變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置

在橡塑電力電纜交流耐壓試驗(yàn)參數(shù)的討論

1. 電力電纜交流耐壓試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的歷史過程

橡塑絕緣電力電纜過去在交接和預(yù)防性試驗(yàn)中，與油浸紙絕緣電纜一樣都采用直流耐壓試驗(yàn)。在1980年以前幾年，國外電力部門發(fā)現(xiàn)了直流耐壓試驗(yàn)對橡塑絕緣是無效的且具有危害性。大電網(wǎng)會議通過深入廣泛的研究對XLPE電纜改用交流耐壓試驗(yàn)達(dá)成共識，并頒發(fā)了《試驗(yàn)導(dǎo)則》，在*范圍內(nèi)廣泛推廣應(yīng)用。我國在九十年代中期已開始并關(guān)注此問題，尤其是2001年至今，各省已陸續(xù)提出相應(yīng)的試驗(yàn)要求。綜觀其發(fā)展歷史過程簡述如下：

1980年前幾年  國外發(fā)現(xiàn)橡塑電纜做直流耐壓試驗(yàn)存在問題。

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

1988年起      德國部分電力公司試用0.1Hz超低頻交流耐壓試驗(yàn)。

1989～1990年  美國陸續(xù)發(fā)表關(guān)于直流耐壓試驗(yàn)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(xié)同研究中壓電纜交流耐壓試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)工頻交流耐壓和0.1Hz耐壓試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)。

1996年       美國電力研究所（EPRI）發(fā)布《中壓電力電纜0.1Hz現(xiàn)場試驗(yàn)試行導(dǎo)則》（EPRI RP 3392-01/CEA 200-D-780A）（試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)）

1997年       大電網(wǎng)會議（CIGRE）第21、09工作組發(fā)表《高壓擠包絕緣峻工驗(yàn)收試驗(yàn)導(dǎo)則》（30～300Hz及試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)）。

1.   廣東制定中壓橡塑電纜交流試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)暫行規(guī)定。

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

2002年2月    江蘇頒發(fā)《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》。

2002年2月    華北地區(qū)頒發(fā)《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》。

2003年3月    山東頒發(fā)《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)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(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》。

2004年5月    南方電網(wǎng)公司頒發(fā)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》。

從以上歷史過程中可以看出，交流耐壓試驗(yàn)是客觀的需要。經(jīng)過國內(nèi)外20年左右的研究和實(shí)踐，從理論基礎(chǔ)研究到現(xiàn)場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累，技術(shù)上已趨于成熟。在我國的廣東、華北、江蘇、山東、安徽等地區(qū)和省份已有地方試驗(yàn)規(guī)程并正式推廣應(yīng)用。修訂發(fā)布全國電力行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)也只是時(shí)間問題。為適應(yīng)我國電力建設(shè)的快速發(fā)展，尤其是城、農(nóng)網(wǎng)改造帶來交聯(lián)電纜的大量增加，

全國其它各省、自治區(qū)均在進(jìn)行或準(zhǔn)備進(jìn)行相關(guān)規(guī)程的修訂工作。從技術(shù)方面來看，討論多的是試驗(yàn)頻率，試驗(yàn)電壓及加壓時(shí)間等參數(shù)。

2．選擇試驗(yàn)電壓的頻率

2.1 現(xiàn)行的不同試驗(yàn)頻率

由于電纜的電容量較大，采用傳統(tǒng)的工頻試驗(yàn)變壓器很笨重、龐大，且大電流的工作電源在現(xiàn)場不易取得。因此一般都采用變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)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(yùn)輸。初期多采用調(diào)感式串聯(lián)諧振設(shè)備（50Hz），但存在自動化程度差、噪音大等缺點(diǎn)。因此現(xiàn)在大都采用調(diào)頻式（30～300Hz）變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備，可以得到更高的品質(zhì)因數(shù)（Q值），并具有自動調(diào)諧、多重保護(hù)、以及低噪音、靈活的組合方式（單件重量大為下降）等優(yōu)點(diǎn)。

