變頻串聯諧振試驗裝置

在橡塑電力電纜交流耐壓試驗參數的討論

1. 電力電纜交流耐壓試驗技術發展的歷史過程

橡塑絕緣電力電纜過去在交接和預防性試驗中，與油浸紙絕緣電纜一樣都采用直流耐壓試驗。在1980年以前幾年，國外電力部門發現了直流耐壓試驗對橡塑絕緣是無效的且具有危害性。大電網會議通過深入廣泛的研究對XLPE電纜改用交流耐壓試驗達成共識，并頒發了《試驗導則》，在*范圍內廣泛推廣應用。我國在九十年代中期已開始并關注此問題，尤其是2001年至今，各省已陸續提出相應的試驗要求。綜觀其發展歷史過程簡述如下：

1980年前幾年  國外發現橡塑電纜做直流耐壓試驗存在問題。

1983～1989年  加拿大、德國、瑞典等國部分電力公司試驗改做交流耐壓試驗。

1988年起      德國部分電力公司試用0.1Hz超低頻交流耐壓試驗。

1989～1990年  美國陸續發表關于直流耐壓試驗存在的問題和原因分析方面的文章。

1994年        廣東省和華東中試所協同研究中壓電纜交流耐壓試驗電壓標準問題。

1995年        德國制定VDE DIN 0276 Part 1001 （May 1995）中壓橡塑電纜交接試驗工頻交流耐壓和0.1Hz耐壓試驗電壓標準。

1996年       美國電力研究所（EPRI）發布《中壓電力電纜0.1Hz現場試驗試行導則》（EPRI RP 3392-01/CEA 200-D-780A）（試驗電壓標準）

1997年       大電網會議（CIGRE）第21、09工作組發表《高壓擠包絕緣峻工驗收試驗導則》（30～300Hz及試驗電壓標準）。

1.   廣東制定中壓橡塑電纜交流試驗電壓標準暫行規定。

2000年左右    北京、廣東及其他地區對110、220kV XLPE電纜作交流耐壓試驗。

2002年2月    江蘇頒發《電力設備交接和預防性試驗規程》。

2002年2月    華北地區頒發《電力設備交接和預防性試驗規程》。

2003年3月    山東頒發《電力設備交接和預防性試驗規程》。

2003年6月~12月  安徽、浙江、湖北、福建、吉林起草《橡塑電纜交接和預防性試驗規程》。

2004年5月    南方電網公司頒發《電力設備預防性試驗規程》。

從以上歷史過程中可以看出，交流耐壓試驗是客觀的需要。經過國內外20年左右的研究和實踐，從理論基礎研究到現場試驗經驗的積累，技術上已趨于成熟。在我國的廣東、華北、江蘇、山東、安徽等地區和省份已有地方試驗規程并正式推廣應用。修訂發布全國電力行業統一標準也只是時間問題。為適應我國電力建設的快速發展，尤其是城、農網改造帶來交聯電纜的大量增加，

全國其它各省、自治區均在進行或準備進行相關規程的修訂工作。從技術方面來看，討論多的是試驗頻率，試驗電壓及加壓時間等參數。

2．選擇試驗電壓的頻率

2.1 現行的不同試驗頻率

由于電纜的電容量較大，采用傳統的工頻試驗變壓器很笨重、龐大，且大電流的工作電源在現場不易取得。因此一般都采用變頻串聯諧振試驗裝置。其輸入電源的容量能顯著降低，重量減輕，便于使用和運輸。初期多采用調感式串聯諧振設備（50Hz），但存在自動化程度差、噪音大等缺點。因此現在大都采用調頻式（30～300Hz）變頻串聯諧振試驗設備，可以得到更高的品質因數（Q值），并具有自動調諧、多重保護、以及低噪音、靈活的組合方式（單件重量大為下降）等優點。

綜合國內外有關技術資料，選擇合適的試驗頻率范圍是個比較重要的問題。在這方面，有一些不同的觀點和提法。（見圖1）圖中不同的提法可分成4類：第1類為較寬頻率范圍30～300Hz、20～300Hz、1～300Hz；第2類為工頻范圍，45～65Hz、45～55Hz；第3類為接近工頻，35～75Hz；第4類為超低頻，0.1Hz。

