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用交流電壓進(jìn)行高壓XLPE絕緣電纜線路的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

摘　要：根據(jù)XLPE絕緣電纜用直流電壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，要求開(kāi)發(fā)新的方法?，F(xiàn)在有一種移動(dòng)式調(diào)頻串聯(lián)諧振裝置能夠用交流電壓進(jìn)行試驗(yàn)，這意味著適用于塑料絕緣電纜敷設(shè)后的試驗(yàn)將有重大突破。配有經(jīng)由戶(hù)外和戶(hù)內(nèi)開(kāi)關(guān)設(shè)備而接至電纜線路的連接線，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的要求。

數(shù)千米長(zhǎng)的電纜線路具有大電容，例如10km長(zhǎng)的110kV交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜，按其截面積的不同，電容可達(dá)2～3μF.如果在系統(tǒng)的頻率（50 Hz）下用交流電壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，就需要很大的無(wú)功功率。如上所述的電纜，在160kV（2.5 u0）下進(jìn)行交流電壓試驗(yàn)，則可能需要高達(dá)20 MVA的試驗(yàn)功率。常規(guī)的交流電壓試驗(yàn)設(shè)備（運(yùn)行頻率50 Hz）的缺點(diǎn)在于其單位試驗(yàn)功率的重量較大，達(dá)100～200N/kVA，試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)輸很不經(jīng)濟(jì)，而且需要在現(xiàn)場(chǎng)提供相當(dāng)大的電源。

眾所周知，油浸紙絕緣電力電纜的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)一般都采用直流電壓。試驗(yàn)時(shí)可以同時(shí)測(cè)量泄漏電流，由泄漏電流的變化或者泄漏電流與試驗(yàn)電壓的關(guān)系，可用以判斷絕緣狀況。數(shù)十年對(duì)油浸紙絕緣電力電纜采用直流耐壓試驗(yàn)的實(shí)踐，已證明其作為現(xiàn)場(chǎng)定期預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目能得出滿(mǎn)意的試驗(yàn)結(jié)果，這也就是充油和壓氣電纜用直流電壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的理由。這個(gè)試驗(yàn)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(yàn)的缺點(diǎn)

高壓XLPE電纜線路的運(yùn)行試驗(yàn)表明，現(xiàn)場(chǎng)采用直流耐壓試驗(yàn)不能有效地檢出有缺陷的XLPE絕緣電纜及附件。各國(guó)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)直流耐壓試驗(yàn)的XLPE絕緣電纜及附件在投入運(yùn)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(yàn)）于1984年向世界各國(guó)電纜制造商和電力公司調(diào)查，并組織進(jìn)行模擬結(jié)構(gòu)樣品試驗(yàn)，進(jìn)一步確認(rèn)高壓XLPE絕緣電纜采用直流耐壓試驗(yàn)是不恰當(dāng)?shù)?，其存在以下明顯的缺點(diǎn)：

a）直流電壓下絕緣電場(chǎng)分布與交流電壓下電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度的分布與交流電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)試驗(yàn)時(shí)不會(huì)擊穿而被檢出，或者在交流工作電壓下絕不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題的部位，而在直流耐壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)生擊穿。

b）XLPE自身的固有場(chǎng)強(qiáng)高，要用很高的直流試驗(yàn)電壓甚至嚴(yán)重?fù)p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(jié)果卻在10 U0的直流電壓下才能使其擊穿。再者，在接頭內(nèi)有金屬尖端或密封電纜頭周?chē)袊?yán)重的缺陷，即使用12 U0～16U0直流電壓試驗(yàn)也不可能檢出。

c）由于XLPE的高絕緣電阻和相應(yīng)的空間電荷效應(yīng)，尚不能排除在直流電壓下會(huì)造成XLPE電纜絕緣非故意的預(yù)先損傷。直流耐壓試驗(yàn)時(shí)形成的空間電荷，可造成電纜在投入交流工作電壓運(yùn)行時(shí)擊穿，或附件界面因積聚電荷而沿界面滑閃。

