談?wù)劥?lián)諧振裝置在電纜耐壓試驗(yàn)中的應(yīng)用
談?wù)劥?lián)諧振裝置在電纜耐壓試驗(yàn)中的應(yīng)用
如何運(yùn)用變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置給高壓交聯(lián)電纜現(xiàn)場做交流耐壓試驗(yàn)？ 首先我們要從電纜構(gòu)造說起。當(dāng)前在國際和國內(nèi)已有越來越多的XLPE交聯(lián)聚乙烯絕緣的電力電纜替代原有的充油油紙絕緣的電力電纜。但在交聯(lián)電纜投運(yùn)前的試驗(yàn)手段上由于被試容量大和試驗(yàn)設(shè)備的原因，幾十年以來，電力系統(tǒng)仍沿襲使用直流耐壓的試驗(yàn)方法。近年來國際、國內(nèi)的很多研究機(jī)構(gòu)的研究成果表明直流試驗(yàn)對(duì)XLPE交聯(lián)聚乙烯電纜有不同程度的損害。有的研究觀點(diǎn)認(rèn)為XLPE結(jié)構(gòu)具有存儲(chǔ)積累單極性殘余電荷的能力，當(dāng)在直流試驗(yàn)后，如不能有效的釋放掉直流殘余電荷，投運(yùn)后在直流殘余電荷加上交流電壓峰值將可能致使電纜發(fā)生擊穿。國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為，交聯(lián)聚乙烯電纜的直流耐壓試驗(yàn)中，由于空間電荷效應(yīng)，絕緣中的實(shí)際電場強(qiáng)度可比電纜絕緣的工作電場強(qiáng)度高達(dá)11倍。交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜即使通過了直流試驗(yàn)不發(fā)生擊穿，也會(huì)引起絕緣的嚴(yán)重?fù)p傷。其次，由于施加的直流電壓場強(qiáng)分布與運(yùn)行的交流電壓場強(qiáng)分布不同。直流試驗(yàn)也不能真實(shí)模擬運(yùn)行狀態(tài)下電纜承受的過電壓，并有效的發(fā)現(xiàn)電纜及電纜接頭本身和施工工藝上的缺陷。因此，使用非直流的方法對(duì)交聯(lián)電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)就越來越受到重視。目前，在中低壓電纜上國外已使用超低頻電源（VLF）進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。但由于此類VLF的電壓等級(jí)偏低，尚不能用于110kV及以上的高壓電纜試驗(yàn)。在國內(nèi)，對(duì)于低壓電纜,這種方法也使用過，但由于試驗(yàn)設(shè)備的原因，沒能得到大面積的推廣。而近些年由于城網(wǎng)農(nóng)網(wǎng)建設(shè)改造的進(jìn)行， XLPE交聯(lián)電纜越來越多，僅僅靠直流耐壓試驗(yàn)后就將電纜投入運(yùn)行，而在運(yùn)行電壓下發(fā)生電纜或電纜頭擊穿的事例也時(shí)有發(fā)生。所以，大家都在探索新的試驗(yàn)方法。
1、問題及現(xiàn)狀
近年來隨著城網(wǎng)改造工程的實(shí)施，高壓交聯(lián)電纜開始大量使用。按照IEC840或CIGRE WG21.0 3建議規(guī)程，現(xiàn)場試驗(yàn)的目的不是為了檢驗(yàn)電纜的制造質(zhì)量或電纜附件的制造質(zhì)量的好壞，其制造質(zhì)量已在型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)中證實(shí)。現(xiàn)場竣工驗(yàn)收試驗(yàn)的目的是檢查電纜的敷設(shè)、附件的安裝是否正確及電纜在運(yùn)輸、搬運(yùn)、存放、敷設(shè)和回填的過程中，是否有受到意外損害。在交聯(lián)電纜投運(yùn)前的試驗(yàn)手段上由于被試容量大和試驗(yàn)設(shè)備的原因，很長時(shí)間以來，仍沿襲使用直流耐壓的試驗(yàn)方法，但存在很多缺陷。因此，使用非直流的方法對(duì)交聯(lián)電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)就越來越受到人們的重視。
2、電纜耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)問題