圖1  試驗電壓頻率范圍的不同提法

為了便于進一步討論頻率范圍的選擇問題，現摘錄ISH’99倫敦會議有關論文中不同頻率和波形下的擊穿電壓研究結果列于圖2。

2.2 正常絕緣擊穿與探測絕緣缺陷的關系

國內外有關絕緣擊穿的研究表明：橡塑電纜正常絕緣的樣品，其擊穿電壓都相當高，即使它們的平均擊穿電壓水平也顯著高于交接和預試試驗電壓。因為交接和預試電壓是用來發現絕緣缺陷的，不是用來鑒別正常絕緣的絕緣水平的。所以不能直接比較不同頻率下正常絕緣樣品的擊穿電壓，比較了也缺乏實用意義。

1、新電纜    2、針—板電極      3、電纜有機械“故障”    4、電纜有水樹枝

圖2 交聯聚乙烯（XLPE）電纜樣品在不同頻率和電壓波形下的擊穿電壓

在不同頻率下，測量有絕緣缺陷且損壞程度相同的樣品的擊穿電壓，目的在于比較不同頻率對發現絕緣缺陷的能力。當然，這時的擊穿電壓已經接近交接試驗電壓標準。大電網會議（CIGRE）第21、09工作組就是按照上述原則進行測試、研究的。他們進行了大量的基礎研究工作，來選定頻率范圍。后發現對電纜中的典型缺陷其擊穿電壓在很寬的頻率范圍內沒有明顯差別。說明在很寬的頻率范圍內，絕緣內部各介質的電壓分布基本相同。因此不同試驗頻率發現絕緣缺陷的能力也是基本相同的。

交接和預防性試驗屬于工業性試驗性質。由于工業性試驗條件不可能很嚴格，影響因素較多，在判斷試驗結果時，允許有一定的偏差。

2.3 討論

（1）第1類較寬頻率范圍

大電網會議第21、09工作組發布的《試驗導則》，建議頻率范圍為30～300Hz。但實際上更低一些頻率也具有較好的等效性。IEC 60840和IEC 62067標準草案（2001年和2000年）就規定可采用20～300Hz。

國外有些廠家設計串聯諧振用電抗器，在特殊情況下也有采用低頻率為25Hz或20Hz的。當然，頻率愈低，被試電纜的長度（電容量）可增大。但是電抗器鐵心因此放大，使重量增加。個別資料為1～300Hz，這說明實際應用中頻率下限有可能取得更低，例如小于20Hz甚至到0.1Hz也是可行的。進一步表明在此頻率范圍內，絕緣內部各介質的電壓分布及介質特性仍基本相同。

工作頻率超過300Hz是否適當？有資料報導說，隨頻率增高，串諧電抗器及勵磁變壓器的損耗降低，但是要考慮被試品電容介質的極化發熱問題，因此頻率高于300Hz是不可取的。

（2）第2類為工頻范圍

上工業頻率主要指50Hz和60Hz兩種，故IEC標準規定對高壓絕緣的工業試驗頻率范圍為45～65Hz，在我國額定工頻為50Hz。GB/T16927.1-1997規定工頻試驗頻率范圍為45～55Hz。

認為工頻電力電纜的試驗電壓也必須是工頻，這是趨于比較保守的觀點。針對此問題應該著重說明交接和預防性試驗的目的在于發現絕緣缺陷。而且其試驗電壓標準的判定原則就是根據發現缺陷的能力來定的。在不同的頻率下只要絕緣內部介質電壓分布相同，又有基本相同的檢出絕緣故障的能力，就能達到試驗的目的。因此即使選用比工頻范圍更寬的頻率也是可以接受的。

