高壓交聯電纜現場交流耐壓試驗選擇及問題探討

1．前言
          油紙絕緣用于中壓、高壓電纜已有50多年，由于這些電纜有很大的電容量，現場一直不做工頻交流試驗。而且油紙絕緣電纜的絕緣電阻遠低于橡塑電纜，DC電壓試驗用來判斷紙絕緣電纜的好壞已有幾十年的經驗，實踐證明效果不錯，可獲得其缺陷危害性的可靠信息。因此，直流耐壓試驗作為油紙絕緣電纜的現場竣工驗收試驗和定期的預防性試驗項目，對檢出絕緣缺陷和保證電網的**運行發揮了很好的作用。
         隨著電力技術的發展，交聯聚乙烯（XLPE）電力電纜的使用越來越廣泛。山東電網近年來隨著城網改造工程的實施，高壓交聯電纜特別是110kV XLPE電纜在各地市電業局開始大量使用。按照IEC840或CIGRE WG21.03建議規程，現場試驗的目的不是為了檢驗電纜的制造質量或電纜附件的制造質量的好壞，其制造質量已在型式試驗和出廠試驗中證實。現場竣工驗收試驗的目的是檢查電纜的敷設及附件的安裝是否正確。電纜在運輸、搬運、存放、敷設和回填的過程中，有可能受到意外損害。檢查的方法是按照IEC229，對于外護套厚度大于等于2.5mm的電纜，在電纜屏蔽與地之間施加10kV的直流，耐壓1分鐘。對于電纜主絕緣的耐壓試驗IEC推薦了兩種方法：
        直流耐壓：3U0 15分鐘；交流耐壓： U0 5分鐘 或1 U0 24小時。
        傳統的直流耐壓具有試驗設備重量輕，可移動性好，容量低等優點，對于油紙絕緣電纜應用效果很好，但對于XLPE交流電纜，無論從理論上還是實踐上都證明了不宜采用直流耐壓的方法。

    2．XLPE電纜直流耐壓試驗存在的問題
        高壓試驗技術的一個通用原則：試品上所施加的試驗電壓場強必須模擬高壓電器的運行工況。高壓試驗得出的通過或不通過的結論要代表高壓電器中的薄弱點是否對今后的運行帶來危害。這就意味著試驗中的故障機理應與電器運行中的機理有相同的物理過程。按照此原則，XLPE電纜進行直流耐壓試驗的問題主要表現在以下幾個方面：
       2．1 直流電壓下，電纜絕緣的電場分布取決于材料的體積電阻率，而交流電壓下的電場分布取決于各介質的介電常數，特別是在電纜終端頭、接頭盒等電纜附件中的直流電場強度的分布和交流電場強度的分布完全不同，而且直流電壓下絕緣老化的機理和交流電壓下的老化機理不相同。因此，直流耐壓試驗不能模擬XLPE電纜的運行工況。
       2．2 XLPE電纜在直流電壓下會產生“記憶”效應，存儲積累單極性殘余電荷。一旦有了由于直流耐壓試驗引起的“記憶性”，需要很長時間才能將這種直流偏壓釋放。電纜如果在直流殘余電荷未完全釋放之前投入運行，直流偏壓便會疊加在工頻電壓峰值上，使得電纜上的電壓值遠遠超過其額定電壓，從而有可能導致電纜絕緣擊穿。
       2．3 直流耐壓試驗時，會有電子注入到聚合物介質內部，形成空間電荷，使該處的電場強度降低，從而難于發生擊穿。XLPE電纜的半導體凸出處和污穢點等處容易產生空間電荷。但如果在試驗時電纜終端頭發生表面閃絡或電纜附件擊穿，會造成電纜芯線上產生波振蕩，在已積聚空間電荷的地點，由于振蕩電壓極性迅速改變為異極性，使該處電場強度顯著增大，可能損壞絕緣，造成多點擊穿。
       2．4 XLPE電纜致命的一個弱點是絕緣內易產生水樹枝，一旦產生水樹枝，在直流電壓下會迅速轉變為電樹枝，并形成放電，加速了絕緣劣化，以致于運行后在工頻電壓作用下形成擊穿。而單純的水樹枝在交流工作電壓下還能保持相當的耐壓值，并能保持一段時間。
       2．5 實踐也表明，直流耐壓試驗不能有效發現交流電壓作用下的某些缺陷，如在電纜附件內，絕緣若有機械損傷或應力錐放錯等缺陷。在交流電壓下絕緣*易發生擊穿的地點，在直流電壓下往往不能擊穿。直流電壓下絕緣擊穿處往往發生在交流工作條件下絕緣平時不發生擊穿的地點。

