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用交流電壓進行高壓XLPE絕緣電纜線路的現(xiàn)場試驗
摘 要 根據(jù)XLPE絕緣電纜用直流電壓進行現(xiàn)場試驗的經(jīng)驗，要求開發(fā)新的方法�，F(xiàn)在有一種移動式調頻串聯(lián)諧振裝置能夠用交流電壓進行試驗，這意味著適用于塑料絕緣電纜敷設后的試驗將有重大突破。配有經(jīng)由戶外和戶內開關設備而接至電纜線路的連接線，以滿足不同用戶的要求。數(shù)千米長的電纜線路具有大電容，例如10 km長的110 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜，按其截面積的不同，電容可達2～3 μF。如果在系統(tǒng)的頻率(50 Hz)下用交流電壓進行現(xiàn)場試驗，就需要很大的無功功率。如上所述的電纜，在160 kV(2.5 u0)下進行交流電壓試驗，則可能需要高達20 MVA的試驗功率。常規(guī)的交流電壓試驗設備(運行頻率50 Hz)的缺點在于其單位試驗功率的重量較大，達100～200 N/kVA，試驗設備的運輸很不經(jīng)濟，而且需要在現(xiàn)場提供相當大的電源。
眾所周知，油浸紙絕緣電力電纜的現(xiàn)場試驗一般都采用直流電壓。試驗時可以同時測量泄漏電流，由泄漏電流的變化或者泄漏電流與試驗電壓的關系，可用以判斷絕緣狀況。數(shù)十年對油浸紙絕緣電力電纜采用直流耐壓試驗的實踐，已證明其作為現(xiàn)場定期預防性試驗項目能得出滿意的試驗結果，這也就是充油和壓氣電纜用直流電壓進行現(xiàn)場試驗的理由。這個試驗方法也同樣用于高壓XLPE絕緣電纜，它似乎是唯一可行的方法。
1 XLPE絕緣電纜線路用直流耐壓試驗的缺點
高壓XLPE電纜線路的運行試驗表明，現(xiàn)場采用直流耐壓試驗不能有效地檢出有缺陷的XLPE絕緣電纜及附件。各國運行經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)通過直流耐壓試驗的XLPE絕緣電纜及附件在投入運行后有擊穿故障發(fā)生。
為此，CIGRE WG21-09工作組(高壓擠包絕緣電纜試驗)于1984年向世界各國電纜制造商和電力公司調查，并組織進行模擬結構樣品試驗，進一步確認高壓XLPE絕緣電纜采用直流耐壓試驗是不恰當?shù)�，其存在以下明顯的缺點：
a)直流電壓下絕緣電場分布與交流電壓下電場分布不同，前者按電阻率分布，而后者按介電系數(shù)分布，尤其在電纜終端和接頭等高壓電纜附件中，直流電場強度的分布與交流電場強度分布完全不同。這往往造成交流工作電壓下有缺陷部位在直流耐壓的現(xiàn)場試驗時不會擊穿而被檢出，或者在交流工作電壓下絕不會產(chǎn)生問題的部位，而在直流耐壓現(xiàn)場試驗時發(fā)生擊穿。
b)XLPE自身的固有場強高，要用很高的直流試驗電壓甚至嚴重損傷電纜才能檢出。例如，20 kV XLPE電纜絕緣的50%處有金屬尖端，結果卻在10 U0的直流電壓下才能使其擊穿。再者，在接頭內有金屬尖端或密封電纜頭周圍有嚴重的缺陷，即使用12 U0～16 U0直流電壓試驗也不可能檢出。
c)由于XLPE的高絕緣電阻和相應的空間電荷效應，尚不能排除在直流電壓下會造成XLPE電纜絕緣非故意的預先損傷。直流耐壓試驗時形成的空間電荷，可造成電纜在投入交流工作電壓運行時擊穿，或附件界面因積聚電荷而沿界面滑閃。
2 調頻串聯(lián)諧振裝置實例
傳統(tǒng)的直流電壓試驗存在著嚴重缺點，必須尋求新的較為有效的試驗方法。非常自然的、符合絕緣機理的傾向，是采用交流電壓試驗方法，關鍵是要開發(fā)新型的交流電壓試驗設備。本文將詳細介紹由西門子柏林電力電纜廠等研制的8 MVA，160 kV調頻串聯(lián)諧振試驗裝置。
2.1 移動式
調頻串聯(lián)諧振裝置設計的首要目的是試驗安全、簡便和快速，整個試驗設備均安裝在低底架的大卡車上。最重的組件是電抗器，重156.8 kN。車輛總重量約400 kN。
2.2 試驗電壓連接線
電源電壓經(jīng)OHL門架的戶外終端和變壓器的輸出端或氣體絕緣開關(GIS)而饋電至用戶的電纜線路。通常連接到試驗設備的電抗器，包括可接至戶外套管或試驗電纜的插入式澆注樹脂絕緣管。內部絕緣為SF6，以便能夠快速、安全和干燥地裝配。
1—帶有固定電感的電抗器，并可改變電壓輸出；2—戶外終端；3—已裝在電纜盤上的試驗電纜，帶有符合IEC859的開關設備的密封終端；4—饋電連接電纜；5—SF6氣體充氣站；6—用液壓驅動的起吊機；7—控制室；8—戶外終端運輸用的貯存器
2.3 戶外套管
戶外套管的戶外部分有防水硅橡膠裙邊，并模鑄在耐壓的增強玻璃纖維塑料支撐管上。戶外套管的內部，導體是用交聯(lián)聚乙烯絕緣并用硅橡膠電容式應力錐來控制場強。附加的內部絕緣為SF6。這種結構使安裝比較容易，此外，試驗也不會受天氣的影響。