綜合國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料，選擇合適的試驗(yàn)頻率范圍是個(gè)比較重要的問題。在這方面，有一些不同的觀點(diǎn)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(yàn)電壓頻率范圍的不同提法

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

2.2 正常絕緣擊穿與探測絕緣缺陷的關(guān)系

國內(nèi)外有關(guān)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(dāng)高，即使它們的平均擊穿電壓水平也顯著高于交接和預(yù)試試驗(yàn)電壓。因?yàn)榻唤雍皖A(yù)試電壓是用來發(fā)現(xiàn)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(shí)用意義。

1、新電纜    2、針—板電極      3、電纜有機(jī)械“故障”    4、電纜有水樹枝

圖2 交聯(lián)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(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的能力。當(dāng)然，這時(shí)的擊穿電壓已經(jīng)接近交接試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)。大電網(wǎng)會議（CIGRE）第21、09工作組就是按照上述原則進(jìn)行測試、研究的。他們進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究工作，來選定頻率范圍。后發(fā)現(xiàn)對電纜中的典型缺陷其擊穿電壓在很寬的頻率范圍內(nèi)沒有明顯差別。說明在很寬的頻率范圍內(nèi)，絕緣內(nèi)部各介質(zhì)的電壓分布基本相同。因此不同試驗(yàn)頻率發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的能力也是基本相同的。

交接和預(yù)防性試驗(yàn)屬于工業(yè)性試驗(yàn)性質(zhì)。由于工業(yè)性試驗(yàn)條件不可能很嚴(yán)格，影響因素較多，在判斷試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，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(wǎng)會議第21、09工作組發(fā)布的《試驗(yàn)導(dǎo)則》，建議頻率范圍為30～300Hz。但實(shí)際上更低一些頻率也具有較好的等效性。IEC 60840和IEC 62067標(biāo)準(zhǔn)草案（2001年和2000年）就規(guī)定可采用20～300Hz。

國外有些廠家設(shè)計(jì)串聯(lián)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(dāng)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(gè)別資料為1～300Hz，這說明實(shí)際應(yīng)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(jìn)一步表明在此頻率范圍內(nèi)，絕緣內(nèi)部各介質(zhì)的電壓分布及介質(zhì)特性仍基本相同。

工作頻率超過300Hz是否適當(dāng)？有資料報(bào)導(dǎo)說，隨頻率增高，串諧電抗器及勵(lì)磁變壓器的損耗降低，但是要考慮被試品電容介質(zhì)的極化發(fā)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(yè)頻率主要指50Hz和60Hz兩種，故IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對高壓絕緣的工業(yè)試驗(yàn)頻率范圍為45～65Hz，在我國額定工頻為50Hz。GB/T16927.1-1997規(guī)定工頻試驗(yàn)頻率范圍為45～55Hz。

認(rèn)為工頻電力電纜的試驗(yàn)電壓也必須是工頻，這是趨于比較保守的觀點(diǎn)。針對此問題應(yīng)該著重說明交接和預(yù)防性試驗(yàn)的目的在于發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。而且其試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)的判定原則就是根據(jù)發(fā)現(xiàn)缺陷的能力來定的。在不同的頻率下只要絕緣內(nèi)部介質(zhì)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(dá)到試驗(yàn)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(jìn)行耐壓試驗(yàn)，其實(shí)際效果很好，數(shù)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(lián)聚乙烯）絕緣電纜樣品，在不同頻率下進(jìn)行擊穿試驗(yàn)。結(jié)果表明在頻率為35～75Hz時(shí)擊穿電壓均落在可置信度95%之內(nèi)。因此有觀點(diǎn)贊成試驗(yàn)電壓頻率好選在35～75Hz。也較為靠近運(yùn)行電壓頻率50Hz。值得注意的是，上述測試結(jié)果是對正常絕緣做的擊穿試驗(yàn)。而交接和預(yù)防性試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)電壓值是偏低的，它只能擊穿有缺陷的絕緣弱點(diǎn)（機(jī)械損傷、水樹枝、終端頭或接頭盒應(yīng)力錐施工或用料錯(cuò)誤，等等），*不足以擊穿電纜本體的正常絕緣。可見兩種試驗(yàn)的目的和工作機(jī)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(yīng)用到檢測絕緣缺陷方面。

