用交流电压进行高压XLPE绝缘电缆线路的现场试验

　　摘　要：根据XLPE绝缘电缆用直流电压进行现场试验的经验，要求开发新的方法。现在有一种移动式调频串联谐振装置能够用交流电压进行试验，这意味着适用于塑料绝缘电缆敷设后的试验将有重大突破。配有经由户外和户内开关设备而接至电缆线路的连接线，以满足不同用户的要求。
　　数千米长的电缆线路具有大电容，例如10km长的110kV交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆，按其截面积的不同，电容可达2～3μF.如果在系统的频率（50 Hz）下用交流电压进行现场试验，就需要很大的无功功率。如上所述的电缆，在160kV（2.5 u0）下进行交流电压试验，则可能需要高达20 MVA的试验功率。常规的交流电压试验设备（运行频率50 Hz）的缺点在于其单位试验功率的重量较大，达100～200N/kVA，试验设备的运输很不经济，而且需要在现场提供相当大的电源。
　　众所周知，油浸纸绝缘电力电缆的现场试验一般都采用直流电压。试验时可以同时测量泄漏电流，由泄漏电流的变化或者泄漏电流与试验电压的关系，可用以判断绝缘状况。数十年对油浸纸绝缘电力电缆采用直流耐压试验的实践，已证明其作为现场定期预防性试验项目能得出满意的试验结果，这也就是充油和压气电缆用直流电压进行现场试验的理由。这个试验方法也同样用于高压XLPE绝缘电缆，它似乎是唯一可行的方法。
　　1、XLPE绝缘电缆线路用直流耐压试验的缺点
　　高压XLPE电缆线路的运行试验表明，现场采用直流耐压试验不能有效地检出有缺陷的XLPE绝缘电缆及附件。各国运行经验发现通过直流耐压试验的XLPE绝缘电缆及附件在投入运行后有击穿故障发生。
　　为此，CIGRE WG21-09工作组（高压挤包绝缘电缆试验）于1984年向世界各国电缆制造商和电力公司调查，并组织进行模拟结构样品试验，进一步确认高压XLPE绝缘电缆采用直流耐压试验是不恰当的，其存在以下明显的缺点：
　　a）直流电压下绝缘电场分布与交流电压下电场分布不同，前者按电阻率分布，而后者按介电系数分布，尤其在电缆终端和接头等高压电缆附件中，直流电场强度的分布与交流电场强度分布完全不同。这往往造成交流工作电压下有缺陷部位在直流耐压的现场试验时不会击穿而被检出，或者在交流工作电压下绝不会产生问题的部位，而在直流耐压现场试验时发生击穿。
　　b）XLPE自身的固有场强高，要用很高的直流试验电压甚至严重损伤电缆才能检出。例如，20 kV XLPE电缆绝缘的50%处有金属尖端，结果却在10 U0的直流电压下才能使其击穿。再者，在接头内有金属尖端或密封电缆头周围有严重的缺陷，即使用12 U0～16U0直流电压试验也不可能检出。
　　c）由于XLPE的高绝缘电阻和相应的空间电荷效应，尚不能排除在直流电压下会造成XLPE电缆绝缘非故意的预先损伤。直流耐压试验时形成的空间电荷，可造成电缆在投入交流工作电压运行时击穿，或附件界面因积聚电荷而沿界面滑闪。
　　2、调频串联谐振装置实例
　　传统的直流电压试验存在着严重缺点，必须寻求新的较为有效的试验方法。非常自然的、符合绝缘机理的倾向，是采用交流电压试验方法，关键是要开发新型的交流电压试验设备。本文将详细介绍由西门子柏林电力电缆厂等研制的8 MVA，160 kV调频串联谐振试验装置。
　　2.1移动式
　　调频串联谐振装置设计的首要目的是试验安全、简便和快速，整个试验设备均安装在低底架的大卡车上。最重的组件是电抗器，重156.8 kN.车辆总重量约400 kN.
