電力電纜采用變頻諧振耐壓試驗的背景與優(yōu)勢分析

  與架空線路相比，電纜線路具有敷設(shè)隱蔽、受氣候干擾小、少維護、對城市市容影響小等優(yōu)勢，在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越普遍，而且電纜化率也成為衡量城市電網(wǎng)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。隨著油浸紙絕緣電力電纜逐步退出歷史舞臺，代之以安裝簡便、沒有漏油困擾的橡塑絕緣電力電纜，其中交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜更因為電氣機械性能好、傳輸容量大、施工安裝靈活而成為主流電纜。

  為了保證線路安全運行，電力電纜投入運行前必須進行交接驗收試驗，以避免機械損傷、安裝工藝缺陷等問題引起運行故障損失；在電力電纜運行期間，也要定期進行預(yù)防性試驗，以便及時發(fā)現(xiàn)故障隱患和潛伏性缺陷。在這些試驗中，按照被試絕緣的危險程度分為非破壞性試驗和破壞性試驗兩大類，前者因為施加的電壓低于額定電壓，不會損傷電纜的絕緣性能而被稱為非破壞性試驗，主要試驗項目包括絕緣電阻測量、泄漏電流測量、介質(zhì)損耗因數(shù)測量等；后者要在高于工作電壓條件下進行試驗，可能引起絕緣損傷和破壞，故稱之為破壞性試驗，主要試驗項目是直流耐壓試驗和交流耐壓試驗。雖然非破壞性試驗?zāi)馨l(fā)現(xiàn)許多絕緣缺陷，但因為試驗電壓較低，某些局部缺陷還是不能夠被檢出，所以必須通過破壞性試驗來進一步暴露這些缺陷。

  直流耐壓試驗設(shè)備體積小、重量輕、操作簡單、便于現(xiàn)場實施，同時早期的油浸紙絕緣電力電纜的絕緣結(jié)構(gòu)為油和紙的組合，采用直流耐壓試驗不會因累積電荷而造成絕緣損傷，所以曾經(jīng)很長一段時間作為現(xiàn)場的主要試驗項目。但是直流耐壓試驗不合適用于XLPE 電纜，因為它的絕緣結(jié)構(gòu)是固體介質(zhì)，這與油浸紙電纜絕緣結(jié)構(gòu)迥異，在直流電場作用下容易儲存和聚集空間電荷而形成“記憶效應(yīng)”，需要很長時間才能*釋放出累積的電荷，而交接試驗和預(yù)防性試驗后都不大可能等待這么久再投運，這樣很容易出現(xiàn)累積的電荷疊加在工頻交流電壓峰值上而擊穿電纜；另一方面XLPE 電纜中的“水樹枝”（指水分浸入絕緣結(jié)構(gòu)并在電場作用形成的樹枝狀物）在直流電壓作用下會迅速轉(zhuǎn)化為“電樹枝”（指絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成的樹枝狀放電通道），從而加速絕緣老化和引起電纜擊穿故障。交流耐壓試驗環(huán)境更接近實際運行環(huán)境，而且電場分布也與直流電壓不同，交流電場由介電參數(shù)控制，直流電場由電阻率控制，這些特點決定了交流耐壓試驗是鑒定XLPE 電纜更有效、更安全的方法。

   經(jīng)過多年研究和探索，交流耐壓試驗已形成工頻耐壓試驗、變頻耐壓試驗、超低頻耐壓試驗和振蕩波耐壓試驗四個系列。工頻耐壓試驗是指采用試驗電壓頻率為49 ～ 61Hz 的交流電源進行耐壓試驗，根據(jù)設(shè)備原理又分為直接工頻和工頻串聯(lián)諧振（調(diào)感式串聯(lián)諧振）兩種主要方法。變頻耐壓試驗是指利用能夠產(chǎn)生可變頻率20 ～ 300Hz 的交流電壓裝置進行耐壓試驗，主要方法為變頻諧振耐壓試驗法。超低頻耐壓試驗是指輸出頻率為0.01 ～ 0.1Hz 的交流耐壓試驗。振蕩波耐壓試驗是指利用高壓直流電源經(jīng)諧振電抗器對試驗回路緩慢充電，然后再將試驗回路迅速接地，使電纜電容與諧振電抗器發(fā)生自由振蕩的耐壓試驗。在上述交流耐壓試驗方法中，工頻法與電纜實際運行環(huán)境無疑是接近的，其等效系數(shù)為1，而振蕩波試驗的等效系數(shù)為1.27 ～ 1.58，超低頻試驗的等效系數(shù)為1.26 ～ 1.5，變頻諧振試驗的等效系數(shù)不到1.2。那么工頻耐壓試驗是否就是理想的呢？這還要比較試驗設(shè)備的品質(zhì)因數(shù)、單位容量等參數(shù)。品質(zhì)因數(shù)是指無功功率值與有功功率之比，直接工頻、工頻串聯(lián)諧振和變頻諧振的品質(zhì)因數(shù)（ ）大約為5（大）、30 ～ 60 和40 ～ 120 ；從試驗設(shè)備容量看，直接工頻裝置為15 ～ 20kg/kVA，工頻串聯(lián)諧振裝置為3 ～ 10 kg/kVA，變頻諧振裝置為0.5 ～ 2kg/kVA。例如8.7/10kV、300mm2 的XLPE 電纜，假設(shè)采用17.4kV 的試驗電壓，試驗設(shè)備容量為51.29 kVA/m，采用直接工頻試驗設(shè)備至少需要770kg/m，若用工頻串聯(lián)諧振試驗設(shè)備起碼也需要154 kg/m，而變頻諧振試驗設(shè)備可能只需26kg/m。因此，電力電纜現(xiàn)場試驗采用變頻諧振耐壓試驗是合適不過了。