由于設(shè)備容量和體積等問題，目前國家尚無高壓電力電纜敷設(shè)后在現(xiàn)場進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。CIGRI國際大電網(wǎng)工作會(huì)議21工作組的《高壓擠包絕緣電纜竣工驗(yàn)收試驗(yàn)建議導(dǎo)則》中對(duì)目前采用的直流耐壓試驗(yàn)方法提出疑議，并推薦使用工頻及近似工頻(30～300Hz)的交流試驗(yàn)方法。IEC60840標(biāo)準(zhǔn)中在45～150kV敷設(shè)后電纜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中除原直流試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)外，增加了1.7U0 5min或1 U0 24h的交流試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。而在220kV等級(jí)中IEC 62067/CD草案中則取消了電纜敷設(shè)后試驗(yàn)中直流試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，只有交流試驗(yàn)的要求，即20～300Hz
1.4 U0 60min。南方電網(wǎng)公司2004年發(fā)布的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》內(nèi)容中在XLPE電纜主絕緣耐壓試驗(yàn)一項(xiàng)中規(guī)定了電纜的交流耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其試驗(yàn)頻率推薦為20～300Hz，35kV及以下電纜試驗(yàn)電壓為1.6倍的相電壓，110kV電纜試驗(yàn)電壓為1.36倍的相電壓，220kV及以上電纜試驗(yàn)電壓為1.12倍的相電壓。
3、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)問題的探討
由于設(shè)備容量和體積等問題，目前國家尚無高壓電力電纜敷設(shè)后在現(xiàn)場進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。但對(duì)直流耐壓試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn),由于前面所述原因人們也產(chǎn)生了一些疑問。CIGRI國際大電網(wǎng)工作會(huì)議21工作組的《高壓擠包絕緣電纜竣工驗(yàn)收試驗(yàn)建議導(dǎo)則》中對(duì)目前采用的直流耐壓試驗(yàn)方法提出疑議，并推薦使用工頻及近似工頻（30-300Hz）的交流試驗(yàn)方法。IEC 60840標(biāo)準(zhǔn)中在45-150kV敷設(shè)后電纜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中除原直流試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)外，增加了1.7U0 5分鐘或1U0 24小時(shí)的交流試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。而在220kV等級(jí)中IEC 62067/CD草案中則取消了電纜敷設(shè)后試驗(yàn)中直流試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，只有交流試驗(yàn)的要求，即 20-300Hz 1.4U0 60分鐘。為了更有效的對(duì)施工后的交聯(lián)電纜進(jìn)行交接試驗(yàn),華北電力集團(tuán)公司在《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》修訂內(nèi)容中在電纜主絕緣耐壓試驗(yàn)一項(xiàng)中增加了電纜的交流耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。之后，國內(nèi)很多地方也相應(yīng)的出臺(tái)了地方性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其試驗(yàn)頻率大多都在30-300Hz，中低壓電纜試驗(yàn)電壓為1.6-2.0倍的相電壓，高壓電纜試驗(yàn)電壓一般都在1.4-1.7倍的相電壓，具體根據(jù)各個(gè)地方略有不同，浙江推薦中低壓電纜試驗(yàn)頻率為45-65 Hz，高壓電纜試驗(yàn)頻率為35-75 Hz。
4、電纜耐壓試驗(yàn)頻率爭議
