变频串联谐振试验装置

在橡塑电力电缆交流耐压试验参数的讨论

1. 电力电缆交流耐压试验技术发展的历史过程

橡塑绝缘电力电缆过去在交接和预防性试验中，与油浸纸绝缘电缆一样都采用直流耐压试验。在1980年以前几年，国外电力部门发现了直流耐压试验对橡塑绝缘是无效的且具有危害性。大电网会议通过深入广泛的研究对XLPE电缆改用交流耐压试验达成共识，并颁发了《试验导则》，在*范围内广泛推广应用。我国在九十年代中期已开始并关注此问题，尤其是2001年至今，各省已陆续提出相应的试验要求。综观其发展历史过程简述如下：

1980年前几年  国外发现橡塑电缆做直流耐压试验存在问题。

1983～1989年  加拿大、德国、瑞典等国部分电力公司试验改做交流耐压试验。

1988年起      德国部分电力公司试用0.1Hz超低频交流耐压试验。

1989～1990年  美国陆续发表关于直流耐压试验存在的问题和原因分析方面的文章。

1994年        广东省和华东中试所协同研究中压电缆交流耐压试验电压标准问题。

1995年        德国制定VDE DIN 0276 Part 1001 （May 1995）中压橡塑电缆交接试验工频交流耐压和0.1Hz耐压试验电压标准。

1996年       美国电力研究所（EPRI）发布《中压电力电缆0.1Hz现场试验试行导则》（EPRI RP 3392-01/CEA 200-D-780A）（试验电压标准）

1997年       大电网会议（CIGRE）第21、09工作组发表《高压挤包绝缘峻工验收试验导则》（30～300Hz及试验电压标准）。

1.   广东制定中压橡塑电缆交流试验电压标准暂行规定。

2000年左右    北京、广东及其他地区对110、220kV XLPE电缆作交流耐压试验。

2002年2月    江苏颁发《电力设备交接和预防性试验规程》。

2002年2月    华北地区颁发《电力设备交接和预防性试验规程》。

2003年3月    山东颁发《电力设备交接和预防性试验规程》。

2003年6月~12月  安徽、浙江、湖北、福建、吉林起草《橡塑电缆交接和预防性试验规程》。

2004年5月    南方电网公司颁发《电力设备预防性试验规程》。

从以上历史过程中可以看出，交流耐压试验是客观的需要。经过国内外20年左右的研究和实践，从理论基础研究到现场试验经验的积累，技术上已趋于成熟。在我国的广东、华北、江苏、山东、安徽等地区和省份已有地方试验规程并正式推广应用。修订发布全国电力行业统一标准也只是时间问题。为适应我国电力建设的快速发展，尤其是城、农网改造带来交联电缆的大量增加，

全国其它各省、自治区均在进行或准备进行相关规程的修订工作。从技术方面来看，讨论多的是试验频率，试验电压及加压时间等参数。

2．选择试验电压的频率

2.1 现行的不同试验频率

由于电缆的电容量较大，采用传统的工频试验变压器很笨重、庞大，且大电流的工作电源在现场不易取得。因此一般都采用变频串联谐振试验装置。其输入电源的容量能显著降低，重量减轻，便于使用和运输。初期多采用调感式串联谐振设备（50Hz），但存在自动化程度差、噪音大等缺点。因此现在大都采用调频式（30～300Hz）变频串联谐振试验设备，可以得到更高的品质因数（Q值），并具有自动调谐、多重保护、以及低噪音、灵活的组合方式（单件重量大为下降）等优点。

综合国内外有关技术资料，选择合适的试验频率范围是个比较重要的问题。在这方面，有一些不同的观点和提法。（见图1）图中不同的提法可分成4类：第1类为较宽频率范围30～300Hz、20～300Hz、1～300Hz；第2类为工频范围，45～65Hz、45～55Hz；第3类为接近工频，35～75Hz；第4类为超低频，0.1Hz。

图1  试验电压频率范围的不同提法

为了便于进一步讨论频率范围的选择问题，现摘录ISH’99伦敦会议有关论文中不同频率和波形下的击穿电压研究结果列于图2。

2.2 正常绝缘击穿与探测绝缘缺陷的关系

国内外有关绝缘击穿的研究表明：橡塑电缆正常绝缘的样品，其击穿电压都相当高，即使它们的平均击穿电压水平也显著高于交接和预试试验电压。因为交接和预试电压是用来发现绝缘缺陷的，不是用来鉴别正常绝缘的绝缘水平的。所以不能直接比较不同频率下正常绝缘样品的击穿电压，比较了也缺乏实用意义。

1、新电缆    2、针—板电极      3、电缆有机械“故障”    4、电缆有水树枝

图2 交联聚乙烯（XLPE）电缆样品在不同频率和电压波形下的击穿电压

在不同频率下，测量有绝缘缺陷且损坏程度相同的样品的击穿电压，目的在于比较不同频率对发现绝缘缺陷的能力。当然，这时的击穿电压已经接近交接试验电压标准。大电网会议（CIGRE）第21、09工作组就是按照上述原则进行测试、研究的。他们进行了大量的基础研究工作，来选定频率范围。后发现对电缆中的典型缺陷其击穿电压在很宽的频率范围内没有明显差别。说明在很宽的频率范围内，绝缘内部各介质的电压分布基本相同。因此不同试验频率发现绝缘缺陷的能力也是基本相同的。

