摘 要：根據XLPE絕緣電纜用直流電壓進行現場試驗的經驗，要求開發新的方法。現在有一種移動式調頻串聯諧振裝置能夠用交流電壓進行試驗，這意味著適用於塑膠絕緣電纜敷設後的試驗將有重大突破。配有經由戶外和戶內開關裝置而接至電纜線路的連線線，以滿足不同使用者的要求。 關鍵字：交流電壓 高壓XLPE絕緣電纜 試驗 數千米長的電纜線路具有大電容，例如10 km長的110 kV交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜，按其截面積的不同，電容可達2～3 μF。如果在系統的頻率(50 Hz)下用交流電壓進行現場試驗，就需要很大的無功功率。如上所述的電纜，在160 kV(2.5 u0)下進行交流電壓試驗，則可能需要高達20 MVA的試驗功率。常規的交流電壓試驗裝置(執行頻率50 Hz)的缺點在於其單位試驗功率的重量較大，達100～200 N/kVA，試驗裝置的運輸很不經濟，而且需要在現場提供相當大的電源。 眾所周知，油浸紙絕緣電力電纜的現場試驗一般都採用直流電壓。試驗時可以同時測量洩漏電流，由洩漏電流的變化或者洩漏電流與試驗電壓的關係，可用以判斷絕緣狀況。數十年對油浸紙絕緣電力電纜採用直流耐壓試驗的實踐，已證明其作為現場定期預防性試驗專案能得出滿意的試驗結果，這也就是充油和壓氣電纜用直流電壓進行現場試驗的理由。這個試驗方法也同樣用於高壓XLPE絕緣電纜，它似乎是唯一可行的方法。 1 XLPE絕緣電纜線路用直流耐壓試驗的缺點 高壓XLPE電纜線路的執行試驗表明，現場採用直流耐壓試驗不能有效地檢出有缺陷的XLPE絕緣電纜及附件。各國執行經驗發現透過直流耐壓試驗的XLPE絕緣電纜及附件在投入執行後有擊穿故障發生。 為此，CIGRE WG21-09工作組(高壓擠包絕緣電纜試驗)於1984年向世界各國電纜製造商和電力公司調查，並組織進行模擬結構樣品試驗，進一步確認高壓XLPE絕緣電纜採用直流耐壓試驗是不恰當的，其存在以下明顯的缺點： a)直流電壓下絕緣電場分佈與交流電壓下電場分佈不同，前者按電阻率分佈，而後者按介電係數分佈，尤其在電纜終端和接頭等高壓電纜附件中，直流電場強度的分佈與交流電場強度分佈完全不同。這往往造成交流工作電壓下有缺陷部位在直流耐壓的現場試驗時不會擊穿而被檢出，或者在交流工作電壓下絕不會產生問題的部位，而在直流耐壓現場試驗時發生擊穿。 b)XLPE自身的固有場強高，要用很高的直流試驗電壓甚至嚴重損傷電纜才能檢出。例如，20 kV XLPE電纜絕緣的50%處有金屬尖端，結果卻在10 U0的直流電壓下才能使其擊穿。再者，在接頭內有金屬尖端或密封電纜頭周圍有嚴重的缺陷，即使用12 U0～16 U0直流電壓試驗也不可能檢出。 c)由於XLPE的高絕緣電阻和相應的空間電荷效應，尚不能排除在直流電壓下會造成XLPE電纜絕緣非故意的預先損傷。直流耐壓試驗時形成的空間電荷，可造成電纜在投入交流工作電壓執行時擊穿，或附件介面因積聚電荷而沿介面滑閃。 2 調頻串聯諧振裝置例項 傳統的直流電壓試驗存在著嚴重缺點，必須尋求新的較為有效的試驗方法。非常自然的、符合絕緣機理的傾向，是採用交流電壓試驗方法，關鍵是要開發新型的交流電壓試驗裝置。本文將詳細介紹由西門子柏林電力電纜廠等研製的8 MVA，160 kV調頻串聯諧振試驗裝置。 