油紙絕緣電纜一直采用頻率等于零的直流電壓進行耐壓試驗，其實際效果很好，數十年來未受到置疑。

（3）第3類為接近工頻頻率，35～75Hz

國外曾對正常XLPE（交聯聚乙烯）絕緣電纜樣品，在不同頻率下進行擊穿試驗。結果表明在頻率為35～75Hz時擊穿電壓均落在可置信度95%之內。因此有觀點贊成試驗電壓頻率好選在35～75Hz。也較為靠近運行電壓頻率50Hz。值得注意的是，上述測試結果是對正常絕緣做的擊穿試驗。而交接和預防性試驗所采用的試驗電壓值是偏低的，它只能擊穿有缺陷的絕緣弱點（機械損傷、水樹枝、終端頭或接頭盒應力錐施工或用料錯誤，等等），*不足以擊穿電纜本體的正常絕緣?？梢妰煞N試驗的目的和工作機理均不相同。似乎沒有必要將正常絕緣35～75Hz的擊穿特性“延伸”應用到檢測絕緣缺陷方面。

（4）大電網會議CIGRE第21、09工作組由10個國家資深的電纜專家組成。在90年代中期為了選擇適當的交流耐壓試驗的頻率范圍，做了大量、仔細的基礎研究工作。得出頻率在30～300Hz范圍內，橡塑電纜內部幾種典型絕緣缺陷的擊穿特性沒有明顯差別。這應該是可信的，也得到普遍采用。分析形成這種在不同頻率下良好的擊穿特性，主要原因是優良的同軸絕緣結構，單一的絕緣介質，材質相對純潔，電場分布合理、規則。因此，在不同頻率下結構內部電壓分布相同，形成寬頻率范圍試驗的條件。

（5）此外，另一個研究報告（圖2），也提供了相似的結論。它比較了正常和有缺陷XLPE電纜樣品在50Hz和250Hz兩種頻率下的擊穿特性統計值。表明在這兩種頻率下，有缺陷的電纜的擊穿特性沒有明顯的差別。同時也比較了0.1Hz，振蕩波電壓與50Hz的試驗結果。

有幾個報導稱，振蕩波電壓法不夠有效，不宜采用。

0.1Hz超低頻率試驗具有認可的等效性，但目前0.1Hz試驗設備的輸出電壓僅能滿足中壓電纜（3～35kV）的試驗要求。國內0.1Hz的試驗設備還有待進一步開發、完善。

3．選擇試驗電壓標準

3.1 交流試驗電壓國外標準（適用于橡塑電纜敷設后的交接試驗）

（1）中壓部分（3～35kV）

• CIGRE SC21科技委員會推薦論文21-05號，1990年：

交流試驗電壓2U₀～3U₀是適當的，能得出可靠的試驗結果。

• 德國工業標準：VDE DIN 0276 Part 1001，1995

工頻交流電壓，2U₀，45～65Hz，30min

（2）高壓部分（60～500kV）

3.2 國內部分地區（?。┰囼炿妷簶藴?/strong>

3 國內外0.1Hz試驗電壓標準（適用于3～35kV中壓橡塑電纜交接試驗）

（1）德VDE DIN 0276，1995       0.1Hz，3U₀，30min

（2）美《電力電纜現場0.1Hz高壓試驗試行導則》，1996

注：Ⅰ 若試驗時間改用60min，則用上述電壓值的0.75倍；

Ⅱ 美國不采用10kV電壓等級，【Un=10kV】一行是便于與我國比較，臨時用插入法正比例計算得到的。

（3）國內部分地區（3～35kV電纜）（2002～2003年制定）

3.4 討論

（1）綜合國外和國內采用的標準，在Un=60kV以下的中壓電纜（3～35kV）其交接試驗電壓均為2U₀，預試電壓用0.8×2U₀＝1.6U₀。

深入分析，可見交接和預試電壓的具體值是偏低的。它適宜于發現（擊穿）有絕緣缺陷和存在問題的電纜絕緣。例如：10kV電纜的交接試驗電壓2U₀＝17.4kV,預試僅為14kV，比高工作線電壓Um＝11.5kV高出不多。這樣的電壓是不能用來檢測正常絕緣的絕緣水平的。因為正常絕緣的絕緣水平相當高，新電纜的出廠交流耐壓也是很高的。

（2）110kV及以上電壓等級則逐步降低為1.7Uo、1.4Uo，等等。說明絕緣余度降低。另外這與電力系統中性點接地方式有關）。同樣，預試值也取0.8倍的交接值。

