110,kV,电力电缆现场交流耐压试验
时间：2023-03-23 16:15:03 来源：千叶帆 本文已影响人
史兴文
（黄河电力检修工程有限公司，青海 西宁 810000）
高压电力电缆因其可靠性高、占地少、容量大等优点，被广泛应用于工矿企业内部供电，它的安全稳定运行直接影响着企业的日常生产。青海某铝业公司110 kV 变电站GIS 设备发生短路故障，导致其线路引下线电缆B 相发生击穿，击穿部位在电缆杆塔敷设部分。现场拟对中间头、终端头安装制作完成后的电缆进行试验，以验证其完好性和安装质量。交流耐压试验的电压、波形、频率和被试电缆绝缘内电压分布，一般与实际运行情况相吻合，能有效地发现绝缘缺陷，是检验其绝缘优劣最有效的方法。针对该电缆的特点，对采用变频串联谐振系统进行交流耐压试验的试验方案、基本原理、试验系统、参数估算等进行了探索，通过现场试验进行验证并提出了抗干扰措施及注意事项。
2022 年4 月，某企业110 kV 电缆系统发生故障，现场对故障电缆引下部分进行了拆除、敷设新电缆并制作电缆终端，在杆塔下方的余缆井内进行电缆中间头的制作。其中新电缆长度为80 m，采用远东电缆有限公司的ZAYJLW03-64/110-1×1400 型电缆，即A 级阻燃交联聚乙烯绝缘绉纹铝套电力电缆。
不论在理论上还是实践中，均证明进行电压高的直流耐压影响此类电缆的使用寿命，如果降低试验电压标准又起不到预防作用。交流耐压试验用于高压电缆的竣工验收时，其击穿检出率高达9%左右[1]。为了更灵敏有效地查出电力电缆某些局部缺陷，考验其绝缘承受各种过电压的能力，对电力电缆进行串联谐振交流耐压试验非常必要[2]。DL/T 596-2021《电力设备预防性试验规程》中规定66 kV 及以上挤出绝缘电力电缆线路主绝缘交流耐压试验的判据为：频率为20～300 Hz 的交流耐压试验，试验时间为60 min，绝缘不击穿，试验电压为GB/T 11017.1-2014《额定电压110 kV（Um=126 kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件 第1 部分 试验方法和要求》中规定：电缆和附件安装后施加的交流电压试验值应为128 kV（2U0），持续时间1 h。作为替代可施加交流电压64 kV（U0），持续时间24 h[4]。
因该电缆为已运行的电缆线路，已在线运行6年，现场考虑到其运行年份、环境条件、击穿经历以及试验目的，经与设备管理方、厂家协商，确定最终的试验电压按照1.6U0执行，耐压时间为60 min。110 kV 电力电缆额定电压U为110 kV，设备最高电压Um为126 kV，用于确定试验电压的值U0为64 kV，因此最终试验电压为102.4 kV。
2.1 变频串联谐振试验系统
在电容、电感及电阻所组成的串联电路里，当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯阻性，这种现象叫作串联谐振。如图1 所示，由R、L、C组成的串联电路在交流电源U作用下，其阻抗为：
图1 由电容、电感及电阻所组成的串联电路
串联谐振时，电感电压或电容电压与电源电压的比值以字母Q来表示，称为谐振回路的品质因数或谐振系数，即：
因被试设备为电容性的，若采用试验变压器则容量不够，采用变频串联谐振试验系统可以解决现场高电压、大容量的交流耐压试验工作。变频电源目前已经非常成熟，其工作原理是从最初小功率的信号源经过多次放大后实现大功率输出，由变频电源输出合适的频率和电压，经励磁变使被试设备和电抗器组成的LC 回路谐振产生高压，在被应用到高压试验后，大大缓解了现场试验电源的容量不足问题。该试验系统的主要特点是：试验等效性好，输出即为正弦波，波形失真度小，波形畸变率<3%；
体积小、重量轻、搬运灵活、适合现场使用；
操作简洁、接线方便；
安全可靠、内置多种保护，包括放电击穿保护、过电压整定保护、输出短路保护、开机零位保护、桥臂放大回路保护、功率曲线保护等；
微机控制、输出稳定性好，输出电压的不稳定度<1%；
大功率变频电源采用光纤控制，将高压和低压控制回路隔离，确保人身安全。
如图2 所示,变频串联谐振试验系统电气回路主要由变频电源柜、励磁变压器（T）、高压电抗器（L）、分压器（Ck）和被试品（Cx）、均压环等部分组成。被试品电缆与电抗器采用串联谐振连接方式，高压分压器与被试品电缆并联测量谐振电压并作高压保护信号。
图2 变频串联谐振试验系统电气回路
2.2 试验设备
现场采用长沙海沃电力科技有限公司HVFP—450 kW 变频串联谐振装置，其中高压电抗器参数：额定电压250 kV，额定电流6 A，电感量200±2%H；
变频电源参数：额定功率450 kW，输出电压0～350 V，输出电流0～1 286 A，频率范围20～300 Hz；