   3．交流耐壓試驗方法的選擇
        既然直流耐壓試驗不能模擬XLPE電纜的運行場強狀態，不能達到我們所期望的檢驗效果，自然就應該轉向用交流耐壓試驗來考核交聯電纜的敷設和附件的安裝質量。有以下幾種交流試驗的方法可供選擇：
       3．1超低頻0.1Hz耐壓試驗
           因被試XLPE電纜的電容量很大，工頻試驗時所需試驗變壓器的容量也要很大，導致試驗設備笨重而不適用于現場使用。采用0.1Hz作為試驗電源，理論上可以將試驗變壓器的容量降低到1/500，試驗變壓器的重量可大大降低，可以較容易地移動到現場進行試驗。目前，此種方法主要應用于中低壓電纜的試驗，由于電壓等級偏低，還不能用于110kV及以上的高壓電纜試驗。
       3．2振蕩電壓試驗
振蕩電壓試驗是用直流電源給電纜充電，然后通過一個放電球隙給一組串聯電阻和電抗放電，得到一個阻尼振蕩電壓。此種方法比直流耐壓試驗方法有效，但仍不如工頻試驗有效（1）。
       3．3諧振耐壓試驗
          可調電感型諧振試驗系統可以滿足耐壓要求，但由于重量大，可移動性差，主要用于試驗室。變頻諧振試驗系統不但能滿足高壓XLPE電纜的耐壓要求，而且具有重量輕、可移動性好的優點，適宜現場試驗。該裝置采用固定電抗器作為諧振電抗器，以調頻的方式實現諧振，頻率的調節范圍為30-300Hz，符合CIGRE WG21.09《高壓擠包絕緣電纜竣工試驗建議導則》中推薦使用工頻及近似工頻（30～300Hz）的交流電壓。這種交流電壓可以重現與運行工況下相同的場強，并已被證明是*有效的方法。

    4．現場驗收試驗實例
       具備了交流耐壓試驗手段后，我們開始對山東電網新上的110kV交聯聚乙烯電纜進行了現場交流耐壓驗收試驗。下面是某局6條110kV交聯電纜的耐壓試驗實例：
         型號：YJLW03
         額定電壓：64/110kV
         規格：1×300mm2銅導體交聯聚乙烯絕緣電力電纜，
         制造廠家：山東電力電纜電器股份有限公司。
        單位長度電容：0.139m F/km，單根電纜的長度：1.495km。
        試驗標準：在電纜芯線和金屬鎧裝層之間施加 U0=110 kV交流電壓，保持5分鐘。
      由于中間升壓變壓器高壓側的額定輸出電壓為15kV，無法滿足110 kV試驗電壓的要求，需要用串聯電抗器進行串聯諧振。由于流過串聯電抗器的試驗電流超過了其額定電流，因此需要加入并聯電抗器進行補償，實際上組成串—并聯諧振回路。 

   5．結束語
      5．1直流耐壓試驗不能模擬高壓交聯電纜的運行工況，試驗效果差，并且有一定的危害性，在現場竣工驗收試驗時，不宜再采用直流耐壓的方法。
      5．2交流耐壓試驗是現場檢驗交聯電纜的敷設和附件安裝質量*有效的手段。我們所用的變頻諧振裝置符合IEC和國標的有關要求，通過電抗器串并聯的方式可以滿足110kV和220kV高壓交聯電纜現場交流耐壓的要求。