　　2.2试验电压连接线
　　电源电压经OHL门架的户外终端和变压器的输出端或气体绝缘开关（GIS）而馈电至用户的电缆线路。通常连接到试验设备的电抗器，包括可接至户外套管或试验电缆的插入式浇注树脂绝缘管。内部绝缘为SF6，以便能够快速、安全和干燥地装配。
　　1—带有固定电感的电抗器，并可改变电压输出；2—户外终端；3—已装在电缆盘上的试验电缆，带有符合IEC859的开关设备的密封终端；4—馈电连接电缆；5—SF6气体充气站；6—用液压驱动的起吊机；7—控制室；8—户外终端运输用的贮存器
　　2.3户外套管
　　户外套管的户外部分有防水硅橡胶裙边，并模铸在耐压的增强玻璃纤维塑料支撑管上。户外套管的内部，导体是用交联聚乙烯绝缘并用硅橡胶电容式应力锥来控制场强。附加的内部绝缘为SF6.这种结构使安装比较容易，此外，试验也不会受天气的影响。
　　户外套管装在电抗器上，用柔软的铜导线接至被试电缆线路的户外密封终端。如果该铜导线很长或沿着曲折的途径，则应采用绝缘子来支撑。
　　2.4GIS馈电的试验电缆
　　如果被试电缆和系统端接在GIS（气体绝缘开关设备）内，则电源馈电线可接至为试验而特殊安装的连接器壳体，壳体尺寸符合IEC 859要求。
　　两端都有密封终端的试验电缆绕在电缆盘（安装在车上）上，而且可拉开至70 m长。用电子器件控制电缆盘的传动机构使敷设试验电缆时达到灵活而且支撑牢固。用试验电缆可接至现场GIS附近的任何地方。
　　试验电缆的密封终端，与户外套管一样都是充以SF6气体，确保装配工作简易和安全。
　　2.5初级电源的连接电缆
　　在大多数使用场合，试验电源均从用户的系统获取。根据被试电缆的长度和电容，视在功率可能需要达200 kVA.但是，在很多的试验场合下，可能仅仅需要电源视在功率小于50 kVA.为此，运输车还有装在电缆盘上的连接电缆，长度200 m.
　　在所接入的电源负荷较大的场合或者馈电位置远离公用电源系统时，本移动式大容量调频串联谐振装置还添加有可灵活移动的发电机。
　　2.6绝缘气体源的环境安全
　　运输车上有SF6气体充气站，提供所需的SF6气体以及充气至密封终端的真空和压力系统，并提供可排气和再充气5 MPa的压力容器。
　　2.7在运输车上起吊工作
　　户外终端或试验电缆密封终端安装至电抗器需要质量达100 kg的起重机。起重机也安装在拖车上。这样，在用户的现场就可直接进行工作而不受其他任何辅助设备的限制。
　　在开始安装的时候，通常不可能与用户的电网相连接。因此，起重机由直流电动机液压驱动，直流电动机由拖车上的蓄电池供电。这样，进行试验的准备工作不会有任何延误。
　　2.8设备控制和用户操作室
　　运输车是按成套移动式调频串联装置而设计的，适用于户外使用。因此，也装有宽敞的测试间。其内包括电子器件控制设备，计算机控制的联机装置以及容纳操作和观察人员的足够空间。用户能在各种气候条件下从事试验，而且便于试验时做记录或试验全部结束后立即编写试验报告。
　　3、运行经验
　　本试验装置自研制成功后，已用于110 kV XLPE绝缘电缆线路的现场试验，并取得初步有效运行经验。
　　自从1996年以来，已在高压电缆线路进行交流电压试验。大约80%的试验连接是经由户外密封终端而进行的，约20%则是经由GIS开关装置进行。在已试验的电缆线路中，长度最长的约3.8 km，最高试验电压为160 kV，仅利用试验设备最大功率的50%.这意味着还可以试验更长的电缆线路。
　　经由户外密封终端可方便地把交流电压馈电至被试电缆线路。接线方式如图2所示。利用铜导线把电抗器的电压输出接至电缆密封终端。
　　4、结束语
　　用于长距离电缆线路的交流电压试验，需要相当大和重的试验设备。为此，以往的XLPE电缆都是采用直流电压试验。高压XLPE电缆线路的运行经验表明，采用直流电压耐压试验不能有效地检出XLPE电缆缺陷，特别是有缺损的XLPE电缆附件。这一点已取得国际共识，采用更有效的试验方法势在必行。
　　通过对工频串联谐振试验装置的研究和试制，已获得一种适合于XLPE绝缘电缆和附件的试验方法，即施加工频或接近工频的交流电压，在电缆及附件上产生的电场分布与实际运行工作电压下的电场分布相同，能够比较有效地检出XLPE电缆及附件缺陷，并逐步成为各国用作XLPE绝缘电缆线路的现场试验方法。
　　本文所介绍的新型调频串联谐振试验装置，是把供电电源、产生试验能量的主设备、连接至电缆线路的专用连接线和控制单元等所有组件全部安装在低底架的拖车上。这样就能机动灵活便于运作。迄今，最频繁使用的是把试验电压接至户外密封终端，也进行过把交流电压经由试验电缆而馈电至符合IEC 859的GIS开关设备。运行经验表明，该装置的电气系统和连接技术两者的研制都是令人满意的，而且可对高压XLPE绝缘电缆线路进行既可靠又经济的交流电压试验。
　　综上所述，开发并应用适合现场试验的交流高压试验装置具有现实意义。我们要借助国外的经验，加强试验设备研制开发，加强试验技术的研究，希望高压XLPE绝缘电缆线路的现场试验会有突破性成就。
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万树德