（3）從早期國外部分電力公司較早試用交流耐壓的經驗來看，例如加拿大安大略水電局對額定電壓13.8kV和8kV的橡塑電纜，5min的交流耐壓值也是接近2Uo。此標準用了6年（1983～1989年），認為是合適的。這也是一種旁證，說明我國一些地區制定的電壓標準，目前看來是比較合適的，可以試用一段時間，再總結經驗。

（4）中壓電纜選用上述2Uo試驗電壓，是否能滿足我國中性點不接地系統運行中一相接地過電壓的要求？1994年廣東省在試用交流耐壓方法的初期階段，曾與華東所協作共同研討、制定試驗電壓標準。當時CIGRE第21.09工作組的導則（1997年）尚未發表，能參考的資料還不太多。針對系統發生一相接地，其他兩相對地電壓升高為線電壓（以大工作線電壓Um計算），暫態過電壓部分因時間短促暫不計入。考慮加上15%的余度，即試驗電壓取1.15Um?，F以10kV為例，Um＝Un×1.15＝11.5kV，一相接地時其他兩相電壓升為Um即11.5kV，加余度15%，即1.15×Um＝1.15×11.5kV＝13.22kV。另外，從2Uo的耐壓水平觀點來計算，為安全計，取Um電壓下的相電壓，即2×   ＝13.28kV，注意到兩個電壓值，基本相等，認為適合采用。再看目前各地區對8.7/10kV電纜交接和預試電壓標準均取17.4kV和14kV，與廣東所取13kV接近。

（5）國外標準中選用電力系統工頻Un（或√3Uo）或相電壓Uo電源進行試驗（通常為24h）。著眼于較易于解決試驗電源問題，對超長高壓電纜在沒有合適的試驗設備及試驗條件情況下，不失為一種解決辦法，但也存在現場試驗可行性和電網安全性方面的問題。運行部門對此尤為謹慎。

（6）0.1Hz試驗電壓和試驗時間

德、美和我國幾個地區的0.1Hz試驗電壓標準來說，都取3Uo左右，基本相同（見3.3節）。說明在電壓方面觀點一致。不同的是在試驗時間上，德國DIN標準選30min；美國選15min（附加說明，如果時間延長為60min，則電壓降低為0.75倍）。我國部分地區和省份，交接選60min，預試選5min。據德國1991年總結試驗時間和電纜故障次數的運行經驗，試驗時間延長為60min后，事故次數明顯降低。

（7）歸納上述各點來看，30～300Hz（或其相近頻率）變頻串聯諧振交流耐壓試驗選用2Uo；0.1Hz選用3Uo，作為交接試驗電壓標準是合適的。它能發現一般較明顯的或較嚴重的絕緣缺陷。如果選用更高一些的試驗電壓，它有可能多發現一些較輕微的絕緣缺陷，但也增加了一些有輕微缺陷，但尚能繼續使用的電纜提前擊穿的危險性。

后的判斷，應該在試行數年后總結電纜安全運行經驗的基礎上再下結論。

1. 選擇試驗持續時間

4.1 討論

（1）第3節國外標準中，交流試驗時間主要有3種：5min、30min、1h。為了取得試驗實效，試驗時間實際上與電壓高低密切相關。電壓高，時間可以短些；電壓低，時間需要長些。

（2）過去有人對采用交流電壓對電纜作耐壓試驗存有戒心。擔心交流電壓產生的局部放電損壞絕緣，降低電纜的使用壽命。產生局部放電的強弱或放電量與試驗電壓高低和試驗時間長短有關。因此有不少單位在施行交流耐壓初期階段，不希望選用較高的電壓，以減少局部放電；同時試驗時間不要太長，以免局部放電的積累作用，有損絕緣。

（3）國外在中壓電纜的30～300Hz（或相近頻率）現場試驗經驗，美國、加拿大等國家，試驗時間大多選用了5min；而德國的經驗，傾向于用30min。對110kV、220kV高壓電纜，有用5min的，也有用60min的。

（4）我國處于對XLPE電纜前采用交流耐壓試驗的初期階段，為了減少局部放電長時間的積累作用，對中壓和高壓電纜建議先采用較短的試驗時間如5min。另一方面，考慮到我國的預試體制、試驗條件和實際可操作性，似乎較短的試驗時間更便于推廣實施。待執行幾年，積累一定經驗后，再作修訂。

                                      上海妙定電氣技術部