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谈谈串联谐振装置在电缆耐压试验中的应用

2014/2/11 14:01:48

谈谈串联谐振装置在电缆耐压试验中的应用
如何运用变频串联谐振试验装置给高压交联电缆现场做交流耐压试验？首先我们要从电缆构造说起。当前在国际和国内已有越来越多的XLPE交联聚乙烯绝缘的电力电缆替代原有的充油油纸绝缘的电力电缆。但在交联电缆投运前的试验手段上由于被试容量大和试验设备的原因，几十年以来，电力系统仍沿袭使用直流耐压的试验方法。近年来国际、国内的很多研究机构的研究成果表明直流试验对XLPE交联聚乙烯电缆有不同程度的损害。有的研究观点认为XLPE结构具有存储积累单极性残余电荷的能力，当在直流试验后，如不能有效的释放掉直流残余电荷，投运后在直流残余电荷加上交流电压峰值将可能致使电缆发生击穿。国内一些研究机构认为，交联聚乙烯电缆的直流耐压试验中，由于空间电荷效应，绝缘中的实际电场强度可比电缆绝缘的工作电场强度高达11倍。交联聚乙烯绝缘电缆即使通过了直流试验不发生击穿，也会引起绝缘的严重损伤。其次，由于施加的直流电压场强分布与运行的交流电压场强分布不同。直流试验也不能真实模拟运行状态下电缆承受的过电压，并有效的发现电缆及电缆接头本身和施工工艺上的缺陷。因此，使用非直流的方法对交联电缆进行耐压试验就越来越受到重视。目前，在中低压电缆上国外已使用超低频电源（VLF）进行耐压试验。但由于此类VLF的电压等级偏低，尚不能用于110kV及以上的高压电缆试验。在国内，对于低压电缆,这种方法也使用过，但由于试验设备的原因，没能得到大面积的推广。而近些年由于城网农网建设改造的进行， XLPE交联电缆越来越多，仅仅靠直流耐压试验后就将电缆投入运行，而在运行电压下发生电缆或电缆头击穿的事例也时有发生。所以，大家都在探索新的试验方法。
1、问题及现状
近年来随着城网改造工程的实施，高压交联电缆开始大量使用。按照IEC840或CIGRE WG21.0 3建议规程，现场试验的目的不是为了检验电缆的制造质量或电缆附件的制造质量的好坏，其制造质量已在型式试验和出厂试验中证实。现场竣工验收试验的目的是检查电缆的敷设、附件的安装是否正确及电缆在运输、搬运、存放、敷设和回填的过程中，是否有受到意外损害。在交联电缆投运前的试验手段上由于被试容量大和试验设备的原因，很长时间以来，仍沿袭使用直流耐压的试验方法，但存在很多缺陷。因此，使用非直流的方法对交联电缆进行耐压试验就越来越受到人们的重视。
2、电缆耐压试验标准问题
由于设备容量和体积等问题，目前国家尚无高压电力电缆敷设后在现场进行交流耐压试验的相应标准。CIGRI国际大电网工作会议21工作组的《高压挤包绝缘电缆竣工验收试验建议导则》中对目前采用的直流耐压试验方法提出疑议，并推荐使用工频及近似工频(30～300Hz)的交流试验方法。IEC60840标准中在45～150kV敷设后电缆试验标准中除原直流试验标准外，增加了1.7U0 5min或1 U0 24h的交流试验标准。而在220kV等级中IEC 62067/CD草案中则取消了电缆敷设后试验中直流试验的标准，只有交流试验的要求，即20～300Hz
1.4 U0 60min。南方电网公司2004年发布的企业标准之《电力设备预防性试验规程》内容中在XLPE电缆主绝缘耐压试验一项中规定了电缆的交流耐压试验标准，其试验频率推荐为20～300Hz，35kV及以下电缆试验电压为1.6倍的相电压，110kV电缆试验电压为1.36倍的相电压，220kV及以上电缆试验电压为1.12倍的相电压。
3、试验标准问题的探讨
由于设备容量和体积等问题，目前国家尚无高压电力电缆敷设后在现场进行交流耐压试验的相应标准。但对直流耐压试验的标准,由于前面所述原因人们也产生了一些疑问。CIGRI国际大电网工作会议21工作组的《高压挤包绝缘电缆竣工验收试验建议导则》中对目前采用的直流耐压试验方法提出疑议，并推荐使用工频及近似工频（30-300Hz）的交流试验方法。IEC 60840标准中在45-150kV敷设后电缆试验标准中除原直流试验标准外，增加了1.7U0 5分钟或1U0 24小时的交流试验标准。而在220kV等级中IEC 62067/CD草案中则取消了电缆敷设后试验中直流试验的标准，只有交流试验的要求，即 20-300Hz 1.4U0 60分钟。为了更有效的对施工后的交联电缆进行交接试验,华北电力集团公司在《电力设备交接和预防性试验规程》修订内容中在电缆主绝缘耐压试验一项中增加了电缆的交流耐压试验标准。之后，国内很多地方也相应的出台了地方性试验标准，其试验频率大多都在30-300Hz，中低压电缆试验电压为1.6-2.0倍的相电压，高压电缆试验电压一般都在1.4-1.7倍的相电压，具体根据各个地方略有不同，浙江推荐中低压电缆试验频率为45-65 Hz，高压电缆试验频率为35-75 Hz。