戶外套管裝在電抗器上，用柔軟的銅導線接至被試電纜線路的戶外密封終端。如果該銅導線很長或沿著曲折的途徑，則應采用絕緣子來支撐。
2.4 GIS饋電的試驗電纜
如果被試電纜和系統(tǒng)端接在GIS(氣體絕緣開關設備)內，則電源饋電線可接至為試驗而特殊安裝的連接器殼體，殼體尺寸符合IEC 859要求。
兩端都有密封終端的試驗電纜繞在電纜盤(安裝在車上)上，而且可拉開至70 m長。用電子器件控制電纜盤的傳動機構使敷設試驗電纜時達到靈活而且支撐牢固。用試驗電纜可接至現(xiàn)場GIS附近的任何地方。
試驗電纜的密封終端，與戶外套管一樣都是充以SF6氣體，確保裝配工作簡易和安全。
2.5 初級電源的連接電纜
在大多數(shù)使用場合，試驗電源均從用戶的系統(tǒng)獲取。根據(jù)被試電纜的長度和電容，視在功率可能需要達200 kVA。但是，在很多的試驗場合下，可能僅僅需要電源視在功率小于50 kVA。為此，運輸車還有裝在電纜盤上的連接電纜，長度200 m。
在所接入的電源負荷較大的場合或者饋電位置遠離公用電源系統(tǒng)時，本移動式大容量調頻串聯(lián)諧振裝置還添加有可靈活移動的發(fā)電機。
2.6 絕緣氣體源的環(huán)境安全
運輸車上有SF6氣體充氣站，提供所需的SF6氣體以及充氣至密封終端的真空和壓力系統(tǒng)，并提供可排氣和再充氣5 MPa的壓力容器。
2.7 在運輸車上起吊工作
戶外終端或試驗電纜密封終端安裝至電抗器需要質量達100 kg的起重機。起重機也安裝在拖車上。這樣，在用戶的現(xiàn)場就可直接進行工作而不受其他任何輔助設備的限制。
在開始安裝的時候，通常不可能與用戶的電網(wǎng)相連接。因此，起重機由直流電動機液壓驅動，直流電動機由拖車上的蓄電池供電。這樣，進行試驗的準備工作不會有任何延誤。
2.8 設備控制和用戶操作室
運輸車是按成套移動式調頻串聯(lián)裝置而設計的，適用于戶外使用。因此，也裝有寬敞的測試間。其內包括電子器件控制設備，計算機控制的聯(lián)機裝置以及容納操作和觀
察人員的足夠空間。用戶能在各種氣候條件下從事試驗，而且便于試驗時做記錄或試驗全部結束后立即編寫試驗報告。
3 運行經(jīng)驗
本試驗裝置自研制成功后，已用于110 kV XLPE絕緣電纜線路的現(xiàn)場試驗，并取得初步有效運行經(jīng)驗。
自從1996年以來，已在高壓電纜線路進行交流電壓試驗。大約80%的試驗連接是經(jīng)由戶外密封終端而進行的，約20%則是經(jīng)由GIS開關裝置進行。在已試驗的電纜線路中，長度最長的約3.8 km，最高試驗電壓為160 kV，僅利用試驗設備最大功率的50%。這意味著還可以試驗更長的電纜線路。
經(jīng)由戶外密封終端可方便地把交流電壓饋電至被試電纜線路。接線方式如圖2所示。利用銅導線把電抗器的電壓輸出接至電纜密封終端。
4 結束語
用于長距離電纜線路的交流電壓試驗，需要相當大和重的試驗設備。為此，以往的XLPE電纜都是采用直流電壓試驗。高壓XLPE電纜線路的運行經(jīng)驗表明，采用直流電壓耐壓試驗不能有效地檢出XLPE電纜缺陷，特別是有缺損的XLPE電纜附件。這一點已取得國際共識，采用更有效的試驗方法勢在必行。
通過對工頻串聯(lián)諧振試驗裝置的研究和試制，已獲得一種適合于XLPE絕緣電纜和附件的試驗方法，即施加工頻或接近工頻的交流電壓，在電纜及附件上產(chǎn)生的電場分布與實際運行工作電壓下的電場分布相同，能夠比較有效地檢出XLPE電纜及附件缺陷，并逐步成為各國用作XLPE絕緣電纜線路的現(xiàn)場試驗方法。
本文所介紹的新型調頻串聯(lián)諧振試驗裝置，是把供電電源、產(chǎn)生試驗能量的主設備、連接至電纜線路的專用連接線和控制單元等所有組件全部安裝在低底架的拖車上。這樣就能機動靈活便于運作。迄今，最頻繁使用的是把試驗電壓接至戶外密封終端，也進行過把交流電壓經(jīng)由試驗電纜而饋電至符合IEC 859的GIS開關設備。運行經(jīng)驗表明，該裝置的電氣系統(tǒng)和連接技術兩者的研制都是令人滿意的，而且可對高壓XLPE絕緣電纜線路進行既可靠又經(jīng)濟的交流電壓試驗。
綜上所述，開發(fā)并應用適合現(xiàn)場試驗的交流高壓試驗裝置具有現(xiàn)實意義。我們要借助國外的經(jīng)驗，加強試驗設備研制開發(fā)，加強試驗技術的研究，希望高壓XLPE絕緣電纜線路的現(xiàn)場試驗會有突破性成就。
參考文獻
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3 朱匡宇,周良才.中壓橡塑絕緣電力電纜現(xiàn)場交流耐壓試驗［J］.華東電力，1994(8)：1～5
作者：上海電纜研究所 萬樹德
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