2.1 移動式 調頻串聯諧振裝置設計的首要目的是試驗安全、簡便和快速，整個試驗裝置均安裝在低底架的大卡車上。最重的元件是電抗器，重156.8 kN。車輛總重量約400 kN。 2.2 試驗電壓連線線 電源電壓經OHL門架的戶外終端和變壓器的輸出端或氣體絕緣開關(GIS)而饋電至使用者的電纜線路。通常連線到試驗裝置的電抗器，包括可接至戶外套管或試驗電纜的插入式澆注樹脂絕緣管。內部絕緣為SF6，以便能夠快速、安全和乾燥地裝配。 2.3 戶外套管 戶外套管的戶外部分有防水矽橡膠裙邊，並模鑄在耐壓的增強玻璃纖維塑膠支撐管上。戶外套管的內部，導體是用交聯聚乙烯絕緣並用矽橡膠電容式應力錐來控制場強。附加的內部絕緣為SF6。這種結構使安裝比較容易，此外，試驗也不會受天氣的影響。 戶外套管裝在電抗器上，用柔軟的銅導線接至被試電纜線路的戶外密封終端。如果該銅導線很長或沿著曲折的途徑，則應採用絕緣子來支撐。 2.4GIS饋電的試驗電纜 如果被試電纜和系統端接在GIS(氣體絕緣開關裝置)內，則電源饋電線可接至為試驗而特殊安裝的聯結器殼體，殼體尺寸符合IEC 859要求。 兩端都有密封終端的試驗電纜繞在電纜盤(安裝在車上)上，而且可拉開至70 m長。用電子器件控制電纜盤的傳動機構使敷設試驗電纜時達到靈活而且支撐牢固。用試驗電纜可接至現場GIS附近的任何地方。 試驗電纜的密封終端，與戶外套管一樣都是充以SF6氣體，確保裝配工作簡易和安全。2.5 初級電源的連線電纜 在大多數使用場合，試驗電源均從使用者的系統獲取。根據被試電纜的長度和電容，視在功率可能需要達200 kVA。但是，在很多的試驗場合下，可能僅僅需要電源視在功率小於50 kVA。為此，運輸車還有裝在電纜盤上的連線電纜，長度200 m。 在所接入的電源負荷較大的場合或者饋電位置遠離公用電源系統時，本移動式大容量調頻串聯諧振裝置還新增有可靈活移動的發電機。 2.6 絕緣氣體源的環境安全 運輸車上有SF6氣體充氣站，提供所需的SF6氣體以及充氣至密封終端的真空和壓力系統，並提供可排氣和再充氣5 MPa的壓力容器。 2.7 在運輸車上起吊工作 戶外終端或試驗電纜密封終端安裝至電抗器需要質量達100 kg的起重機。起重機也安裝在拖車上。這樣，在使用者的現場就可直接進行工作而不受其他任何輔助裝置的限制。 在開始安裝的時候，通常不可能與使用者的電網相連線。因此，起重機由直流電動機液壓驅動，直流電動機由拖車上的蓄電池供電。這樣，進行試驗的準備工作不會有任何延誤。 2.8 裝置控制和使用者操作室 運輸車是按成套移動式調頻串聯裝置而設計的，適用於戶外使用。因此，也裝有寬敞的測試間。其內包括電子器件控制裝置，計算機控制的聯機裝置以及容納操作和觀察人員的足夠空間。使用者能在各種氣候條件下從事試驗，而且便於試驗時做記錄或試驗全部結束後立即編寫試驗報告。 3 執行經驗 本試驗裝置自研製成功後，已用於110 kV XLPE絕緣電纜線路的現場試驗，並取得初步有效執行經驗。 自從1996年以來，已在高壓電纜線路進行交流電壓試驗。大約80%的試驗連線是經由戶外密封終端而進行的，約20%則是經由GIS開關裝置進行。在已試驗的電纜線路中，長度最長的約3.8 km，最高試驗電壓為160 kV，僅利用試驗裝置最大功率的50%。