于 海,劉 威,李 清
(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院,烏魯木齊 830011;2.國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,烏魯木齊830000)
隨著社會的不斷發(fā)展,城市用電量不斷增大,電力電纜作為電網(wǎng)中重要的一次設(shè)備,對保證電力負(fù)荷穩(wěn)定安全運行有著重要的作用。按照絕緣材料分,電力電纜可以分為油浸紙絕緣電力電纜、塑料絕緣電纜、橡膠(皮)絕緣電力電纜等[1]。其中,塑料絕緣電纜中的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜因其電氣性能優(yōu)良、機(jī)械強(qiáng)度高、操作溫度高、耐腐蝕等優(yōu)點,已經(jīng)廣泛被應(yīng)用到城市電纜當(dāng)中[2]。
雖然電力電纜在出廠時要經(jīng)過嚴(yán)格的試驗,但是在運輸和安裝過程中可能由于磕碰、受潮等因素造成各種缺陷。因此,電力電纜在投運前必須要進(jìn)行耐壓試驗,以及時發(fā)現(xiàn)電纜絕緣缺陷、保證供電的安全穩(wěn)定[3]。
傳統(tǒng)直流耐壓試驗因為其輕便、容量低、可移動性好等優(yōu)點,曾被廣泛地用于油浸紙絕緣電纜耐壓試驗。但是XLPE絕緣電纜與油浸紙絕緣電纜不同,屬于整體絕緣,絕緣機(jī)理在直流場和交流場表現(xiàn)完全不同。直流耐壓試驗應(yīng)用于XLPE絕緣電纜中時,一方面,不能模擬其運行方式,且會在其內(nèi)部殘存電荷,當(dāng)電纜正常運行于峰值電壓時,可能造成擊穿;另一方面,由于絕緣電纜容易產(chǎn)生水樹枝,在直流電壓的作用下,會加速絕緣老化,出現(xiàn)直流耐壓正常、投入運行發(fā)生擊穿現(xiàn)象[4]。超低頻交流耐壓試驗(0.1 Hz耐壓試驗)由于設(shè)備輕便而便于現(xiàn)場試驗,但是其設(shè)備容量較低,而且不能完全反映電纜工頻狀態(tài)下的運行情況,所以不能滿足高電壓等級的電纜耐壓試驗。但有研究表明,該試驗可在低電壓下對XLPE絕緣電纜的絕緣受潮和水樹枝缺陷進(jìn)行有效監(jiān)測[5]。工頻諧振交流耐壓試驗最能反映電纜實際運行情況,但是高電壓、長距離電纜在進(jìn)行耐壓試驗時,電纜等效電容會隨著電纜長度以及截面積變化而變化,要制作大容量連續(xù)可調(diào)電感非常困難,所以工頻諧振交流耐壓試驗一般用于實驗室研究,不適合現(xiàn)場試驗[6]。
本文著眼于XLPE絕緣電纜現(xiàn)場交流耐壓試驗。首先,介紹了目前常見的幾種可用于XLPE絕緣電纜現(xiàn)場交流耐壓試驗的方法;然后,分析了其試驗原理以及各自的優(yōu)缺點,提出變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗是用于高電壓、長距離電纜交流耐壓試驗的最優(yōu)方案;最后,通過1次長距離電纜交流耐壓試驗驗證該方案的可行性,并提出高電壓、長距離電纜交流耐壓試驗應(yīng)注意的問題。
由于工頻串聯(lián)諧振交流耐壓試驗通過調(diào)節(jié)串聯(lián)回路電抗器容量來達(dá)到諧振的目的,對電抗器等設(shè)備要求高;而變頻交流耐壓試驗是通過調(diào)節(jié)電源輸出頻率以實現(xiàn)諧振,降低了對電抗器的要求。由GB150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》可知,橡塑電纜優(yōu)先采用20~300 Hz交流耐壓試驗,對于頻率滿足該范圍的交流耐壓試驗都可達(dá)到試驗?zāi)康?,所以變頻交流耐壓試驗是現(xiàn)場電纜耐壓試驗最常用的方法。按照其電抗器連入電路的位置不同,又可分為變頻串聯(lián)諧振電纜耐壓試驗、變頻并聯(lián)諧振電纜耐壓試驗以及并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振電纜耐壓試驗[7-9]。
變頻串聯(lián)諧振耐壓工作原理圖如圖1所示。交流電源連接變頻器,通過勵磁變壓器升壓達(dá)到滿足要求的電壓值。其中:R為線路等效電阻,L為串聯(lián)電抗器,Cx為被試品,C1、C2為分壓器。變壓器輸出電壓為Us,試品電壓為Uo,回路電流為I。
該方法首先估算被試品的電容值Cx,然后根據(jù)試品耐壓等級,選擇合適量程的電抗器L,通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率,使電路發(fā)生諧振。
