220kV交聯(lián)聚乙烯電纜現(xiàn)場交流耐壓試驗
發(fā)布時間：2022-03-02 06:08:02 來源：上海華千電氣有限公司
220kV交聯(lián)聚乙烯電纜現(xiàn)場交流耐壓試驗鐘聰，陳洪波（四川電力試驗研究院，四川成都 610072）
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城網(wǎng)供電電壓等級的提高，交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜（XLPE）以其合理的工藝和結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的電氣性能和安全可靠的運(yùn)行特點，在國內(nèi)外獲得越來越廣泛的使用。尤其在高壓輸電領(lǐng)域更取得了巨大的進(jìn)展。與充油電纜相比，交聯(lián)電纜敷設(shè)安裝方便，運(yùn)行維護(hù)簡單，不存在油的淌流問題。但是，近年來的運(yùn)行和研究表明，交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣在運(yùn)行中易產(chǎn)生樹枝化放電，造成絕緣老化破壞，嚴(yán)重地影響了交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的使用壽命。因此，充分認(rèn)識交聯(lián)電纜的絕緣特性，及時有效地發(fā)現(xiàn)和預(yù)防絕緣中存在的某些缺陷，對保障設(shè)備乃至系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。闡述了影響交聯(lián)電纜絕緣的主要因素以及電纜的交接試驗原理，認(rèn)為在現(xiàn)場對交聯(lián)電纜實施交流耐壓試驗是必要和可行的。
1 影響絕緣的主要因素
交聯(lián)電纜內(nèi)部存在的絕緣缺陷易產(chǎn)生樹枝化放電現(xiàn)象，其結(jié)果影響電纜的絕緣性能。樹枝化放電據(jù)其形態(tài)和生成機(jī)理不同主要分為電樹枝和水樹枝。
1．1 電樹枝
主要是由于絕緣內(nèi)部放電產(chǎn)生的細(xì)微開裂，形成細(xì)小的通道，其通道內(nèi)空，管壁上有放電產(chǎn)生的碳粒痕跡。分枝少而清晰，呈冬天的樹枝狀。電樹枝按產(chǎn)生的機(jī)理分為以下幾種類型：
1）由于機(jī)械應(yīng)力的破壞使交聯(lián)聚乙烯絕緣產(chǎn)生應(yīng)變造成氣隙和裂紋，引發(fā)電樹枝放電。機(jī)械應(yīng)力一方面是因為電力電纜生產(chǎn)、敷設(shè)運(yùn)行中不可避免地彎曲、拉伸等外力產(chǎn)生應(yīng)力，另一方面是由于電纜在運(yùn)行中電動力對絕緣產(chǎn)生的應(yīng)力。
2）氣隙放電造成電樹枝的發(fā)展。現(xiàn)代的生產(chǎn)工藝盡管可以消除交聯(lián)電纜生產(chǎn)線中某些宏觀的氣隙，但仍有1～10μm或少量的20～30μm的氣隙形成的微觀多孔結(jié)構(gòu)。多孔結(jié)構(gòu)中的放電形式主要以電暈放電為主。通道中的放電所產(chǎn)生的氣體壓力增加，導(dǎo)致了樹枝的擴(kuò)展和形狀的變化。
3）場致發(fā)射效應(yīng)導(dǎo)致樹枝性放電。在高電場作用下，電發(fā)射的電子由于隧道效應(yīng)注入絕緣介質(zhì)，電子在注入過程中獲得足夠的動能，使電子不斷地與介質(zhì)碰撞引起介質(zhì)破壞，導(dǎo)致樹枝放電。
4）缺陷。缺陷主要是導(dǎo)體屏蔽上的節(jié)疤和絕緣屏蔽中的毛刺以及絕緣內(nèi)的雜質(zhì)和空穴。這些缺陷使絕緣內(nèi)的電場集中，局部場強(qiáng)提高。引起場致發(fā)射，導(dǎo)致樹枝性放電。
