电力电缆的耐压试验方法探讨
乔 勇
江苏省涟水县供电公司（223400）
摘 要 本文列举了交联电缆直流耐压试验的缺点，论述了变频谐振系统进行高压电力电缆谐振耐压试验的基本原理，并通过采用变频谐振系统在工程实践中的应用实例论证了变频谐振方法在交联电缆现场交流耐压中的效果和可行性。 关键词 电缆 试验 变频 谐振
一、前言
电力电缆经常作为发电厂、变电所及工矿企业的动力引入（或引出）线，在城乡电网中大量使用，在国际和国内已有越来越多的交联聚乙烯绝缘的电力电缆替代原有的充油油纸绝缘的电力电缆。交联电缆在投运前的试验项目上由于被试设备容量较大的原因，有的地方仍在沿袭使用直流耐压的试验方法。近年来国际、国内的很多研究机构的研究成果表明直流试验对交联聚乙烯电缆有不同程度的损害。为保障交联电缆的安全运行，江苏省电力公司对电缆的交接和预防性试验做出了新的规定，即用交流耐压试验替代原来的直流耐压试验，以避免直流试验对电缆造成损伤，保证电缆安全可靠运行。
二、交联电缆直流耐压试验的缺点
高电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。高电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，交联电缆进行直流耐压试验的问题主要表现在以下几个方面：
1、直流电压下，电场强度是按照电阻率分布的，而交联聚乙烯电缆绝缘层中的材料含有很多成分，其电阻率分布是不均匀的，同时电阻率受温度等因素影响比较大，所以在直流电压下，交联聚乙烯电缆绝缘层中的电场分布是不均匀的，这就可能在直流试验过程中出现绝缘层有的地方电场很强，有的地方电场却比较弱的情况，导致局部绝缘击穿，在运行中引起事故。
2、电缆在直流电压下会产生“记忆”效应，存储积累单极性残余电荷。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电压释放。电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行，直流电压便会叠加
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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。
3、交联聚乙烯电缆的直流耐压试验，由于空间电荷的效应，绝缘中的实际电场强度最高可达电缆绝缘工作电场强度的十几倍，所以即使电缆在通过了直流耐压试验不发生击穿，也会引起绝缘的严重损伤。
4、直流耐压试验所施加的直流电压电场强度分布状况与运行中的交流电压电场强度分布状况不同，直流耐压试验并不能模仿运行状态下电缆承受的过电压，而且也不能有效的发现电缆本身及电缆接头和施工工艺上的缺陷。
5、直流耐压试验有一定的积累效应，能加速绝缘老化，且试验时易发生闪络或击穿。
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，绝缘若有机械损伤等缺陷，在交流电压下绝缘最易发生击穿的地点，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。
三、电缆交流耐压试验
既然直流耐压试验不能模拟交联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：
1、超低频0.1Hz耐压试验
因被试交联电缆的电容量很大，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。
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。
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。而变频谐振试验方法不但能满足高压交联电缆的耐压要求，而且具有重量轻、可移动性好的优点，适宜现场试验。该方法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
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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，并已被证明是最有效的方法。
3.1串联谐振
串联谐振耐压试验是利用电抗器的电感与被试品电容实现串联谐振，这已经成为当前高电压试验的新的方向和潮流，在国内外得到了广泛应用。
串联谐振有调感式和调频式两种：调感式采用可调节铁芯气隙的电抗器，通过调节电感量，使回路处于工频谐振状态。其缺点是噪音大、机械结构复杂，设备笨重，搬运困难。
调频式采用固定电感电抗器，通过调节激励电源的频率使其与试验回路的固有频率相同，串联回路达到谐振状态，从而在被试品上产生高电压或大电流，实现对被试品耐压试验的目的。其特点是试验设备体积小、重量轻，品质因数高，使用方便。
图1为串联谐振的等值电路图
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L为电感，C为电容（包括被试电容、电容分压器、高压试验回路电容） 由图1可得
UC=IsXC=UsXC/R(XLXC) 当串联谐振时，XL=XC 即：1/2πfC=2πfL UC=UsXC/R=UsXL/R
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22谐振频率f=1/2π