4、电缆耐压试验频率争议
由于电缆的电容量较大，采用传统的工频试验变压器很笨重，庞大，且大电流的工作电源在现场不易取得。因此一般都采用串联谐振交流耐压试验设备。其输入电源的容量能显著降低，重量减轻，便于使用和运输。初期多采用调感式串联谐振设备（50Hz），但存在自动化程度差、噪音大等缺点。因此现在大都采用TPXZB系列调频式（30-300Hz）串联谐振试验设备，可以得到更高的品质数（Q值），并具有自动调谐、多重保护，以及低噪音、灵活的组合方式（单件重量大为下降）等优点。
综合国内外有关技术资料，选择合适的试验频率范围是个比较重要的问题。在这方面，有一些不同的观点和提法。就目前的国内外的提法来看，我们总结可分成3类：第1类为较宽频率范围30-300Hz、20-300Hz、1-300Hz；第2类为工频范围，45-65Hz，45-55Hz；第3类为接近工频，35-75Hz。
1）第1类较宽频率范围
国际大电网会议第21、09工作组发布的《试验导则》，建议频率范围为30-300Hz。但实际上更低一些频率也具有较好地等效性。IEC60840和IEC62067标准草案（2001年和2000年）就规定可采用20-300Hz。
国外有些厂家设计串联谐用电抗器，在特殊情况下也有采用最低频率为25Hz或20Hz的。当然频率愈低，被试电缆的长度（电容量）可增大。但是电抗器铁心因此放大，使重量增加。个别资料显示, 1-300Hz的交流试验也具有与工频交流试验的等效性，这说明实际应用中频率下限有可能取得更低，例如小于20Hz甚至到0.1Hz也是可行的。进一步表明在这样的频率范围内，绝缘内部各介质的电压分布及介质特性仍基本相同。
工作频率超过300Hz是否适当？有资料报导说，随频率增高，串谐电抗器及励磁变压器的损耗降低，但是要考虑被试品电容介质的极化发热问题，因此频率高于300Hz是不可取的。
2）第2类为工频范围
国际上工业频率主要指50Hz和60Hz两种，故IEC标准规定对高压绝缘的工业试验频率范围为45-65Hz，在我国额定工频为50Hz。GB/T16927.1-1997规定工频试验频率范围为45-55Hz。
认为工频电力电缆的试验电压也必须是工频，这是趋于比较保守的观点。针对此问题应该着重说明交接和预防性试验的目的在于发现绝缘缺陷的能力来定的。在不同的频率下只要绝缘内部介质电压分布相同，又有基本相同的检出绝缘故障的能力，就能达到试验的目的。因此即使选用比工频范围更宽的频率也是可以接受的。
在90年代中期为了选择适当的交流耐压试验的频率范围，做了大量、仔细的基础研究工作。得出频率在30-300Hz范围内，橡塑电缆内部几种典型绝缘缺陷的击穿特性没有明显差别。这应该是可信的，也得到普遍采用。分析形成这种在不同频率下良好的击穿特性，主要原因是优良的同轴绝缘结构，单一的绝缘介质，材质相对纯洁、电场分布合理、规则。因此，在不同频率下结构内部电压分布相同，形成宽频率范围试验的条件。
油纸绝缘电缆一直采用频率等于零的直流电压进行耐压试验，其实际效果很好，数十年来未受到置疑。
3）第3类为接近工频频率，35-75Hz
国外曾对正常XLPE（交联聚乙烯）绝缘电缆样品，在不同频率下进行击穿试验。结果表明在频率为35-75Hz时击穿电压均落在可置信度95%之内。因此有观点赞成试验电压频率最好选在35-75Hz,也较为靠近运行电压频率50Hz。值得注意的是，上述测试结果是对正常绝缘做的击穿试验。而交接和预防性试验所采用的试验电压值是偏低的，它只能击穿有缺陷的绝缘弱点（机械损伤、水树枝、终端头或接头盒应力铁锥施工或用料错误，等等），完全不足以击穿电缆本体的正常绝缘。可见两种试验的目的和工作机理均不相同。似乎没有必要将正常绝缘35-75Hz的击穿特性“延伸”应用到检测绝缘缺陷方面。
5、交流耐压试验方法的选择
1）超低频0.1Hz耐压试验
因被试XLPE电缆的电容量很大，工频试验时所需试验变压器的容量也要很大，导致试验设备笨重而不适于现场使用。采用0.1Hz作为试验电源，理论上可以将试验变压器的容量降低到1/500，试验变压器的重量可大大降低，可以较容易地移动到现场进行试验。目前，此种方法主要应用于中低压电缆的试验，由于试验条件的真实性毕竟不如近工频交流电压，电压等级偏低，还不能用于110kV及以上的高压电缆试验。
2）振荡电压试验