1．2 水樹枝
主要是由于水分浸入交聯(lián)聚乙烯絕緣，在電場作用下形成樹枝狀物。水樹枝的特點是引發(fā)樹枝的空隙含有水分，且在較低的場強(qiáng)下發(fā)生。水樹枝的產(chǎn)生，將會使介質(zhì)損耗增加，絕緣電阻和擊穿電壓下降，電纜的壽命明顯縮短。目前國內(nèi)外對水樹枝的生長研究尚不完善。一般認(rèn)為，水樹枝的發(fā)展過程有以下幾種形式：
1）剩余應(yīng)變使水樹枝增長。當(dāng)電纜在外加電壓下，若絕緣中含有水分，導(dǎo)體附近的絕緣材料中剩余的應(yīng)變就會增加，而應(yīng)變較大的局部區(qū)域便會生成水樹枝。
2）電場下的化學(xué)作用發(fā)展了水樹枝。
3）電泳與擴(kuò)散力的作用使水樹枝生長。介質(zhì)電泳可以認(rèn)為是不帶電荷的，但是已經(jīng)化的粒子或分子在畸變的電場中運(yùn)動，若絕緣中含有帶水分的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會向?qū)щ娋€芯附近的高電場區(qū)聚集。這一區(qū)域的溫度相對偏高，水分因此而膨脹，形成較大的壓力，使間隙擴(kuò)大，引起水樹枝的擴(kuò)大和發(fā)展。
電樹枝往往在絕緣內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微開裂，形成細(xì)小的通道，并在放電通道的管壁上產(chǎn)生放電后的碳化顆粒。水樹枝的產(chǎn)生，將會使介質(zhì)損耗增加，絕緣電阻和擊穿電壓下降。因此，電纜中的電樹枝和水樹枝對電纜的電氣性能將會帶來嚴(yán)重的故障隱患。
2 電纜試驗
為了保證電纜安全可靠運(yùn)行，有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)對電纜的各種試驗做了明確的規(guī)定。主要試驗項目包括：測量絕緣電阻、直流耐壓和泄漏電流。其中測量絕緣電阻主要是檢驗電纜絕緣是否老化、受潮以及耐壓試驗中暴露的絕緣缺陷。直流耐壓和泄漏電流試驗是同步進(jìn)行的，其目的是發(fā)現(xiàn)絕緣中的缺陷。但是近年來國內(nèi)外的試驗和運(yùn)行經(jīng)驗證明：直流耐壓試驗不能有效地發(fā)現(xiàn)交聯(lián)電纜中的絕緣缺陷，甚至造成電纜的絕緣隱患。德國Sechiswag公司在1978～1980年41個回路的10kV電壓等級的XLPE電纜中，發(fā)生故障87次；瑞典的3kV～24．5kV電壓等級XLPE電纜投運(yùn)超出9000km，發(fā)生故障107次，國內(nèi)也曾多次發(fā)生電纜事故，相當(dāng)數(shù)量的電纜故障是由于經(jīng)常性的直流耐壓試驗產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)引起。因此，國內(nèi)外有關(guān)部門廣泛推薦采用交流耐壓取代傳統(tǒng)的直流耐壓。
IEC62067／CD要求對于220kV電壓等級以上的交聯(lián)電纜不允許直流耐壓。
研究表明，直流耐壓試驗時對絕緣的影響主要表現(xiàn)在：
1）電纜的局部絕緣氣隙部位由于游離產(chǎn)生的電荷在此形成電荷積累，降低局部電場強(qiáng)度，使這些缺陷難以發(fā)現(xiàn)。
2）試驗電壓往往偏高，絕緣承受的電場強(qiáng)度較高，這種高電壓對絕緣是一種損傷，使原本良好的絕緣產(chǎn)生缺陷，而且，定期性的預(yù)防性試驗使電纜多次受到高壓作用，對絕緣的影響形成積累效應(yīng)。
3）試驗時，其電場分布是按體積電阻分布的，與緣狀況。
4）交聯(lián)電纜絕緣層易產(chǎn)生電樹枝和水樹枝，在直流電壓下易造成電樹枝放電，加速絕緣老化。