LC 谐振回路电流，即试品电流为： Is=Us/R(XLXC)=Us/R 谐振回路的品质因数为Q： Q=L22C/R=ωL/R=1/ωCR
则UC=QUs，即被试品上的电压为励磁电压的Q倍。 输入功率P=UsIscosδ,谐振时，负荷为纯电阻性的，即cosδ=1,故P=UsIs，而加在被试品上的容量PS是施加的电压UC和电流I的乘积：PS=UCIs=QUsIs=QP。
也就是在被试品得到的容量为试验电源容量的Q倍。换言之，小容量的试验变压器可以对大容量的试品进行耐压试验。
实际试验回路中的Q值一般可以达到20-70，激励电压仅为试验品谐振电压的1/Q，激励功率亦为谐振功率的1/Q。
采用串联谐振的方法做电缆交流耐压试验，可大幅度的减小试验电源容量，如做2公里长的110kV电缆交流耐压试验，至少需要1500kVA以上容量的试验变压器和调压器，而采用变频串联谐振的方法，仅需要30kVA试验电源。
3.2并联谐振
图2为并联谐振的等值电路
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L为电感，C为电容（包括被试电容、电容分压器、高压试验回路电容） 一般情况下，试验变压器容量不足（满足试验电压，达不到试验电流），可以采用并联谐振加以补偿。如图（2）所示，并联回路的两个支路感抗XL和容抗XC，当XL=XC，回路产生谐振。此时，IL和IC都很大，但是总回路的电流I≈0，XC上的电压等于电源电压。
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3.3串、并联谐振
当试验变压器的额定电压、额定电流均不能满足试验要求时，可同时运用串并联谐振。
3.4交联电缆变频串联谐振耐压试验过程
试验装置由调频电源、激励变压器、谐振电抗器和电容分压器组成。被试品的电容与电抗器构成串联谐振回路，分压器并联在被试电缆上，用于测量被试电缆的谐振电压值，并作为过电压保护信号。调频调压的功率经激励变压器耦合给串联谐振回路，提供串联谐振的激励功率。
图3为试验过程原理图：
图3
试验工作过程是：首先调节调频调压电源输出频率，根据谐振时被试电缆上的电压找到谐振点，再增加调频调压电源输出电压，使被试电缆上的电压达到规定值。在此电压值下，保持规定的时间后，降低电压到零，完成变频谐振耐压试验全过程。
四、试验标准：
按照有关规定，江苏省电力公司已经取消了现场对交联聚乙烯绝缘电力电缆的直流耐压试验，并相应制订了交联聚乙烯绝缘电力电缆交接及预防性试验的标准。如表1：
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电缆额定电压 U0/U（kV） 1.8/3 3.6/6 6/6 6/10 8.7/10 12/20 21/35 26/35 /110 127/220 交接试验电压 倍数 2U0 2U0 2U0 2U0 2U0 2U0 2U0 2U0 1.7U0 1.4U0 电压值（kV） 3.6 7.2 12 12 17.4 24 42 52 109 178 表1
预防试验电压 倍数 1.6U0 1.6U0 1.6U0 1.6U0 1.6U0 1.6U0 1.6U0 1.6U0 1.36U0 1.15U0 电压值（kV） 3 6 10 10 14 19 34 42 87 146
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五、实际运用
2006年12月27日，对涟水县供电公司35kV五港变电所#2主变10kV出线电缆做交流谐振耐压试验，在交流耐压试验过程中，没有发生闪络或击穿现象，电缆安全运行至今，交流试验耐压结果如表2： 安装地点:#2B 10kV出口 电缆型号:YLV1*240mm 试验性质:交接 相别 耐压前 耐压后 试验频率（Hz） 试验电压（kV） 励磁电压（V） 励磁电流（A） 试验时间（分） 试品电容（uf） 高压电流（A） A 25000 24000 59 17 20 6.7 5 0.1 0.67 表2 2试验地点:现场 规格:1*240 温度:15℃ B 23000 23000 59 17 20 6.5 5 0.1 0.65 试验日期:2006.12.27 湿度:50% C 25000 25000 59 17 19 6.6 5 0.1 0.66 一、绝缘电阻测量（MΩ） 二、交流耐压 三、结论：合 格
六、推广运用
在实际的运用中，除了交联电缆，发电机、大型变压器、GIS、耦合电容器等设备在耐压试验时都呈现容性，对于这些容性负载，都可以采取谐振的方法进行交流耐压试验，这不仅可以几十倍的降低电源容量，减小设备体积，还可以使试验更加安全、方便、有效。
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参考文献
1. 江苏省电力工业局、江苏省电力试验研究所 编 《电气试验技能培训教材》 中国电力出版社
2. 广东省广电集团有限公司深圳供电分公司 江毅、钟建灵 著 《交联电缆技术要求的新趋势及交流耐压试验的状况》
本文作者简介：乔勇，男，1980年10月出生，2002年毕业于中国矿业大学电气工程与自动化专业，专业方向为电力系统与自动化，学士学位，现工作于江苏省电力公司涟水县供电公司，助理工程师职称。
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