這意味著還可以試驗更長的電纜線路。 經由戶外密封終端可方便地把交流電壓饋電至被試電纜線路。接線方式如圖2所示。利用銅導線把電抗器的電壓輸出接至電纜密封終端。 4 結束語 用於長距離電纜線路的交流電壓試驗，需要相當大和重的試驗裝置。為此，以往的XLPE電纜都是採用直流電壓試驗。高壓XLPE電纜線路的執行經驗表明，採用直流電壓耐壓試驗不能有效地檢出XLPE電纜缺陷，特別是有缺損的XLPE電纜附件。這一點已取得國際共識，採用更有效的試驗方法勢在必行。 透過對工頻串聯諧振試驗裝置的研究和試製，已獲得一種適合於XLPE絕緣電纜和附件的試驗方法，即施加工頻或接近工頻的交流電壓，在電纜及附件上產生的電場分佈與實際執行工作電壓下的電場分佈相同，能夠比較有效地檢出XLPE電纜及附件缺陷，並逐步成為各國用作XLPE絕緣電纜線路的現場試驗方法。 本文所介紹的新型調頻串聯諧振試驗裝置，是把供電電源、產生試驗能量的主裝置、連線至電纜線路的專用連線線和控制單元等所有元件全部安裝在低底架的拖車上。這樣就能機動靈活便於運作。迄今，最頻繁使用的是把試驗電壓接至戶外密封終端，也進行過把交流電壓經由試驗電纜而饋電至符合IEC 859的GIS開關裝置。執行經驗表明，該裝置的電氣系統和連線技術兩者的研製都是令人滿意的，而且可對高壓XLPE絕緣電纜線路進行既可靠又經濟的交流電壓試驗。 綜上所述，開發並應用適合現場試驗的交流高壓試驗裝置具有現實意義。我們要藉助國外的經驗，加強試驗裝置研製開發，加強試驗技術的研究，希望高壓XLPE絕緣電纜線路的現場試驗會有突破性成就。
摘 要：根據XLPE絕緣電纜用直流電壓進行現場試驗的經驗，要求開發新的方法。現在有一種移動式調頻串聯諧振裝置能夠用交流電壓進行試驗，這意味著適用於塑膠絕緣電纜敷設後的試驗將有重大突破。配有經由戶外和戶內開關裝置而接至電纜線路的連線線，以滿足不同使用者的要求。 關鍵字：交流電壓 高壓XLPE絕緣電纜 試驗 數千米長的電纜線路具有大電容，例如10 km長的110 kV交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜，按其截面積的不同，電容可達2～3 μF。如果在系統的頻率(50 Hz)下用交流電壓進行現場試驗，就需要很大的無功功率。如上所述的電纜，在160 kV(2.5 u0)下進行交流電壓試驗，則可能需要高達20 MVA的試驗功率。常規的交流電壓試驗裝置(執行頻率50 Hz)的缺點在於其單位試驗功率的重量較大，達100～200 N/kVA，試驗裝置的運輸很不經濟，而且需要在現場提供相當大的電源。 眾所周知，油浸紙絕緣電力電纜的現場試驗一般都採用直流電壓。試驗時可以同時測量洩漏電流，由洩漏電流的變化或者洩漏電流與試驗電壓的關係，可用以判斷絕緣狀況。數十年對油浸紙絕緣電力電纜採用直流耐壓試驗的實踐，已證明其作為現場定期預防性試驗專案能得出滿意的試驗結果，這也就是充油和壓氣電纜用直流電壓進行現場試驗的理由。這個試驗方法也同樣用於高壓XLPE絕緣電纜，它似乎是唯一可行的方法。 1 XLPE絕緣電纜線路用直流耐壓試驗的缺點 高壓XLPE電纜線路的執行試驗表明，現場採用直流耐壓試驗不能有效地檢出有缺陷的XLPE絕緣電纜及附件。