由于電纜的電容量較大，采用傳統(tǒng)的工頻試驗(yàn)變壓器很笨重，龐大，且大電流的工作電源在現(xiàn)場不易取得。因此一般都采用串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備。其輸入電源的容量能顯著降低，重量減輕，便于使用和運(yùn)輸。初期多采用調(diào)感式串聯(lián)諧振設(shè)備（50Hz），但存在自動(dòng)化程度差、噪音大等缺點(diǎn)。因此現(xiàn)在大都采用TPXZB系列調(diào)頻式（30-300Hz）串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備，可以得到更高的品質(zhì)數(shù)（Q值），并具有自動(dòng)調(diào)諧、多重保護(hù)，以及低噪音、靈活的組合方式（單件重量大為下降）等優(yōu)點(diǎn)。
綜合國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料，選擇合適的試驗(yàn)頻率范圍是個(gè)比較重要的問題。在這方面，有一些不同的觀點(diǎn)和提法。就目前的國內(nèi)外的提法來看，我們總結(jié)可分成3類：第1類為較寬頻率范圍30-300Hz、20-300Hz、1-300Hz；第2類為工頻范圍，45-65Hz，45-55Hz；第3類為接近工頻，35-75Hz。
1）第1類較寬頻率范圍
國際大電網(wǎng)會(huì)議第21、09工作組發(fā)布的《試驗(yàn)導(dǎo)則》，建議頻率范圍為30-300Hz。但實(shí)際上更低一些頻率也具有較好地等效性。IEC60840和IEC62067標(biāo)準(zhǔn)草案（2001年和2000年）就規(guī)定可采用20-300Hz。
國外有些廠家設(shè)計(jì)串聯(lián)諧用電抗器，在特殊情況下也有采用*低頻率為25Hz或20Hz的。當(dāng)然頻率愈低，被試電纜的長度（電容量）可增大。但是電抗器鐵心因此放大，使重量增加。個(gè)別資料顯示, 1-300Hz的交流試驗(yàn)也具有與工頻交流試驗(yàn)的等效性，這說明實(shí)際應(yīng)用中頻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。進(jìn)一步表明在這樣的頻率范圍內(nèi)，絕緣內(nèi)部各介質(zhì)的電壓分布及介質(zhì)特性仍基本相同。
工作頻率超過300Hz是否適當(dāng)？有資料報(bào)導(dǎo)說，隨頻率增高，串諧電抗器及勵(lì)磁變壓器的損耗降低，但是要考慮被試品電容介質(zhì)的極化發(fā)熱問題，因此頻率高于300Hz是不可取的。
2）第2類為工頻范圍
國際上工業(yè)頻率主要指50Hz和60Hz兩種，故IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)高壓絕緣的工業(yè)試驗(yàn)頻率范圍為45-65Hz，在我國額定工頻為50Hz。GB/T16927.1-1997規(guī)定工頻試驗(yàn)頻率范圍為45-55Hz。
認(rèn)為工頻電力電纜的試驗(yàn)電壓也必須是工頻，這是趨于比較保守的觀點(diǎn)。針對(duì)此問題應(yīng)該著重說明交接和預(yù)防性試驗(yàn)的目的在于發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的能力來定的。在不同的頻率下只要絕緣內(nèi)部介質(zhì)電壓分布相同，又有基本相同的檢出絕緣故障的能力，就能達(dá)到試驗(yàn)的目的。因此即使選用比工頻范圍更寬的頻率也是可以接受的。
在90年代中期為了選擇適當(dāng)?shù)慕涣髂蛪涸囼?yàn)的頻率范圍，做了大量、仔細(xì)的基礎(chǔ)研究工作。得出頻率在30-300Hz范圍內(nèi)，橡塑電纜內(nèi)部幾種典型絕緣缺陷的擊穿特性沒有明顯差別。這應(yīng)該是可信的，也得到普遍采用。分析形成這種在不同頻率下良好的擊穿特性，主要原因是優(yōu)良的同軸絕緣結(jié)構(gòu)，單一的絕緣介質(zhì)，材質(zhì)相對(duì)純潔、電場分布合理、規(guī)則。因此，在不同頻率下結(jié)構(gòu)內(nèi)部電壓分布相同，形成寬頻率范圍試驗(yàn)的條件。
油紙絕緣電纜一直采用頻率等于零的直流電壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，其實(shí)際效果很好，數(shù)十年來未受到置疑。
3）第3類為接近工頻頻率，35-75Hz