交接和预防性试验属于工业性试验性质。由于工业性试验条件不可能很严格，影响因素较多，在判断试验结果时，允许有一定的偏差。

2.3 讨论

（1）第1类较宽频率范围

大电网会议第21、09工作组发布的《试验导则》，建议频率范围为30～300Hz。但实际上更低一些频率也具有较好的等效性。IEC 60840和IEC 62067标准草案（2001年和2000年）就规定可采用20～300Hz。

国外有些厂家设计串联谐振用电抗器，在特殊情况下也有采用低频率为25Hz或20Hz的。当然，频率愈低，被试电缆的长度（电容量）可增大。但是电抗器铁心因此放大，使重量增加。个别资料为1～300Hz，这说明实际应用中频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。进一步表明在此频率范围内，绝缘内部各介质的电压分布及介质特性仍基本相同。

工作频率超过300Hz是否适当？有资料报导说，随频率增高，串谐电抗器及励磁变压器的损耗降低，但是要考虑被试品电容介质的极化发热问题，因此频率高于300Hz是不可取的。

（2）第2类为工频范围

上工业频率主要指50Hz和60Hz两种，故IEC标准规定对高压绝缘的工业试验频率范围为45～65Hz，在我国额定工频为50Hz。GB/T16927.1-1997规定工频试验频率范围为45～55Hz。

认为工频电力电缆的试验电压也必须是工频，这是趋于比较保守的观点。针对此问题应该着重说明交接和预防性试验的目的在于发现绝缘缺陷。而且其试验电压标准的判定原则就是根据发现缺陷的能力来定的。在不同的频率下只要绝缘内部介质电压分布相同，又有基本相同的检出绝缘故障的能力，就能达到试验的目的。因此即使选用比工频范围更宽的频率也是可以接受的。

油纸绝缘电缆一直采用频率等于零的直流电压进行耐压试验，其实际效果很好，数十年来未受到置疑。

（3）第3类为接近工频频率，35～75Hz

国外曾对正常XLPE（交联聚乙烯）绝缘电缆样品，在不同频率下进行击穿试验。结果表明在频率为35～75Hz时击穿电压均落在可置信度95%之内。因此有观点赞成试验电压频率好选在35～75Hz。也较为靠近运行电压频率50Hz。值得注意的是，上述测试结果是对正常绝缘做的击穿试验。而交接和预防性试验所采用的试验电压值是偏低的，它只能击穿有缺陷的绝缘弱点（机械损伤、水树枝、终端头或接头盒应力锥施工或用料错误，等等），*不足以击穿电缆本体的正常绝缘。可见两种试验的目的和工作机理均不相同。似乎没有必要将正常绝缘35～75Hz的击穿特性“延伸”应用到检测绝缘缺陷方面。

（4）大电网会议CIGRE第21、09工作组由10个国家资深的电缆专家组成。在90年代中期为了选择适当的交流耐压试验的频率范围，做了大量、仔细的基础研究工作。得出频率在30～300Hz范围内，橡塑电缆内部几种典型绝缘缺陷的击穿特性没有明显差别。这应该是可信的，也得到普遍采用。分析形成这种在不同频率下良好的击穿特性，主要原因是优良的同轴绝缘结构，单一的绝缘介质，材质相对纯洁，电场分布合理、规则。因此，在不同频率下结构内部电压分布相同，形成宽频率范围试验的条件。

（5）此外，另一个研究报告（图2），也提供了相似的结论。它比较了正常和有缺陷XLPE电缆样品在50Hz和250Hz两种频率下的击穿特性统计值。表明在这两种频率下，有缺陷的电缆的击穿特性没有明显的差别。同时也比较了0.1Hz，振荡波电压与50Hz的试验结果。

有几个报导称，振荡波电压法不够有效，不宜采用。

0.1Hz超低频率试验具有认可的等效性，但目前0.1Hz试验设备的输出电压仅能满足中压电缆（3～35kV）的试验要求。国内0.1Hz的试验设备还有待进一步开发、完善。