（4）大電網(wǎng)會議CIGRE第21、09工作組由10個(gè)國家資深的電纜專家組成。在90年代中期為了選擇適當(dāng)?shù)慕涣髂蛪涸囼?yàn)的頻率范圍，做了大量、仔細(xì)的基礎(chǔ)研究工作。得出頻率在30～300Hz范圍內(nèi)，橡塑電纜內(nèi)部幾種典型絕緣缺陷的擊穿特性沒有明顯差別。這應(yīng)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(yōu)良的同軸絕緣結(jié)構(gòu)，單一的絕緣介質(zhì)，材質(zhì)相對純潔，電場分布合理、規(guī)則。因此，在不同頻率下結(jié)構(gòu)內(nèi)部電壓分布相同，形成寬頻率范圍試驗(yàn)的條件。

（5）此外，另一個(gè)研究報(bào)告（圖2），也提供了相似的結(jié)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(tǒng)計(jì)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(shí)也比較了0.1Hz，振蕩波電壓與50Hz的試驗(yàn)結(jié)果。

有幾個(gè)報(bào)導(dǎo)稱，振蕩波電壓法不夠有效，不宜采用。

0.1Hz超低頻率試驗(yàn)具有認(rèn)可的等效性，但目前0.1Hz試驗(yàn)設(shè)備的輸出電壓僅能滿足中壓電纜（3～35kV）的試驗(yàn)要求。國內(nèi)0.1Hz的試驗(yàn)設(shè)備還有待進(jìn)一步開發(fā)、完善。

3．選擇試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)

3.1 交流試驗(yàn)電壓國外標(biāo)準(zhǔn)（適用于橡塑電纜敷設(shè)后的交接試驗(yàn)）

（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(yàn)電壓2U₀～3U₀是適當(dāng)?shù)模艿贸隹煽康脑囼?yàn)結(jié)果。

• 德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：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(nèi)部分地區(qū)（省）試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)

3 國內(nèi)外0.1Hz試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)（適用于3～35kV中壓橡塑電纜交接試驗(yàn)）

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

（2）美《電力電纜現(xiàn)場0.1Hz高壓試驗(yàn)試行導(dǎo)則》，1996

注：Ⅰ 若試驗(yàn)時(shí)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(shí)用插入法正比例計(jì)算得到的。

（3）國內(nèi)部分地區(qū)（3～35kV電纜）（2002～2003年制定）

3.4 討論

（1）綜合國外和國內(nèi)采用的標(biāo)準(zhǔn)，在Un=60kV以下的中壓電纜（3～35kV）其交接試驗(yàn)電壓均為2U₀，預(yù)試電壓用0.8×2U₀＝1.6U₀。

深入分析，可見交接和預(yù)試電壓的具體值是偏低的。它適宜于發(fā)現(xiàn)（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(yàn)電壓2U₀＝17.4kV,預(yù)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?yàn)檎＝^緣的絕緣水平相當(dāng)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(tǒng)中性點(diǎn)接地方式有關(guān)）。同樣，預(yù)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(jīng)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)用了6年（1983～1989年），認(rèn)為是合適的。這也是一種旁證，說明我國一些地區(qū)制定的電壓標(biāo)準(zhǔn)，目前看來是比較合適的，可以試用一段時(shí)間，再總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