國外曾對(duì)正常XLPE（交聯(lián)聚乙烯）絕緣電纜樣品，在不同頻率下進(jìn)行擊穿試驗(yàn)。結(jié)果表明在頻率為35-75Hz時(shí)擊穿電壓均落在可置信度95%之內(nèi)。因此有觀點(diǎn)贊成試驗(yàn)電壓頻率*好選在35-75Hz,也較為靠近運(yùn)行電壓頻率50Hz。值得注意的是，上述測試結(jié)果是對(duì)正常絕緣做的擊穿試驗(yàn)。而交接和預(yù)防性試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)電壓值是偏低的，它只能擊穿有缺陷的絕緣弱點(diǎn)（機(jī)械損傷、水樹枝、終端頭或接頭盒應(yīng)力鐵錐施工或用料錯(cuò)誤，等等），完全不足以擊穿電纜本體的正常絕緣?？梢妰煞N試驗(yàn)的目的和工作機(jī)理均不相同。似乎沒有必要將正常絕緣35-75Hz的擊穿特性“延伸”應(yīng)用到檢測絕緣缺陷方面。
5、 交流耐壓試驗(yàn)方法的選擇
1）超低頻0.1Hz耐壓試驗(yàn)
因被試XLPE電纜的電容量很大，工頻試驗(yàn)時(shí)所需試驗(yàn)變壓器的容量也要很大，導(dǎo)致試驗(yàn)設(shè)備笨重而不適于現(xiàn)場使用。采用0.1Hz作為試驗(yàn)電源，理論上可以將試驗(yàn)變壓器的容量降低到1/500，試驗(yàn)變壓器的重量可大大降低，可以較容易地移動(dòng)到現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)。目前，此種方法主要應(yīng)用于中低壓電纜的試驗(yàn)，由于試驗(yàn)條件的真實(shí)性畢竟不如近工頻交流電壓，電壓等級(jí)偏低，還不能用于110kV及以上的高壓電纜試驗(yàn)。
2）振蕩電壓試驗(yàn)
振蕩電壓試驗(yàn)是用直流電源給電纜充電，當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)電壓后使放電間隙擊穿而通過電感線圈放電，對(duì)電纜施加一定電壓幅位、頻率為kHz級(jí)的衰減振蕩波電壓作為擠包絕緣電纜線路的竣工試驗(yàn)方法的另一種途徑。此種方法比直流耐壓試驗(yàn)方法有效，但與工頻電壓試驗(yàn)相比， 其檢查電纜主絕緣和附件缺陷的效果仍不理想， 一是波的衰減厲害，難以滿足長電纜的需要；二是使局放增大，對(duì)電纜有較大傷害。
3）諧振耐壓試驗(yàn)
諧振耐壓試驗(yàn)方法是通過改變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)的電感量和試驗(yàn)頻率，使回路處于諧振狀態(tài)，這樣試驗(yàn)回路中試品上的大部分容性電流與電抗器上的感性電流相抵消，電源供給的能量僅為回路中消耗的用功功率，為試品容量的1/Q(Q為系統(tǒng)的諧振倍數(shù))；因此試驗(yàn)電源的容量在降低，重量大大減輕。諧振耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)按調(diào)節(jié)方式分為調(diào)感式(VISR)和調(diào)頻式(VFSR)兩種。
可調(diào)電感型諧振試驗(yàn)系統(tǒng)可以滿足耐壓要求，但由于重量大，可移動(dòng)性差，主要用于試驗(yàn)室。變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)是利用電抗器的電感與被試品電容實(shí)現(xiàn)電容諧振，在被試品上獲得高電壓、大電流，是當(dāng)前高電壓試驗(yàn)的一種新的方法與潮流，在國內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。
變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置是諧振式電流濾波電路，能改善電源波形畸變，獲得較好的正弦電壓波形，有效防止諧波峰值對(duì)被試品的誤擊穿。變頻串聯(lián)諧振工作在諧振狀態(tài)，當(dāng)被試品的絕緣點(diǎn)被擊穿時(shí)，電流立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗(yàn)電流的數(shù)十分之一。發(fā)生閃絡(luò)擊穿時(shí)，因失去諧振條件，除短路電流立即下降外，高電壓也立即消失，電弧即可熄滅。其恢復(fù)電壓的再建立過程很長，很容易在再次達(dá)到閃絡(luò)電壓斷開電源，所以適用于高電壓、大容量的電力設(shè)備的絕緣耐壓試驗(yàn)。
變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置不但能滿足高壓XLPE電纜的耐壓要求，而且具有重量輕、可移動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，適宜現(xiàn)場試驗(yàn)。經(jīng)分析比較，采用拓普電氣生產(chǎn)的TPXZB系列變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)成套裝置，該裝置采用固定電抗器作為諧振電抗器，以調(diào)頻的方式實(shí)現(xiàn)諧振，頻率的調(diào)節(jié)范圍為30～300Hz，符合國家電網(wǎng)公司2004年發(fā)布的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》內(nèi)容中推薦使用頻率20～300Hz的諧振耐壓試驗(yàn)。