3．选择试验电压标准

3.1 交流试验电压国外标准（适用于橡塑电缆敷设后的交接试验）

（1）中压部分（3～35kV）

• CIGRE SC21科技委员会推荐论文21-05号，1990年：

交流试验电压2U₀～3U₀是适当的，能得出可靠的试验结果。

• 德国工业标准：VDE DIN 0276 Part 1001，1995

工频交流电压，2U₀，45～65Hz，30min

（2）高压部分（60～500kV）

3.2 国内部分地区（省）试验电压标准

3 国内外0.1Hz试验电压标准（适用于3～35kV中压橡塑电缆交接试验）

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

（2）美《电力电缆现场0.1Hz高压试验试行导则》，1996

注：Ⅰ 若试验时间改用60min，则用上述电压值的0.75倍；

Ⅱ 美国不采用10kV电压等级，【Un=10kV】一行是便于与我国比较，临时用插入法正比例计算得到的。

（3）国内部分地区（3～35kV电缆）（2002～2003年制定）

3.4 讨论

（1）综合国外和国内采用的标准，在Un=60kV以下的中压电缆（3～35kV）其交接试验电压均为2U₀，预试电压用0.8×2U₀＝1.6U₀。

深入分析，可见交接和预试电压的具体值是偏低的。它适宜于发现（击穿）有绝缘缺陷和存在问题的电缆绝缘。例如：10kV电缆的交接试验电压2U₀＝17.4kV,预试仅为14kV，比高工作线电压Um＝11.5kV高出不多。这样的电压是不能用来检测正常绝缘的绝缘水平的。因为正常绝缘的绝缘水平相当高，新电缆的出厂交流耐压也是很高的。

（2）110kV及以上电压等级则逐步降低为1.7Uo、1.4Uo，等等。说明绝缘余度降低。另外这与电力系统中性点接地方式有关）。同样，预试值也取0.8倍的交接值。

（3）从早期国外部分电力公司较早试用交流耐压的经验来看，例如加拿大安大略水电局对额定电压13.8kV和8kV的橡塑电缆，5min的交流耐压值也是接近2Uo。此标准用了6年（1983～1989年），认为是合适的。这也是一种旁证，说明我国一些地区制定的电压标准，目前看来是比较合适的，可以试用一段时间，再总结经验。

（4）中压电缆选用上述2Uo试验电压，是否能满足我国中性点不接地系统运行中一相接地过电压的要求？1994年广东省在试用交流耐压方法的初期阶段，曾与华东所协作共同研讨、制定试验电压标准。当时CIGRE第21.09工作组的导则（1997年）尚未发表，能参考的资料还不太多。针对系统发生一相接地，其他两相对地电压升高为线电压（以大工作线电压Um计算），暂态过电压部分因时间短促暂不计入。考虑加上15%的余度，即试验电压取1.15Um。现以10kV为例，Um＝Un×1.15＝11.5kV，一相接地时其他两相电压升为Um即11.5kV，加余度15%，即1.15×Um＝1.15×11.5kV＝13.22kV。另外，从2Uo的耐压水平观点来计算，为安全计，取Um电压下的相电压，即2×   ＝13.28kV，注意到两个电压值，基本相等，认为适合采用。再看目前各地区对8.7/10kV电缆交接和预试电压标准均取17.4kV和14kV，与广东所取13kV接近。

（5）国外标准中选用电力系统工频Un（或√3Uo）或相电压Uo电源进行试验（通常为24h）。着眼于较易于解决试验电源问题，对超长高压电缆在没有合适的试验设备及试验条件情况下，不失为一种解决办法，但也存在现场试验可行性和电网安全性方面的问题。运行部门对此尤为谨慎。

（6）0.1Hz试验电压和试验时间

德、美和我国几个地区的0.1Hz试验电压标准来说，都取3Uo左右，基本相同（见3.3节）。说明在电压方面观点一致。不同的是在试验时间上，德国DIN标准选30min；美国选15min（附加说明，如果时间延长为60min，则电压降低为0.75倍）。我国部分地区和省份，交接选60min，预试选5min。据德国1991年总结试验时间和电缆故障次数的运行经验，试验时间延长为60min后，事故次数明显降低。

（7）归纳上述各点来看，30～300Hz（或其相近频率）变频串联谐振交流耐压试验选用2Uo；0.1Hz选用3Uo，作为交接试验电压标准是合适的。它能发现一般较明显的或较严重的绝缘缺陷。如果选用更高一些的试验电压，它有可能多发现一些较轻微的绝缘缺陷，但也增加了一些有轻微缺陷，但尚能继续使用的电缆提前击穿的危险性。

后的判断，应该在试行数年后总结电缆安全运行经验的基础上再下结论。

1. 选择试验持续时间

4.1 讨论

（1）第3节国外标准中，交流试验时间主要有3种：5min、30min、1h。为了取得试验实效，试验时间实际上与电压高低密切相关。电压高，时间可以短些；电压低，时间需要长些。

（2）过去有人对采用交流电压对电缆作耐压试验存有戒心。担心交流电压产生的局部放电损坏绝缘，降低电缆的使用寿命。产生局部放电的强弱或放电量与试验电压高低和试验时间长短有关。因此有不少单位在施行交流耐压初期阶段，不希望选用较高的电压，以减少局部放电；同时试验时间不要太长，以免局部放电的积累作用，有损绝缘。

（3）国外在中压电缆的30～300Hz（或相近频率）现场试验经验，美国、加拿大等国家，试验时间大多选用了5min；而德国的经验，倾向于用30min。对110kV、220kV高压电缆，有用5min的，也有用60min的。

（4）我国处于对XLPE电缆前采用交流耐压试验的初期阶段，为了减少局部放电长时间的积累作用，对中压和高压电缆建议先采用较短的试验时间如5min。另一方面，考虑到我国的预试体制、试验条件和实际可操作性，似乎较短的试验时间更便于推广实施。待执行几年，积累一定经验后，再作修订。

                                      上海妙定电气技术部