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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)由戶外和戶內(nèi)開(kāi)關(guān)設(shè)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(zhǎng)的電纜線路具有大電容，例如10 km長(zhǎng)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(dá)2～3 μF。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160 kV(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)100～200 N/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圍有嚴(yán)重的缺陷，即使用12 U0～16 U0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(yàn)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(kāi)關(guān)(GIS)而饋電至用戶的電纜線路。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—戶外終端；3—已裝在電纜盤上的試驗(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—戶外終端運(yùn)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(qiáng)玻璃纖維塑料支撐管上。戶外套管的內(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。
2.4 GIS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(安裝在車上)上，而且可拉開(kāi)至70 m長(zhǎng)。用電子器件控制電纜盤的傳動(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)輸車還有裝在電纜盤上的連接電纜，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)輸車上起吊工作
戶外終端或試驗(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)也安裝在拖車上。這樣，在用戶的現(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)備控制和用戶操作室
運(yùn)輸車是按成套移動(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(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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作者：上海電纜研究所 萬(wàn)樹(shù)德
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