110kV电力电缆交流耐压试验介绍

随着我国的电力事业的迅速发展,尤其是在城网改造中,用交联聚乙烯电缆(以下简称:“交联电缆”)代替架空线路已成为一种趋势,高电压的电力交联电缆使用的数量越来越多。为了检验和保证交联电缆的安装质量,在送电投运前,对交联电缆进行现场交流耐压试验十分必要。过去由于受试验设备的限制,在现场对交联电缆进行交流耐压试验比较困难,一般采用直流耐压试验来代替。存在两个缺点:

1)直流电压对交联聚乙烯绝缘,有积累效应,即“记忆性”。一旦电缆有了由于直流试验而引起的“记忆性”,它就需要很长时间来释放尽残留在电缆中直流电荷。而当该电缆投入运行时,直流电荷便会叠加在交流电压峰值上,产生“和电压”,远超过电缆的额定电压,使绝缘加速老化,缩短使用寿命。

2)直流电压分布与实际运行的交流电压不同,直流电场分布受电阻率影响,而交流下电场分布与电阻率和介电系数都有关。因此直流耐压试验并不能象交流耐压一样可以准确地反映电缆的机械损伤等明显缺陷,直流试验合格的电缆,投入运行后,在正常工作电压作用下,也会发生绝缘故障。由此可见,对于交联电缆采用传统的直流耐压试验是不可取的,应予淘汰。近年来,国内外许多专家都建议现场对交联电缆进行交流耐压试验来代替直流电压试验。由于电力电缆对地电容量很大,在现场采用50Hz工频进行交流耐压试验条件难以具备,但采用调频电源进行交流耐压试验,条件是基本具备的。根据GB11017-89 [1]及IEC840,现场绝缘耐压试验中使用的交流电压频率,可采用30—300Hz。

2交流耐压的几种试验方法

2·1串联谐振

如果被试品的试验电压较高,而电容量较小, 一般可采用串联谐振方法,见图1所示。

当试验回路中ω0L =1ω0C(C包括CX、C1、C2)时,试验回路产生串联谐振,此时能在试品上产生较高的试验电压(试验电压高低与回路品质因数有关),如果电容C较大,试验回路电流也较大,通过电抗器的电流也较大,这时试验设备一般难以满足现场试验需要;通常该试验接线仅适用于被试品电容量较小而试验电压较高,试验变压器能满足试验容量要求而不能满足试验电压要求的情况。

对于电力电缆来说,被试设备的电容量C是固定的,要使试验回路产生谐振就要改变试验回路的电感L或频率ω,即:ω0=1 LC或L =1ω02C;

采用改变电感的方法来满足串联谐振需采用可调电抗器,但限于运输和在现场搬动,电抗器的体积和重量不能做得很大,因此可调电抗器的调节范围是有限的。所以在现场试验时采用调感的方法往往由于电抗器的范围有限而不能满足试验要求。

另一种方法是采用调频的方法,即当电抗器和电容固定时通过改变试验电源频率来使ω0L = 1 ω0C来达到所需的电压,但这时需要一套调频电源装置。

2·2并联谐振

如果被试品的试验电压较低而试品容量较大时,一般可采用并联谐振方法,见图2所示。

当试验回路中ω0L=1ω0C(C包括CX、C1、C2) 时,试验回路产生并联谐振,此时试品电压等于电抗器电压也等于升压变压器高压侧电压。由于电抗器的补偿作用,变压器理论上仅提供回路阻性电流,可以大大降低对试验变压器的容量要求。因此该试验回路适用于试品电容量大,而电压较低的情况。低电压的电抗器一般容易制作,试验时可采用几个低电压电抗器并联的方法或利用可调电抗器改变电感的方法来满足并联谐振要求。如果有一套调频电源装置的话,也可采用改变试验电源频率的方法,使回路满足试验要求。

2·3串-并联法

当试验电压较高、被试品电容量较大时,采用上述两种方法都难以满足试验要求,主要是试验设备难以满足要求:一是合适的高电压大容量的电抗器一般单位都不具备;二是不同长度的电缆电容量不相同,需要的电抗器也不一样,即使是可调电抗器也往往由于可调范围有限而难以满足试验要求。因此仅靠配备合适的电抗器来满足试验要求就比较困难,所以国内外进行长电缆交流耐压试验一般均采用串、并联调频谐振方式。

如图3所示,在试验回路中串入电抗器产生串联谐振来提高被试品试验电压,在被试品两端并联电抗器使被试品电容电流大部份由电抗器来补偿,从而使通过串联电路中电抗器的电流大为减少,从而降低试验对电抗器、试验变压器的要求。采用调频电源装置来改变试验频率使ω0L =1ω0C,使试验回路产生谐振。这样试验设备就比较容易满足试验要求。

3I、II回电力电缆交流耐压试验

云南电力试验研究所对昆明供电局I、II回110kV交联电力电缆进行交流耐压试验,采用的是调频方法及串-并联谐振接线方式(见图3所示);其两条电缆长度均为2·1km,每km的电容量为0·12μF,每一相电缆总电容量大约为0·27uF,采用的补偿电抗器为4个并联,每个电抗器的电感量为200H左右,串联电抗器电感也为200H左右, 在电抗器1串4并的串并联谐振接线情况下,通过变频电源尽量使试验频率接近于50Hz,计算的试验频率大约为48·45Hz,计算被试品电力电缆的电容电流大约为9·04A, 4个电抗器补偿电感电流为7·23A,每个补偿电抗器通过的电流不到2A,而串联回路中的电抗器电流仅为1·81A,这样每个电抗器只需要耐压150kV电流大于2A;升压变压器的变比为K=18 000V/400V=45,输出电压为18kV,电流也只需要2A就能满足试验要求,试验数据见下表。

注:在电缆芯导体和金属屏蔽层间施加试验电压110kV,持续5min,试验结果全部通过。

4调频电源装置的主要技术参数:

4·1调频电源柜

额定输入电压:三相380V交流

单相输出电压: 0~365V,标准正弦波

额定输出电流: 0~800A

频率调节范围: 30~300Hz

重量: 800kg

4·2中间升压变压器

额定容量: 80kV A

高低压变比: 18000V/400V

4·3谐振电抗器(单节的额定参数)

额定电感量: 200H

额定电流: 4A

额定电压250kV

50Hz时的品质因素Q: 50

重量: 1 000kg

5结束语

1)从试验中可以看出,“串-并联谐振法”实质上仍然是串联谐振。这次试验主要还是利用L- C谐振原理·与传统的串联谐振不同之处在于,电抗器L不是简单地与被试品电力电缆电容Cx构成串联谐振,而是与电抗器L1-L4和被试电缆电容Cx的并联回路产生串联谐振,谐振电压为Uc。并联电抗器L1-L4主要起补偿作用。

2)由于有了L1-L4的补偿作用,使得流过励磁变压器高压侧及串联电抗器L上的电流I 减小,电抗器L的体积和重量将大大减轻以及励磁变压器容量也将大大减少,相对提高了调频谐振装置的带负载能力。使得原本很难进行的试验项目,相对变得容易。