圖1 變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗原理圖
式中:Po為試品所需要的功率。由于分壓器電容值很小,可以忽略不計,所以電源輸出功率約為試品需求功率的Q倍。
由此可知,串聯(lián)諧振具有補(bǔ)償電壓的作用。當(dāng)電路發(fā)生諧振時,試品兩端會產(chǎn)生高于勵磁變壓器兩端Q倍的電壓,電源輸出功率同樣高出試品功率Q倍。但是,隨著電容量C的增加,線路電流不斷增加(試驗電壓Uo不變)。所以該方法適用于回路電流較小、試品電壓較高且試品電容量較小的場合。
圖2為變頻并諧振聯(lián)交流耐壓試驗原理圖。其中:T為勵磁變壓器,R為線路等效電阻,L為并聯(lián)電抗器,Cx為被試品,C1、C2為分壓器。I為主回路電流,IL為流過電抗器電流,IC為流過電容C的電流,Us為勵磁變壓器兩端電壓,Uo為試品兩端電壓。
由于線路電流幾乎為0,所以Us=Uo。此時主回路電流幾乎為0,電容器與電抗器之間實現(xiàn)能量的交換。該種試驗電路可用于試品電容量大、電壓不高的場合,并且該方案降低了對變壓器功率的要求。
圖2 變頻并聯(lián)諧振耐壓試驗原理圖
圖3為變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗原理圖。圖中,T為勵磁變壓器,R為線路等效電阻,L1為串聯(lián)電抗器,L2為并聯(lián)電抗器,Cx為試品,C1、C2為分壓器,Us為勵磁變壓器輸出電壓,Uo為試品兩端電壓,I為主回路電流,IL為流過L2的電流,IC為流過電容C的電流,其中電容C包括試品電容以及分壓器電容。
圖3 變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗原理圖
變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗利用了串聯(lián)諧振對電壓補(bǔ)償作用以及并聯(lián)諧振電流分流作用,以減少電源輸出功率。上述原理圖可等效為圖4。
所以試品電壓為
主回路電流為
振蕩波電壓法是近些年研究較多的一種用于XLPE絕緣電纜的現(xiàn)場檢測技術(shù)。振蕩波電壓系統(tǒng)由于其體積小、重量輕、易操作、易實現(xiàn)等優(yōu)點更易于應(yīng)用于現(xiàn)場。同時有研究表明,振蕩波電壓與交流電壓具有良好的等效性,被認(rèn)為是具有前景的電纜檢測手段。
振蕩波電壓法的基本原理是LC振蕩,按照產(chǎn)生振蕩波電壓方式的不同,可以分成兩種:一種是直接對電纜進(jìn)行充電,然后與回路中的電感發(fā)生振蕩,此種方法以下簡稱“直充法”;另一種是通過直流電源對大電容充電,然后通過大電容對電纜以及串聯(lián)電感發(fā)電發(fā)生振蕩,此種方法以下簡稱“間接法”。
圖5 直充法原理圖
圖6 間接法原理圖
兩種方法都能發(fā)生振蕩,但是間接法需要充電電容較大,而且在發(fā)生振蕩的瞬間,試品電容兩端會產(chǎn)生一個過電壓,超過額定電壓,并且過電壓幅值難以預(yù)測,所以實際應(yīng)用主要以直充法為主。
振蕩波電壓法目前國內(nèi)并無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),而且直充法是否會在電纜中殘存電荷,從而造成電纜損壞并無報道,該方法多用于電纜局放檢測。
綜上所述,并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振能夠有效補(bǔ)償電源輸出電壓,而且能夠減少主回路電流。這樣不但能夠有效降低對于試驗變壓器、電抗器容量的需求,減少試驗設(shè)備質(zhì)量和體積,而且為高電壓、長距離XLPE絕緣電纜交流耐壓現(xiàn)場試驗提供可能。
對烏魯木齊一變電站110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜進(jìn)行交流耐壓驗收工作,電纜總長度約為7.23 km。
實驗設(shè)備主要由變頻諧振電源、勵磁變壓器、高壓電抗器以及高壓電容分壓器組成。其中,變頻諧振電源頻率范圍為30~300 Hz,輸出功率為260 kW;勵磁變壓器額定容量為260 kVA,輸出電壓為5 kV、20 kV、60 kV比400 V三檔;高壓電抗器額定電壓為160 kV,額定電流為7 A,電感值為97 H,共6個;分壓器為250 kV。
