐压试验分为直流和交流两种,在早期油浸纸绝缘时代,简单的绝缘电阻测量及直流耐压泄漏试验就可以判断出电缆的好坏,而在X L P E 绝缘电力电缆大量使用时代,由于电缆的主绝缘材料及结构的变化,直流泄漏耐压试验已经不再适用X L P E 绝缘电力电缆的试验要求。X LP E 绝缘电力电缆直流耐压试验的缺点主要表现在以下几方面:a .试验等效性差。直流耐压试验仅能反映绝缘介质漏导损耗产生的缺陷,而不能反映绝缘介质的极化与局部放电产生的损耗。由于X L P E 绝缘电缆是在工频下运行,故直流耐压试验对绝缘的考验不如交流电压更接近实际。b .

7、电场分布不同。直流电压下,电缆绝缘的电场分布取决于材料的电阻率。交流电压下,电缆绝缘的电场分布取决于各介质的介电常数,两者的击穿特性是不同的。c .空间电荷效应。X L P E 绝缘在直流电场作用下,容易存储和聚集空间电荷,即X L P E 所特有的“记忆效应”,当直流电场移去后,需要很长时间才能将累积的空间电荷释放出去,此时绝缘内部会形成空间电荷附加电场。如果在该电荷未完全释放时施加交流电压投入运行,会造成该空间电荷附加电场叠加在工频交流电压峰值上,形成很高的局部电场,如果超过电缆额定工作电压,将击穿电缆。d .水树枝的影响。X L P E 绝缘电缆在运行过程中如果密封不好,易受潮气、水分的

8、影响,绝缘会产生水树枝。一般情况下,水树枝在交流电压工作状态下发展比较缓慢,还能保持较高的耐压值,能够继续使用一段时间。由于直流电压为负极性高压,如果电缆在检修或预防性试验中再承受直流电压,会导致水树枝迅速转变为电树枝·10·光纤与电缆及其应用技术2014年第2期并形成放电,加速绝缘老化,最终在工频交流电压运行时击穿2。2交流耐压试验原理及装置3-4国内外科研机构的研究表明,由于电力电缆是在工频交流下运行,因此交流耐压试验是目前最能反映X L P E绝缘电力电缆电气性能的测试方法,G B501502006电气设备交接试验标准也对此进行了相关的规定和要求。X L P E绝缘电

9、力电缆交流耐压试验通常包括工频串联谐振试验、变频串联谐振试验、超低频试验等。2.1工频串联谐振耐压试验2.1.1工频串联谐振的原理对于低压X L P E绝缘电缆,由于其试验电压较低,一般采用变压器升压就可以达到试验所需电压。对于中高压及超高压X L P E绝缘电缆,由于试验电压较高,如果采用变压器升压,则需要大功率变压器,这很不经济,而串联谐振法就能很容易地使电压提高几十倍,可获取耐压试验所需电压。交流电路中的谐振现象就是电感和电容这两个不同性质的元件进行能量相互补偿形成的,即在一定条件下感抗等于容抗,X L=X C,也就是:L=1/(C(1=2f(2f=12槡L C(3从上述谐振公式可知,改

10、变电感L、电容C及外加电源的频率f都可以使线路产生谐振现象。现就利用串联谐振线路提高电压进行举例说明,在如图1所示的谐振电路中R=4,L=255mH,C= 40F,外加电源U s=220V,f=50H z。根据上述参数,可计算得谐振回路中的X L=L=2f L= 80,X C=1/(C=1/(2f C=80,谐振时有X L=X C;线路中总阻抗Z=R2+(X L-X C槡2,谐振时Z=R=4,阻抗最小;I=U s/Z=55A,则U L=I X L=4400V,U C=I X C=4400V,故有U L= U C=U s X C/R=U s X L/R。假设Q=X L/R=X C/R, U L=

11、U C=Q U s,则Q=20,等于电压直接提高了20倍,这全靠谐振取得,不需付出任何能量。Q也可以看作谐振电路中感抗或容抗对电阻的比值,即电压的放大倍数,通常称作谐振回路中的品质因数,在谐振回路中,Q值越大越好。2.1.2试验装置工频串联谐振( 即调感式串联谐振耐压试验装置,因其相关设备较大、笨重,不易移动,主要用于电图1串联谐振电路缆生产企业对出厂电缆耐压试验,其主要由以下部分组成:a.调感式谐振电抗器,通过调节电抗器铁芯间隙,其电感连续地从铁芯完全合紧时的最大值改变到铁芯完全打开时的最小值,通过调节电抗器的电感值达到串联谐振状态,输出高电压大电流。通常电抗器能在4%95%的铁芯间隙范围内