（4）中壓電纜選用上述2Uo試驗(yàn)電壓，是否能滿足我國中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)運(yùn)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(xié)作共同研討、制定試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)CIGRE第21.09工作組的導(dǎo)則（1997年）尚未發(fā)表，能參考的資料還不太多。針對系統(tǒng)發(fā)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(jì)算），暫態(tài)過電壓部分因時(shí)間短促暫不計(jì)入。考慮加上15%的余度，即試驗(yàn)電壓取1.15Um。現(xiàn)以10kV為例，Um＝Un×1.15＝11.5kV，一相接地時(shí)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(diǎn)來計(jì)算，為安全計(jì)，取Um電壓下的相電壓，即2×   ＝13.28kV，注意到兩個(gè)電壓值，基本相等，認(rèn)為適合采用。再看目前各地區(qū)對8.7/10kV電纜交接和預(yù)試電壓標(biāo)準(zhǔn)均取17.4kV和14kV，與廣東所取13kV接近。

（5）國外標(biāo)準(zhǔn)中選用電力系統(tǒng)工頻Un（或√3Uo）或相電壓Uo電源進(jìn)行試驗(yàn)（通常為24h）。著眼于較易于解決試驗(yàn)電源問題，對超長高壓電纜在沒有合適的試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)條件情況下，不失為一種解決辦法，但也存在現(xiàn)場試驗(yàn)可行性和電網(wǎng)安全性方面的問題。運(yùn)行部門對此尤為謹(jǐn)慎。

（6）0.1Hz試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)時(shí)間

德、美和我國幾個(gè)地區(qū)的0.1Hz試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)來說，都取3Uo左右，基本相同（見3.3節(jié)）。說明在電壓方面觀點(diǎn)一致。不同的是在試驗(yàn)時(shí)間上，德國DIN標(biāo)準(zhǔn)選30min；美國選15min（附加說明，如果時(shí)間延長為60min，則電壓降低為0.75倍）。我國部分地區(qū)和省份，交接選60min，預(yù)試選5min。據(jù)德國1991年總結(jié)試驗(yàn)時(shí)間和電纜故障次數(shù)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間延長為60min后，事故次數(shù)明顯降低。

（7）歸納上述各點(diǎn)來看，30～300Hz（或其相近頻率）變頻串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)選用2Uo；0.1Hz選用3Uo，作為交接試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)是合適的。它能發(fā)現(xiàn)一般較明顯的或較嚴(yán)重的絕緣缺陷。如果選用更高一些的試驗(yàn)電壓，它有可能多發(fā)現(xiàn)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(xù)使用的電纜提前擊穿的危險(xiǎn)性。

后的判斷，應(yīng)該在試行數(shù)年后總結(jié)電纜安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上再下結(jié)論。

1. 選擇試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間

4.1 討論

（1）第3節(jié)國外標(biāo)準(zhǔn)中，交流試驗(yàn)時(shí)間主要有3種：5min、30min、1h。為了取得試驗(yàn)實(shí)效，試驗(yàn)時(shí)間實(shí)際上與電壓高低密切相關(guān)。電壓高，時(shí)間可以短些；電壓低，時(shí)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(yàn)存有戒心。擔(dān)心交流電壓產(chǎn)生的局部放電損壞絕緣，降低電纜的使用壽命。產(chǎn)生局部放電的強(qiáng)弱或放電量與試驗(yàn)電壓高低和試驗(yàn)時(shí)間長短有關(guān)。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(shí)試驗(yàn)時(shí)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(xiàn)場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，美國、加拿大等國家，試驗(yàn)時(shí)間大多選用了5min；而德國的經(jīng)驗(yàn)，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(yàn)的初期階段，為了減少局部放電長時(shí)間的積累作用，對中壓和高壓電纜建議先采用較短的試驗(yàn)時(shí)間如5min。另一方面，考慮到我國的預(yù)試體制、試驗(yàn)條件和實(shí)際可操作性，似乎較短的試驗(yàn)時(shí)間更便于推廣實(shí)施。待執(zhí)行幾年，積累一定經(jīng)驗(yàn)后，再作修訂。

                                      上海妙定電氣技術(shù)部