高压交联电缆现场交流耐压试验
[摘要]：本文分析了直流耐压试验对交联聚乙烯电缆存在的缺点和问题，通过比较，选择了变频谐振装置在山东电网开展高压交联电缆的现场交流耐压试验，并介绍了交流耐压实例。
[关键词]：XLPE电缆 直流耐压试验 交流耐压试验
1．前言
油纸绝缘用于中压、高压电缆已有50多年，由于这些电缆有很大的电容量，现场一直不做工频交流试验。而且油纸绝缘电缆的绝缘电阻远低于橡塑电缆，DC电压试验用来判断纸绝缘电缆的好坏已有几十年的经验，实践证明效果不错，可获得其缺陷危害性的可靠信息。因此，直流耐压试验作为油纸绝缘电缆的现场竣工验收试验和定期的预防性试验项目，对检出绝缘缺陷和保证电网的安全运行发挥了很好的作用。
随着电力技术的发展，交联聚乙烯（XLPE）电力电缆的使用越来越广泛。山东电网近年来随着城网改造工程的实施，高压交联电缆特别是110kV XLPE电缆在各地市电业局开始大量使用。按照IEC840或CIGRE WG21.03建议规程，现场试验的目的不是为了检验电缆的制造质量或电缆附件的制造质量的好坏，其制造质量已在型式试验和出厂试验中证实。现场竣工验收试验的目的是检查电缆的敷设及附件的安装是否正确。电缆在运输、搬运、存放、敷设和回填的过程中，有可能受到意外损害。检查的方法是按照IEC229，对于外护套厚度大于等于2.5mm的电缆，在电缆屏蔽与地之间施加10kV的直流，耐压1分钟。对于电缆主绝缘的耐压试验IEC推荐了两种方法：
直流耐压：3U0 15分钟；交流耐压： U0 5分钟 或1 U0 24小时。
传统的直流耐压具有试验设备重量轻，可移动性好，容量低等优点，对于油纸绝缘电缆应用效果很好，但对于XLPE交流电缆，无论从理论上还是实践上都证明了不宜采用直流耐压的方法。
2．XLPE电缆直流耐压试验存在的问题
高压试验技术的一个通用原则：试品上所施加的试验电压场强必须模拟高压电器的运行工况。高压试验得出的通过或不通过的结论要代表高压电器中的薄弱点是否对今后的运行带来危害。这就意味着试验中的故障机理应与电器运行中的机理有相同的物理过程。按照此原则，XLPE电缆进行直流耐压试验的问题主要表现在以下几个方面：
2．1 直流电压下，电缆绝缘的电场分布取决于材料的体积电阻率，而交流电压下的电场分布取决于各介质的介电常数，特别是在电缆终端头、接头盒等电缆附件中的直流电场强度的分布和交流电场强度的分布完全不同，而且直流电压下绝缘老化的机理和交流电压下的老化机理不相同。因此，直流耐压试验不能模拟XLPE电缆的运行工况。
2．2 XLPE电缆在直流电压下会产生“记忆”效应，存储积累单性残余电荷。一旦有了由于直流耐压试验引起的“记忆性”，需要很长时间才能将这种直流偏压释放。电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行，直流偏压便会叠加在工频电压峰值上，使得电缆上的电压值远远超过其额定电压，从而有可能导致电缆绝缘击穿。
2．3 直流耐压试验时，会有电子注入到聚合物介质内部，形成空间电荷，使该处的电场强度降低，从而难于发生击穿。XLPE电缆的半导体凸出处和污秽点等处容易产生空间电荷。但如果在试验时电缆终端头发生表面闪络或电缆附件击穿，会造成电缆芯线上产生波振荡，在已积聚空间电荷的地点，由于振荡电压性迅速改变为异性，使该处电场强度显著增大，可能损坏绝缘，造成多点击穿。
2．4 XLPE电缆致命的一个弱点是绝缘内易产生水树枝，一旦产生水树枝，在直流电压下会迅速转变为电树枝，并形成放电，加速了绝缘劣化，以致于运行后在工频电压作用下形成击穿。而单纯的水树枝在交流工作电压下还能保持相当的耐压值，并能保持一段时间。
2．5 实践也表明，直流耐压试验不能有效发现交流电压作用下的某些缺陷，如在电缆附件内，绝缘若有机械损伤或应力锥放错等缺陷。在交流电压下绝缘z易发生击穿的地点，在直流电压下往往不能击穿。直流电压下绝缘击穿处往往发生在交流工作条件下绝缘平时不发生击穿的地点。