振荡电压试验是用直流电源给电缆充电，当达到试验电压后使放电间隙击穿而通过电感线圈放电，对电缆施加一定电压幅位、频率为kHz级的衰减振荡波电压作为挤包绝缘电缆线路的竣工试验方法的另一种途径。此种方法比直流耐压试验方法有效，但与工频电压试验相比，其检查电缆主绝缘和附件缺陷的效果仍不理想，一是波的衰减厉害，难以满足长电缆的需要；二是使局放增大，对电缆有较大伤害。
3）谐振耐压试验
谐振耐压试验方法是通过改变试验系统的电感量和试验频率，使回路处于谐振状态，这样试验回路中试品上的大部分容性电流与电抗器上的感性电流相抵消，电源供给的能量仅为回路中消耗的用功功率，为试品容量的1/Q(Q为系统的谐振倍数)；因此试验电源的容量在降低，重量大大减轻。谐振耐压试验系统按调节方式分为调感式(VISR)和调频式(VFSR)两种。
可调电感型谐振试验系统可以满足耐压要求，但由于重量大，可移动性差，主要用于试验室。变频串联谐振耐压试验是利用电抗器的电感与被试品电容实现电容谐振，在被试品上获得高电压、大电流，是当前高电压试验的一种新的方法与潮流，在国内外已经得到广泛的应用。
变频串联谐振试验装置是谐振式电流滤波电路，能改善电源波形畸变，获得较好的正弦电压波形，有效防止谐波峰值对被试品的误击穿。变频串联谐振工作在谐振状态，当被试品的绝缘点被击穿时，电流立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的数十分之一。发生闪络击穿时，因失去谐振条件，除短路电流立即下降外，高电压也立即消失，电弧即可熄灭。其恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪络电压断开电源，所以适用于高电压、大容量的电力设备的绝缘耐压试验。
变频串联谐振试验装置不但能满足高压XLPE电缆的耐压要求，而且具有重量轻、可移动性好的优点，适宜现场试验。经分析比较，采用拓普电气生产的TPXZB系列变频串联谐振试验成套装置，该装置采用固定电抗器作为谐振电抗器，以调频的方式实现谐振，频率的调节范围为30～300Hz，符合国家电网公司2004年发布的企业标准之《电力设备预防性试验规程》内容中推荐使用频率20～300Hz的谐振耐压试验。
6、变频串联谐振试验装置的选型
35kV及以下电压等级的电缆使用数量多，实验工作量大，所以此类耐压试验装置应该体积小，重量轻，扬州拓普电气科技有限公司生产的变频串联谐振试验装置由此诞生。本装置设计要求单个人能现场搬动的部件重量不超过30kg，要求两人能现场搬动的部件不超过60kg，适合现场搬动，电抗器部分采用干式环氧浇注，美观可靠，适合各类电缆的要求。本装置具有以下特点：
1）操作简便
具有自动/手动调谐功能；大屏幕显示电压、电流和频率等参数；具有过压过流整定与保护功能；具有失谐保护功能；具有自动记时和时间到关闭功能；电压调节具有零位启动功能，以保证调谐的安全性和高压回路的零起升压；
2）配置灵活
电抗器采用多台式，试被试设备可串可并使用，而且可以根据被试设备确定带到现场区的电抗器的个数；
3）重量轻、体积小
以一套2kM长的10kV电缆（高压电流2.5A）为例，单台电抗器重量35kg（2台），变频控制箱重量12kg，励磁变压器重量15kg。
7、变频串联谐振试验装置使用中的注意事项
1）谐振电源产品大多都是高压试验设备，要求由高压试验专业人员使用，使用前应仔细阅读使用说明书，并经反复操作训练。
2）操作人员应不少于2人。使用时应严格遵守本单位有关高压试验的安全作业规程。
3）为了保证试验的安全正确，除必须熟悉本产品说明书外，还必须严格按国家有关标准和规程进行试验操作。
4）各联接线不能接错，特别是接地线不能接错，否则可导致试验装置损坏。
5）本装置使用时，输出的是高电压或超高电压，必须可靠接地，注意操作安全距离。
6）串联谐振试验系统是利用谐振电抗器与被试品谐振产生高电压的，也就是说，能不能产生高电压主要是看试品与谐振电抗器是否谐振，所以，试验人员在分析现场不能够产生所需高电压时，应该分析什么破坏了谐振条件，回路是否接通等。
7）变频串联谐振试验装置的激磁变压器有特定的电压和电流要求，在选用代替品时，一定要考虑电压和电流，不能采用只是容量相同的普通的试验变压器。
8、文章结语
直流耐压试验不能模拟高压交联电缆的运行工况，试验效果差，并且有一定的危害性，在现场竣工验收试验时，不宜再采用直流耐压的方法。交流耐压试验是现场检验交联电缆的敷设和附件安装质量最有效的手段。我们所用的变频串联谐振试验装置符合国家电网公司企业标准、IEC和国标的有关要求，通过电抗器串并联的方式可以满足高压交联电缆现场交流耐压的要求。