2、調(diào)頻串聯(lián)諧振裝置實(shí)例

傳統(tǒng)的直流電壓試驗(yàn)存在著嚴(yán)重缺點(diǎn)，必須尋求新的較為有效的試驗(yàn)方法。非常自然的、符合絕緣機(jī)理的傾向，是采用交流電壓試驗(yàn)方法，關(guān)鍵是要開(kāi)發(fā)新型的交流電壓試驗(yàn)設(shè)備。本文將詳細(xì)介紹由西門(mén)子柏林電力電纜廠等研制的8 MVA，160 kV調(diào)頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置。

2.1移動(dòng)式

調(diào)頻串聯(lián)諧振裝置設(shè)計(jì)的首要目的是試驗(yàn)安全、簡(jiǎn)便和快速，整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備均安裝在低底架的大卡車(chē)上。最重的組件是電抗器，重156.8 kN.車(chē)輛總重量約400 kN.

2.2試驗(yàn)電壓連接線

電源電壓經(jīng)OHL門(mén)架的戶(hù)外終端和變壓器的輸出端或氣體絕緣開(kāi)關(guān)（GIS）而饋電至用戶(hù)的電纜線路。通常連接到試驗(yàn)設(shè)備的電抗器，包括可接至戶(hù)外套管或試驗(yàn)電纜的插入式澆注樹(shù)脂絕緣管。內(nèi)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(hù)外終端；3—已裝在電纜盤(pán)上的試驗(yàn)電纜，帶有符合IEC859的開(kāi)關(guān)設(shè)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(qū)動(dòng)的起吊機(jī)；7—控制室；8—戶(hù)外終端運(yùn)輸用的貯存器

2.3戶(hù)外套管

戶(hù)外套管的戶(hù)外部分有防水硅橡膠裙邊，并模鑄在耐壓的增強(qiáng)玻璃纖維塑料支撐管上。戶(hù)外套管的內(nèi)部，導(dǎo)體是用交聯(lián)聚乙烯絕緣并用硅橡膠電容式應(yīng)力錐來(lái)控制場(chǎng)強(qiáng)。附加的內(nèi)部絕緣為SF6.這種結(jié)構(gòu)使安裝比較容易，此外，試驗(yàn)也不會(huì)受天氣的影響。

戶(hù)外套管裝在電抗器上，用柔軟的銅導(dǎo)線接至被試電纜線路的戶(hù)外密封終端。如果該銅導(dǎo)線很長(zhǎng)或沿著曲折的途徑，則應(yīng)采用絕緣子來(lái)支撐。

2.4GIS饋電的試驗(yàn)電纜

如果被試電纜和系統(tǒng)端接在GIS（氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備）內(nèi)，則電源饋電線可接至為試驗(yàn)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(yàn)電纜繞在電纜盤(pán)（安裝在車(chē)上）上，而且可拉開(kāi)至70 m長(zhǎng)。用電子器件控制電纜盤(pán)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使敷設(shè)試驗(yàn)電纜時(shí)達(dá)到靈活而且支撐牢固。用試驗(yàn)電纜可接至現(xiàn)場(chǎng)GIS附近的任何地方。

試驗(yàn)電纜的密封終端，與戶(hù)外套管一樣都是充以SF6氣體，確保裝配工作簡(jiǎn)易和安全。

2.5初級(jí)電源的連接電纜

在大多數(shù)使用場(chǎng)合，試驗(yàn)電源均從用戶(hù)的系統(tǒng)獲取。根據(jù)被試電纜的長(zhǎng)度和電容，視在功率可能需要達(dá)200 kVA.但是，在很多的試驗(yàn)場(chǎng)合下，可能僅僅需要電源視在功率小于50 kVA.為此，運(yùn)輸車(chē)還有裝在電纜盤(pán)上的連接電纜，長(zhǎng)度200 m.