12、进行调谐。b.接触式调压器,是连续可调的自耦变压器,主要作用是升压、降压,容量大,功率损耗小。c.高压电容器,输出高压,与被试品连接。d.励磁变压器,为高压电抗器供电,一般带几个抽头,每个抽头对应着相应的输出电压与电流,使用中根据情况选择不同的接线方式来满足要求。e.终端,通常有油终端、水终端,主要在试验时均匀被试电缆终端电场,35 k V及以下级电缆用油终端,35k V以上级电缆采用水终端。f.补偿电容,由于电缆是容性负载,特别是截面大、长度长的电缆电容较大,可根据实际情况在回路中串联电容,满足试验要求。工频串联谐振时试验频率为50H z,可变的只是电容与电感,小截面、短电缆可通过简单的调感

13、方式来满足谐振条件,而对于截面较大、长度较长电缆,因电容大,可通过并联电抗器或电容补偿来满足试验,具体计算这里不再说明。2.2变频串联谐振耐压试验2.2.1变频串联谐振的原理由于电缆的等效电容与电缆长度、截面积成正比,故对于高电压、大截面、长电缆进行交流工频耐压试验时需要更大容量的设备。设备容量与设备的体积、重量成正比,一般工厂里试验设备相对固定,不需来回移动,因而比较容易配置更大容量的设备,但在电缆使用现场进行工频交流耐压试验时,由于现场流动性大,再加上带有多个中间接头的电缆线路电容更大,要满足试验条件相当困难。变频串联谐振主要是通过改变试验电源的输出频率,使回路中固定电感量的电抗器的电感L

14、与电缆的电容C 发生谐振,使电缆承受接近工频的合适高电压,其谐振频率在30300H z范围。由于频率为可变量,可采用多个固定电感量的电抗器的串并联组合与电缆电容实现谐振,省去了调压器,其输入电源的容量显著降低,设备的体积减小,重量减轻,便于使用和运程占福:交联聚乙烯绝缘电力电缆耐压试验方法·11·输,适合于现场使用。2.2.2试验装置变频串联谐振耐压试验装置主要由以下部分组成:a.变频电源控制系统,是变频串联谐振系统的心脏模块,频率调谐有手动调谐和自动调谐两种。b.励磁变压器,主要作用是将控制单元的输出变成谐振回路的输入,满足电抗器、负载在一定品质因数下的电压要求。通常有多

15、个绕组抽头,以满足不同电压等级、不同容量的试验要求。c.电抗器,主要有油式电抗器、干式电抗器。油式电抗器容量大,单台体积、重量大,一般可单独或几台串并联使用。干式电抗器容量小,单台体积、重量轻,使用时需要多台串并联组合满足条件,比较方便,缺点是易发热,运行时间短,不能连续使用,需要采取散热措施。d.电容分压器,纯电容式的分压器主要用来测量电缆的试验电压。e.补偿电容,主要补偿距离短、小等效电容的电缆的电容量,一般是并联在回路中,以满足试验条件。2.2.3变频串联谐振参数理论计算及装置配置变频串联谐振参数理论计算及配置包括以下方面:a.试验电感的估算,首先根据被试电缆的型号、规格、电压等级查找其

16、电容,并按照实际电缆长度计算出总电容量,然后根据L=1/(C02得出所需电感(0=2f,其中f取值在4060H z之间,估算时一般取45H z。b.试验电流估算及电抗器选择,估算出电感后,再根据试验所需电压,利用现有电抗器计算谐振频率f0=1/(2槡L C,然后估算试验电流I=2f0C U(其中U为试验所需电压值。通过计算所得试验电流,选择合适的电抗器匹配方式,来满足试验要求。c.试验容量的估算,依据估算试验电流来估算试验总容量P=U I,然后估算励磁变压器输出容量P励=P/Q(Q为品质因数,从而估算励磁变压器的输出电压U励=U/Q,以便选择合适的励磁变压器输出方式。d.试验设备配置,谐振在较

17、低频率时,试验电流较小;电抗器并联时,电感量减小,耐压不变;电抗器串联,电感量增大,耐压值升高;电抗器并联时适合做大截面、较长电缆试验,电抗器单台使用或串联时适合做短电缆试验;对于电容量较小的电缆,如果不在试验设备规定的试验频率范围内,可在回路中并联补偿电容来降低频率,满足试验要求;试验设备配置中,谐振频率越接近工频越好,通常保证在4060H z之间较好。现举例说明实际应用时如何根据变频串联谐振的参数理论计算值进行耐压试验装置配置。实例为某供电工程220k V电缆线路,电缆型号、规格、电压等级为Y J L W03-127/220k V-1×1200m m2,电缆长度约1600m。根据