励磁变压器参数：额定容量450 kV·A，额定输入2×0.35/0.4/0.45 kV（2×645/562.5/500 A），额定输出2×5/25/60 kV（2×45/18/7.5 A），工作频率50～300 Hz。
2.3 励磁变抽头的选择
在变频串联谐振试验系统中，励磁变高压抽头的选择至关重要。从品质因数与谐振曲线的关系可知，Q越大，频率选择性越好、通频带越窄。在加压前一般按照变频串联谐振加压系统回路Q值为30（最低值），结合试验电压值来选取励磁变高压抽头。根据变频柜的工作性能参数，要求其输出电压在200～350 V 为较好，300～350 V 为最佳。励磁变高压抽头不能选取太高，也不能选取太低，如果抽头选取电压太低谐振电压将无法满足试验电压要求值，如果抽头选取选电压太高谐振电压虽然满足试验电压要求值，但变频柜不能工作在其最佳工作状态或者是接近其最佳工作状态。换而言之如果选取太高，会出现变频电源输出电压低于200 V 时，一次电压已经满足试验要求值，此时变频柜中的功率板会出现较为明显的发热现象，从而导致变频电源柜不能长时间工作运行。
现场试验时，先按照之前假定的Q值选取相应的励磁变高压抽头，初步选定励磁变高压抽头。如果变频电源的输出电压达到或接近300～350 V 时一次电压未达到试验要求值，则表明试验回路的Q值较低，此时应改选励磁变高压抽头，选取的抽头应比事先确定的抽头电压级要高（即提高励磁变的变比K），此时还可结合改变励磁变低压侧抽头来实现，直到变频柜输出电压控制在300～350 V，一次电压满足试验要求值时为合适抽头；
如果变频柜的输出电压在0～200 V，此时一次电压已经达到试验要求值，则表明回路的Q值很大，则应改选较低的高压抽头（即降低励磁变压器的变比K）。
2.4 试验参数估算
对于110 kV 的高压电缆交接试验，励磁变输出电压至少要达到1.8 kV[5]。为提前确保现场试验电源的容量，确保试验过程中电源的可靠稳定，需提前对试验参数进行估算。被试品110 kV 交联聚乙烯电缆的导体截面积为1×1 400 mm2，电容量为0.253 μF/km（厂家提供新电缆参数，作为参考），电缆长度为280 m，因此其电容量：
C=0.28×0.253=0.070 84 μF （4）
根据串联谐振条件计算谐振频率，见式（4）；
高压一次电流，见式（5）；
励磁变比（高压抽头假定选取25 kV/18 A 档，低压选取400 V 档），见式（6）；
励磁变压器二次侧电流，见式（7）。
故电源容量：
3.1 现场试验
耐压前采用5 000 V 兆欧表对B 相电缆进行绝缘电阻测量，数值183.6 GΩ。现场按照试验方案开始试验，当电压升高至试验电压102.4 kV 左右时，实际频率为42.1 Hz，变频柜输出电流为117 A，与估算数据非常接近。设置倒计时1 h 试验顺利完成，耐压后绝缘电阻数值为192.8 GΩ，该电缆交流耐压试验合格。对电缆外护套施加10 kV 的直流电压未发生击穿，外护套耐压前后绝缘电阻数值分别为238 MΩ 和246 MΩ。
3.2 抗干扰措施
试验所用电源为专用电源，根据试验参数估算的结果选取合适的电源接至400 V 开关柜，与其他电源分开；
变频电源柜、励磁变压器、高压电抗器等试验设备的接地均接至电缆接地箱上，满足试验回路一点接地，无接地环路；
试验所用接线均为专用的防晕导线，现场尽可能缩短引线长度，在连接头处使用绝缘胶带进行包扎，减少电晕、提高回路的品质因数。
3.3 注意事项
试验开始前准备好安全技术措施并设专人监护，防止人员误入试验现场。
试验仪器应放置在平整的地面，并确保电抗器底部无金属，防止形成涡流，影响品质因数；
检查并确保试验回路牢固可靠，将电缆A、C 两相导体、金属屏蔽一起进行直接接地；
检查整个试验系统的高压绝缘安全距离是否足够，不应小于2 m；
在确认试验回路无误后先不带被试电缆进行空升试验，设置好过压整定数据，此时谐振回路由串联电抗器和电容分压器组成；
试验时调整试验频率并观察高压侧电压变化，直到高压侧出现最大值时，调整电压升至试验值；
试验人员应时刻保持警惕，严格控制升压过程和升压速度；
还应随时观测高压一次回路的电流值，确保其值不超过高压电抗器和励磁变高压线圈的额定电流值；
使用专用的防晕导线连接到被试品，并尽量缩短引线长度，提高回路的品质因数。
试验结束后试验人员严格按照停电、验电、悬挂临时接地线的步骤将被试电缆接地，确保人身安全。
通过利用串联谐振系统顺利完成了某变电站110 kV 电力电缆的现场交流耐压试验，确保了新（旧）电缆质量、敷设及电缆头制作工艺质量合格，保证了该变电站按计划顺利恢复投运，证明了此种试验方法的可靠，也为今后开展更多类似的试验提供了参考。
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