6、變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的選型
35kV及以下電壓等級(jí)的電纜使用數(shù)量多，實(shí)驗(yàn)工作量大，所以此類耐壓試驗(yàn)裝置應(yīng)該體積小，重量輕，揚(yáng)州拓普電氣科技有限公司生產(chǎn)的變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置由此誕生。本裝置設(shè)計(jì)要求單個(gè)人能現(xiàn)場搬動(dòng)的部件重量不超過30kg，要求兩人能現(xiàn)場搬動(dòng)的部件不超過60kg，適合現(xiàn)場搬動(dòng)，電抗器部分采用干式環(huán)氧澆注，美觀可靠，適合各類電纜的要求。本裝置具有以下特點(diǎn)：
1）操作簡便
具有自動(dòng)/手動(dòng)調(diào)諧功能；大屏幕顯示電壓、電流和頻率等參數(shù)；具有過壓過流整定與保護(hù)功能；具有失諧保護(hù)功能；具有自動(dòng)記時(shí)和時(shí)間到關(guān)閉功能；電壓調(diào)節(jié)具有零位啟動(dòng)功能，以保證調(diào)諧的**性和高壓回路的零起升壓；
2）配置靈活
電抗器采用多臺(tái)式，試被試設(shè)備可串可并使用，而且可以根據(jù)被試設(shè)備確定帶到現(xiàn)場區(qū)的電抗器的個(gè)數(shù)；
3）重量輕、體積小
以一套2kM長的10kV電纜（高壓電流2.5A）為例，單臺(tái)電抗器重量35kg（2臺(tái)），變頻控制箱重量12kg，勵(lì)磁變壓器重量15kg。
7、變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置使用中的注意事項(xiàng)
1）諧振電源產(chǎn)品大多都是高壓試驗(yàn)設(shè)備，要求由高壓試驗(yàn)**人員使用，使用前應(yīng)仔細(xì)閱讀使用說明書， 并經(jīng)反復(fù)操作訓(xùn)練。
2）操作人員應(yīng)不少于2人。使用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守本單位有關(guān)高壓試驗(yàn)的**作業(yè)規(guī)程。
3）為了保證試驗(yàn)的**正確，除必須熟悉本產(chǎn)品說明書外，還必須嚴(yán)格按國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)操作。
4）各聯(lián)接線不能接錯(cuò)，特別是接地線不能接錯(cuò)，否則可導(dǎo)致試驗(yàn)裝置損壞。
5）本裝置使用時(shí)，輸出的是高電壓或超高電壓，必須可靠接地，注意操作**距離。
6）串聯(lián)諧振試驗(yàn)系統(tǒng)是利用諧振電抗器與被試品諧振產(chǎn)生高電壓的，也就是說，能不能產(chǎn)生高電壓主要是看試品與諧振電抗器是否諧振，所以，試驗(yàn)人員在分析現(xiàn)場不能夠產(chǎn)生所需高電壓時(shí)，應(yīng)該分析什么破壞了諧振條件，回路是否接通等。
7）變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的激磁變壓器有特定的電壓和電流要求，在選用代替品時(shí)，一定要考慮電壓和電流， 不能采用只是容量相同的普通的試驗(yàn)變壓器。
8、文章結(jié)語
直流耐壓試驗(yàn)不能模擬高壓交聯(lián)電纜的運(yùn)行工況，試驗(yàn)效果差，并且有一定的危害性，在現(xiàn)場竣工驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，不宜再采用直流耐壓的方法。交流耐壓試驗(yàn)是現(xiàn)場檢驗(yàn)交聯(lián)電纜的敷設(shè)和附件安裝質(zhì)量*有效的手段。我們所用的變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置符合國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、IEC和國標(biāo)的有關(guān)要求，通過電抗器串并聯(lián)的方式可以滿足高壓交聯(lián)電纜現(xiàn)場交流耐壓的要求。