各國執行經驗發現透過直流耐壓試驗的XLPE絕緣電纜及附件在投入執行後有擊穿故障發生。 為此，CIGRE WG21-09工作組(高壓擠包絕緣電纜試驗)於1984年向世界各國電纜製造商和電力公司調查，並組織進行模擬結構樣品試驗，進一步確認高壓XLPE絕緣電纜採用直流耐壓試驗是不恰當的，其存在以下明顯的缺點： a)直流電壓下絕緣電場分佈與交流電壓下電場分佈不同，前者按電阻率分佈，而後者按介電係數分佈，尤其在電纜終端和接頭等高壓電纜附件中，直流電場強度的分佈與交流電場強度分佈完全不同。這往往造成交流工作電壓下有缺陷部位在直流耐壓的現場試驗時不會擊穿而被檢出，或者在交流工作電壓下絕不會產生問題的部位，而在直流耐壓現場試驗時發生擊穿。 b)XLPE自身的固有場強高，要用很高的直流試驗電壓甚至嚴重損傷電纜才能檢出。例如，20 kV XLPE電纜絕緣的50%處有金屬尖端，結果卻在10 U0的直流電壓下才能使其擊穿。再者，在接頭內有金屬尖端或密封電纜頭周圍有嚴重的缺陷，即使用12 U0～16 U0直流電壓試驗也不可能檢出。 c)由於XLPE的高絕緣電阻和相應的空間電荷效應，尚不能排除在直流電壓下會造成XLPE電纜絕緣非故意的預先損傷。直流耐壓試驗時形成的空間電荷，可造成電纜在投入交流工作電壓執行時擊穿，或附件介面因積聚電荷而沿介面滑閃。 2 調頻串聯諧振裝置例項 傳統的直流電壓試驗存在著嚴重缺點，必須尋求新的較為有效的試驗方法。非常自然的、符合絕緣機理的傾向，是採用交流電壓試驗方法，關鍵是要開發新型的交流電壓試驗裝置。本文將詳細介紹由西門子柏林電力電纜廠等研製的8 MVA，160 kV調頻串聯諧振試驗裝置。 2.1 移動式 調頻串聯諧振裝置設計的首要目的是試驗安全、簡便和快速，整個試驗裝置均安裝在低底架的大卡車上。最重的元件是電抗器，重156.8 kN。車輛總重量約400 kN。 2.2 試驗電壓連線線 電源電壓經OHL門架的戶外終端和變壓器的輸出端或氣體絕緣開關(GIS)而饋電至使用者的電纜線路。通常連線到試驗裝置的電抗器，包括可接至戶外套管或試驗電纜的插入式澆注樹脂絕緣管。內部絕緣為SF6，以便能夠快速、安全和乾燥地裝配。 2.3 戶外套管 戶外套管的戶外部分有防水矽橡膠裙邊，並模鑄在耐壓的增強玻璃纖維塑膠支撐管上。戶外套管的內部，導體是用交聯聚乙烯絕緣並用矽橡膠電容式應力錐來控制場強。附加的內部絕緣為SF6。這種結構使安裝比較容易，此外，試驗也不會受天氣的影響。 戶外套管裝在電抗器上，用柔軟的銅導線接至被試電纜線路的戶外密封終端。如果該銅導線很長或沿著曲折的途徑，則應採用絕緣子來支撐。 2.4GIS饋電的試驗電纜 如果被試電纜和系統端接在GIS(氣體絕緣開關裝置)內，則電源饋電線可接至為試驗而特殊安裝的聯結器殼體，殼體尺寸符合IEC 859要求。 兩端都有密封終端的試驗電纜繞在電纜盤(安裝在車上)上，而且可拉開至70 m長。用電子器件控制電纜盤的傳動機構使敷設試驗電纜時達到靈活而且支撐牢固。用試驗電纜可接至現場GIS附近的任何地方。 試驗電纜的密封終端，與戶外套管一樣都是充以SF6氣體，確保裝配工作簡易和安全。2.5 初級電源的連線電纜 在大多數使用場合，試驗電源均從使用者的系統獲取。根據被試電纜的長度和電容，視在功率可能需要達200 kVA。