3．交流耐压试验方法的选择
既然直流耐压试验不能模拟XLPE电缆的运行场强状态，不能达到我们所期望的检验效果，自然就应该转向用交流耐压试验来考核交联电缆的敷设和附件的安装质量。有以下几种交流试验的方法可供选择：
3．1超低频0.1Hz耐压试验
因被试XLPE电缆的电容量很大，工频试验时所需试验变压器的容量也要很大，导致试验设备笨重而不适用于现场使用。采用0.1Hz作为试验电源，理论上可以将试验变压器的容量降低到1/500，试验变压器的重量可大大降低，可以较容易地移动到现场进行试验。目前，此种方法主要应用于中低压电缆的试验，由于电压等级偏低，还不能用于110kV及以上的高压电缆试验。
3．2振荡电压试验
振荡电压试验是用直流电源给电缆充电，然后通过一个放电球隙给一组串联电阻和电抗放电，得到一个阻尼振荡电压。此种方法比直流耐压试验方法有效，但仍不如工频试验有效（1）。
3．3谐振耐压试验
可调电感型谐振试验系统可以满足耐压要求，但由于重量大，可移动性差，主要用于试验室。变频谐振试验系统不但能满足高压XLPE电缆的耐压要求，而且具有重量轻、可移动性好的优点，适宜现场试验。该装置采用固定电抗器作为谐振电抗器，以调频的方式实现谐振，频率的调节范围为30-300Hz，符合CIGRE WG21.09《高压挤包绝缘电缆竣工试验建议导则》中推荐使用工频及近似工频（30～300Hz）的交流电压。这种交流电压可以重现与运行工况下相同的场强，并已被证明是z有效的方法。
4．现场验收试验实例
具备了交流耐压试验手段后，我们开始对山东电网新上的110kV交联聚乙烯电缆进行了现场交流耐压验收试验。下面是某局6条110kV交联电缆的耐压试验实例：
型号：YJLW03
额定电压：64/110kV
规格：1×300mm2铜导体交联聚乙烯绝缘电力电缆，
制造厂家：山东电力电缆电器股份有限公司。
单位长度电容：0.139m F/km，单根电缆的长度：1.495km。
试验标准：在电缆芯线和金属铠装层之间施加 U0=110 kV交流电压，保持5分钟。
由于中间升压变压器高压侧的额定输出电压为15kV，无法满足110 kV试验电压的要求，需要用串联电抗器进行串联谐振。由于流过串联电抗器的试验电流超过了其额定电流，因此需要加入并联电抗器进行补偿，实际上组成串—并联谐振回路，试验接线原理图如图1所示。
图1 串—并联谐振试验接线图
图中：L1为一只串联电抗器，L2为4只电抗器并联，每只电抗器的电感200H，额定电流4A，额定电压267kV。
在谐振频率的选择上，我们通过改变投入并联补偿电抗器的数量，在满足试验设备的电压和电流的前提下，力求试验频率接近工频。下面是谐振频率的估算：
由于L1的电抗远大于中间升压变压器的电抗，或者说试验电压远远高于中间变压器高压侧的输出电压，因此在估算谐振频率时可以简化，相当于L1和L2与Cx并联，故有下式：
f=1/2p =55.2Hz
式中：L1=200H，L2=200/4=50H，Cx=0.139´ 1.495=0.207m F。
在试验中，实际谐振频率为55Hz，说明按照上述简化进行谐振频率的估算是比较准确的。
6根电缆分6次试验，耐压时间5分钟，均通过。
5．结束语
5．1直流耐压试验不能模拟高压交联电缆的运行工况，试验效果差，并且有一定的危害性，在现场竣工验收试验时，不宜再采用直流耐压的方法。
5．2交流耐压试验是现场检验交联电缆的敷设和附件安装质量z有效的手段。我们所用的变频谐振装置符合IEC和国标的有关要求，通过电抗器串并联的方式可以满足110kV和220kV高压交联电缆现场交流耐压的要求。
参考文献：（1）CIGRE WG21.09《高压挤包绝缘电缆竣工试验建议导则》。