交流耐壓試驗由于試驗狀況接近電纜的運(yùn)行工況，耐壓電壓值較低，而且，耐壓時間適當(dāng)加長，更能反映電纜絕緣的狀況以及發(fā)現(xiàn)絕緣中的缺陷。因此，國內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)大力推薦XLPE電纜的交流耐壓試驗，取代現(xiàn)行的直流耐壓試驗。
3 交流耐壓試驗
3．1 試驗標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)IEC和CIGRE推薦的XLPE交流耐壓試驗標(biāo)準(zhǔn)，國外現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)包括：
標(biāo)準(zhǔn)一：試驗電壓為1．7倍U0（額定相電壓），耐壓時間5min。
標(biāo)準(zhǔn)二：試驗電壓為U0，耐壓時間24h。
標(biāo)準(zhǔn)三：試驗電壓為kU0，耐壓時間1h，其中k為系數(shù)，如表1。3．2 試驗設(shè)備
按IEC和CIGRE推薦的交聯(lián)電纜交流耐壓試驗標(biāo)準(zhǔn)，宜于交流耐壓試驗的設(shè)備有：
1）帶補(bǔ)償電抗器的試驗變壓器（ACTC型）：這種試驗變壓器重量和體積大，一般適用于試驗室的耐壓試驗，現(xiàn)場試驗幾乎無法使用。
2）可調(diào)電感式諧振系統(tǒng)（ACRL型）：該系統(tǒng)試驗電壓頻率為50Hz，與被試電纜的運(yùn)行工況一致，但因電壓調(diào)整過程操作繁重，現(xiàn)場一般不宜采用。
3）調(diào)頻式諧振系統(tǒng)（ACRF型）：電感為固定形式，試驗變壓器及試驗電壓由調(diào)諧電源提供，頻率范圍為30～300Hz。ACRF型設(shè)備因體積小，重量輕，諧振頻率易于調(diào)節(jié)，因而宜在現(xiàn)場試驗中使用。
3．3 調(diào)頻式串聯(lián)諧振耐壓試驗裝置的原理
圖1為調(diào)頻式串聯(lián)諧振試驗回路的原理圖，試品上電壓Uc和電源電壓Ue的關(guān)系如下式（1）：
當(dāng)調(diào)節(jié)電源頻率達(dá)到諧振狀態(tài)，即X1＝Xc時，
式中 Q－諧振回路的品質(zhì)因數(shù)3．4 調(diào)頻式串聯(lián)諧振耐壓試驗裝置的參數(shù)特性
四川電力試驗研究院的調(diào)頻式串聯(lián)諧振耐壓試驗裝置輸出電壓可達(dá)820kV，輸出電流4A，由瑞士BERNASCONIAG公司生產(chǎn)，各組件連接如圖2所示。 輸入變壓器ITR：3×380V（－5％，＋10％），60A；變頻柜FC：3×380V，每相40－80A，輸出頻率40－400Hz；輸出變壓器ETR：變比1：24或1：48；電抗器：4臺，每臺50H，4A，交流耐壓水平205kV；分壓器：5節(jié)高壓電容器串聯(lián)的情況下，分壓比為6720。
3．5 試驗舉例
交聯(lián)電纜的交流耐壓試驗在四川省尚未開展，目前國內(nèi)也未制定相應(yīng)的試驗標(biāo)準(zhǔn)。為配合有關(guān)國標(biāo)的制定，吸取國外的技術(shù)，積累試驗經(jīng)驗，四川電力試驗研究院首次在映秀灣發(fā)電廠漁站實施了220kV電壓等級的交聯(lián)聚乙烯電纜的現(xiàn)場交流耐壓試驗。試驗一次成功，贏得了電纜生產(chǎn)廠家和映秀灣發(fā)電廠漁站工程指揮部的好評。
試驗采用調(diào)頻式諧振試驗裝置，電纜試品為瑞士BRUGG公司生產(chǎn)的245kV電壓等級交聯(lián)聚乙烯電纜，長約240m，其等效電容量約為29080pF，選擇試驗用電抗器為100H。經(jīng)計算，諧振回路的諧振頻率[1][2]下一頁