根據(jù)電纜參數(shù)可知,此110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜電容量約為0.12 μF/km,所以7.23 km電纜總電容量Cx為0.86 μF。若采用串聯(lián)諧振,根據(jù)串聯(lián)諧振計算式
可知,當(dāng)Uo與C已知時,ω越小,電流越小。由于電源諧振頻率范圍為30~300 Hz,所以當(dāng)fmin=ω/2π=30 Hz時,電路電流最小,由此算出線路最小電流為17.82 A,遠(yuǎn)超于電抗器額定電流。所以串聯(lián)諧振電路難以滿足實際電抗器額定電流量需求。若采用并聯(lián)諧振,根據(jù)并聯(lián)諧振相關(guān)計算式Us=Uo可知,Uo=60 kV(變壓器輸出電壓),此時線路電壓不滿足試驗電壓需求。
所以本次實驗采用并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振方案,利用串聯(lián)諧振電路電壓補(bǔ)償作用以及并聯(lián)諧振分流作用,完成此次現(xiàn)場試驗,具體原理圖如圖7所示。
圖7 試驗原理圖
為了滿足主回路以及并聯(lián)諧振電路電抗器電流要求,實驗采用串一并五連接方式。其中La為串聯(lián)電抗器,Lb、Lc、Ld、Le、Lf為并聯(lián)電抗器,Cx為電纜電容,C1、C2為分壓器。根據(jù)并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振電路計算式
可以計算得出,該試驗諧振頻率為f=34.87 Hz,串聯(lián)回路電流為I=5.18 A,流過每一相并聯(lián)電抗器電流為IL=5.18 A,滿足電抗器以及變頻諧振電源的要求。
110 kV電纜變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)Table 1 Test data on site
試驗數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)基本相差不大,證明該方案確實可行。
對于高電壓、長距離電纜耐壓試驗,由于線路等效電容量大,依靠變頻串聯(lián)諧振試驗方案,則需要電流量極大的電抗器,這在現(xiàn)場試驗中很難實現(xiàn)。變頻并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓解決了串聯(lián)諧振需要大電流電抗器的問題,是高電壓、長距離電纜耐壓試驗的可選方案。
通過這次試驗,對于高電壓、長距離電纜耐壓試驗仍有一些值得注意的問題。
1)合理配置設(shè)備,選擇合適的試驗方案。由于試驗設(shè)備容量的限制,選擇常用的變頻串聯(lián)諧振方案不能滿足試驗要求,所以根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備,重新設(shè)計試驗方案,選擇并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振方案,有效解決了設(shè)備參數(shù)問題,使試驗得以進(jìn)行。
2)合理估算電路參數(shù)。電路參數(shù)對于試驗方案的確定至關(guān)重要。線路電容量的計算,電感量的計算,哪些參數(shù)可以忽略、哪些參數(shù)不能忽略,這對于品質(zhì)因數(shù)、頻率的計算起著決定作用。合理估算電路參數(shù)能夠使試驗方案更接近實際,保證試驗?zāi)軌蝽樌M(jìn)行。
3)電抗器散熱問題。這是此次試驗面臨的一個重要問題。由于試驗電抗器額定電流量為7 A,實際試驗時,流過電抗器的電流為5 A左右,使得電抗器發(fā)熱嚴(yán)重,需要足夠的冷卻時間,這影響了試驗進(jìn)度。
隨著XLPE絕緣電纜的普及,傳統(tǒng)直流耐壓試驗已經(jīng)不適合目前電纜耐壓試驗的要求,超低頻耐壓試驗不能完全反映電纜實際運行情況,現(xiàn)場試驗條件難以滿足工頻耐壓試驗要求。分析了現(xiàn)場電纜交流耐壓試驗常用的3種變頻諧振交流試驗方法,對比各自特點并總結(jié)其應(yīng)用領(lǐng)域。指出并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振交流耐壓試驗是用于高電壓、長距離電纜交流耐壓試驗的主要方法,并通過一次現(xiàn)場交流耐壓試驗驗證了該方法的可行性以及正確性。同時指出了該現(xiàn)場試驗一些值得注意的問題,為高電壓、長距離電纜試驗提供參考。