但是，在很多的試驗場合下，可能僅僅需要電源視在功率小於50 kVA。為此，運輸車還有裝在電纜盤上的連線電纜，長度200 m。 在所接入的電源負荷較大的場合或者饋電位置遠離公用電源系統時，本移動式大容量調頻串聯諧振裝置還新增有可靈活移動的發電機。 2.6 絕緣氣體源的環境安全 運輸車上有SF6氣體充氣站，提供所需的SF6氣體以及充氣至密封終端的真空和壓力系統，並提供可排氣和再充氣5 MPa的壓力容器。 2.7 在運輸車上起吊工作 戶外終端或試驗電纜密封終端安裝至電抗器需要質量達100 kg的起重機。起重機也安裝在拖車上。這樣，在使用者的現場就可直接進行工作而不受其他任何輔助裝置的限制。 在開始安裝的時候，通常不可能與使用者的電網相連線。因此，起重機由直流電動機液壓驅動，直流電動機由拖車上的蓄電池供電。這樣，進行試驗的準備工作不會有任何延誤。 2.8 裝置控制和使用者操作室 運輸車是按成套移動式調頻串聯裝置而設計的，適用於戶外使用。因此，也裝有寬敞的測試間。其內包括電子器件控制裝置，計算機控制的聯機裝置以及容納操作和觀察人員的足夠空間。使用者能在各種氣候條件下從事試驗，而且便於試驗時做記錄或試驗全部結束後立即編寫試驗報告。 3 執行經驗 本試驗裝置自研製成功後，已用於110 kV XLPE絕緣電纜線路的現場試驗，並取得初步有效執行經驗。 自從1996年以來，已在高壓電纜線路進行交流電壓試驗。大約80%的試驗連線是經由戶外密封終端而進行的，約20%則是經由GIS開關裝置進行。在已試驗的電纜線路中，長度最長的約3.8 km，最高試驗電壓為160 kV，僅利用試驗裝置最大功率的50%。這意味著還可以試驗更長的電纜線路。 經由戶外密封終端可方便地把交流電壓饋電至被試電纜線路。接線方式如圖2所示。利用銅導線把電抗器的電壓輸出接至電纜密封終端。 4 結束語 用於長距離電纜線路的交流電壓試驗，需要相當大和重的試驗裝置。為此，以往的XLPE電纜都是採用直流電壓試驗。高壓XLPE電纜線路的執行經驗表明，採用直流電壓耐壓試驗不能有效地檢出XLPE電纜缺陷，特別是有缺損的XLPE電纜附件。這一點已取得國際共識，採用更有效的試驗方法勢在必行。 透過對工頻串聯諧振試驗裝置的研究和試製，已獲得一種適合於XLPE絕緣電纜和附件的試驗方法，即施加工頻或接近工頻的交流電壓，在電纜及附件上產生的電場分佈與實際執行工作電壓下的電場分佈相同，能夠比較有效地檢出XLPE電纜及附件缺陷，並逐步成為各國用作XLPE絕緣電纜線路的現場試驗方法。 本文所介紹的新型調頻串聯諧振試驗裝置，是把供電電源、產生試驗能量的主裝置、連線至電纜線路的專用連線線和控制單元等所有元件全部安裝在低底架的拖車上。這樣就能機動靈活便於運作。迄今，最頻繁使用的是把試驗電壓接至戶外密封終端，也進行過把交流電壓經由試驗電纜而饋電至符合IEC 859的GIS開關裝置。執行經驗表明，該裝置的電氣系統和連線技術兩者的研製都是令人滿意的，而且可對高壓XLPE絕緣電纜線路進行既可靠又經濟的交流電壓試驗。 綜上所述，開發並應用適合現場試驗的交流高壓試驗裝置具有現實意義。我們要藉助國外的經驗，加強試驗裝置研製開發，加強試驗技術的研究，希望高壓XLPE絕緣電纜線路的現場試驗會有突破性成就。