在所接入的電源負(fù)荷較大的場(chǎng)合或者饋電位置遠(yuǎn)離公用電源系統(tǒng)時(shí)，本移動(dòng)式大容量調(diào)頻串聯(lián)諧振裝置還添加有可靈活移動(dòng)的發(fā)電機(jī)。

2.6絕緣氣體源的環(huán)境安全

運(yùn)輸車(chē)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(yùn)輸車(chē)上起吊工作

戶(hù)外終端或試驗(yàn)電纜密封終端安裝至電抗器需要質(zhì)量達(dá)100 kg的起重機(jī)。起重機(jī)也安裝在拖車(chē)上。這樣，在用戶(hù)的現(xiàn)場(chǎng)就可直接進(jìn)行工作而不受其他任何輔助設(shè)備的限制。

在開(kāi)始安裝的時(shí)候，通常不可能與用戶(hù)的電網(wǎng)相連接。因此，起重機(jī)由直流電動(dòng)機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)由拖車(chē)上的蓄電池供電。這樣，進(jìn)行試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作不會(huì)有任何延誤。

2.8設(shè)備控制和用戶(hù)操作室

運(yùn)輸車(chē)是按成套移動(dòng)式調(diào)頻串聯(lián)裝置而設(shè)計(jì)的，適用于戶(hù)外使用。因此，也裝有寬敞的測(cè)試間。其內(nèi)包括電子器件控制設(shè)備，計(jì)算機(jī)控制的聯(lián)機(jī)裝置以及容納操作和觀察人員的足夠空間。用戶(hù)能在各種氣候條件下從事試驗(yàn)，而且便于試驗(yàn)時(shí)做記錄或試驗(yàn)全部結(jié)束后立即編寫(xiě)試驗(yàn)報(bào)告。

3、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

本試驗(yàn)裝置自研制成功后，已用于110 kV XLPE絕緣電纜線路的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并取得初步有效運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

自從1996年以來(lái)，已在高壓電纜線路進(jìn)行交流電壓試驗(yàn)。大約80%的試驗(yàn)連接是經(jīng)由戶(hù)外密封終端而進(jìn)行的，約20%則是經(jīng)由GIS開(kāi)關(guān)裝置進(jìn)行。在已試驗(yàn)的電纜線路中，長(zhǎng)度最長(zhǎng)的約3.8 km，最高試驗(yàn)電壓為160 kV，僅利用試驗(yàn)設(shè)備最大功率的50%.這意味著還可以試驗(yàn)更長(zhǎng)的電纜線路。

經(jīng)由戶(hù)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(dǎo)線把電抗器的電壓輸出接至電纜密封終端。

4、結(jié)束語(yǔ)

用于長(zhǎng)距離電纜線路的交流電壓試驗(yàn)，需要相當(dāng)大和重的試驗(yàn)設(shè)備。為此，以往的XLPE電纜都是采用直流電壓試驗(yàn)。高壓XLPE電纜線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，采用直流電壓耐壓試驗(yàn)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(diǎn)已取得國(guó)際共識(shí)，采用更有效的試驗(yàn)方法勢(shì)在必行。

通過(guò)對(duì)工頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)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(yàn)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(chǎng)分布與實(shí)際運(yùn)行工作電壓下的電場(chǎng)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(guó)用作XLPE絕緣電纜線路的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。

本文所介紹的新型調(diào)頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置，是把供電電源、產(chǎn)生試驗(yàn)?zāi)芰康闹髟O(shè)備、連接至電纜線路的專(zhuān)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(chē)上。這樣就能機(jī)動(dòng)靈活便于運(yùn)作。迄今，最頻繁使用的是把試驗(yàn)電壓接至戶(hù)外密封終端，也進(jìn)行過(guò)把交流電壓經(jīng)由試驗(yàn)電纜而饋電至符合IEC 859的GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，該裝置的電氣系統(tǒng)和連接技術(shù)兩者的研制都是令人滿(mǎn)意的，而且可對(duì)高壓XLPE絕緣電纜線路進(jìn)行既可靠又經(jīng)濟(jì)的交流電壓試驗(yàn)。

綜上所述，開(kāi)發(fā)并應(yīng)用適合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的交流高壓試驗(yàn)裝置具有現(xiàn)實(shí)意義。我們要借助國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)試驗(yàn)設(shè)備研制開(kāi)發(fā)，加強(qiáng)試驗(yàn)技術(shù)的研究，希望高壓XLPE絕緣電纜線路的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)會(huì)有突破性成就。

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