18、G B501502006电气装置安装工程电气设备交接试验标准要求,试验电压采用1.4U0(为178k V。现有设备相关参数如下:变频控制电源一台,额定功率150k W,输入电压三相380V×(1±15%,输入频率50H z,输出电压0380V可调,输出电压频率30300H z,输出电流0307A;高压电抗器四台,额定工作电压200k V,额定工作电流4A,额定电感量239H,工作频率30300H z,温升小于60,工作时间60m i n;励磁变压器一台,额定容量150k V A,输入电压400V,输出电压18.75k V/37.5k V,输出电流8A/4A,工作频率3030

19、0H z;电容分压器一台,800k V纯电容式,额定电容1000P F,工作频率30300H z;补偿电容若干。根据上述参数可得:a.试验电压U试=1.4U0= 178k V;b.通过电缆生产厂家查询该电缆电容为0.193F/k m,故电缆总电容C=1.6×0.193= 0.31F,估算电感L=1/(C02=106/0.31×(6.28×452=40H;c.根据估算的电感需要将四台电抗器进行并联,则有1/L=1/L1+1/L2+ 1/L3+1/L4,故得电感L=60H,计算谐振频率f0=1/(2槡L C=103/(6.28×4.32= 36.87H z;

20、d.电流I=2f0C U=2×3.14×36.87×0.31×10-6×178×103=12.776A;e.试验所需容量P=178k V×12.776A=2274k V A,励磁变输出容量P励=P/Q(Q通常取30=76k V A;e.励磁变压器输出电压U励=178k V/30=5.9k V。根据上述理论计算数据,进行了如下设备选择:150k W 变频控制电源一台,180k V/4A电抗器4台并联电流为16A,150k V A励磁变压器(18.75k V/8A, 720k V分压器,图2为其接线原理图。按照上述计算进行配置后

21、,最终试验顺利完成 。图2接线原理2.2.4注意事项变频串联谐振耐压试验时的注意事项包括:应根据试验电压和估算的输出电流来选择合适的电抗器配置;为使交流耐压有较好的等效性,应尽量把谐振频率控制在接近工频范围内,由于X L P E绝缘电缆的绝缘介质为固体介质,其耐压击穿场强随耐压·12·光纤与电缆及其应用技术2014年第2期试验频率的升高而降低,主要原因是在高频下有强烈的介质损耗,会导致热击穿,因此要对高频率试验加以限制;试验时如果升不到要求电压,有可能是电抗器与试验电缆电容不匹配找不到谐振点,还有可能Q值较低或者励磁高压端输出电压较低,同时要避免电抗器的工作地面接触金属体产

22、生涡流;理论估算值与设备额定值对照选择要有足够的裕度,避免出现频率搜索至30300H z边缘仍升不上电压的现象;试验期间要避免电抗器长时间工作产生高温,温度高时要及时停下来,并采取冷却措施,以免烧坏电抗器。2.3超低频交流耐压试验超低频耐压试验装置的输出频率一般为0.01 0.1H z,输出波形为正弦波或余弦波,故也是交流耐压试验之一。由于其试验频率从50H z改到0.1H z或更小,理论上可以把设备容量降低到1/500,其试验设备体积更小,重量更轻,更适合现场使用。但其与工频等效性相对于工频串联谐振及变频串联谐振来说还有差距,同时由于目前设备的局限性,仅限于35k V及以下电缆的耐压试验,试

23、验电压一般为3U0、1h,因国内使用经验不多,依据不充分,试验经验与判别均不成熟,目前还没有相应的国家标准,这里不再探讨。3结束语由于工频串联谐振试验与变频串联谐振试验所得出的结论能充分反映被试验的X L P E绝缘电缆能否投入运行,特别是现场电缆的交接试验,因此目前变频串联谐振正被广泛地推广使用,但是在试验过程中如何选择更好的试验配置来满足试验条件,将试验频率控制在更接近工频的范围内,需要试验人员有较强的理论基础及操作技能。同时我们还应借鉴国外的先进经验,加强试验技术及试验设备的研究与开发,从而在高压、超高压电缆耐压试验上取得突破性的成就。参考文献1王伟.交联聚乙烯电力电缆技术基础M.西安:西北工业大学出版社,2005.2罗俊华,袁淳智.X L P E电力电缆在直流电场下介质树枝状劣化特性的研究J.高电压技术,1993(1:43-48.3国家发展和改革委员会.D L/T849.62004电力设备专用测试仪器通用技术条件S.北京:中国电力出版社,2004.4李建明,朱康.高压电气设备试验方法M.北京:中国电力出版社,2001.(上接第8页表41800M H z频率测得的±90°(正面漏泄电缆耦合损耗(95%圆图不圆度d B天线方向7/