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，在城市電網中的應用越來越普遍，而且電纜化率也成為衡量城市電網技術水平的重要標志。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，也要定期進行預防性試驗，以便及時發(fā)現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、介質損耗因數測量等；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。雖然非破壞性試驗能發(fā)現許多絕緣缺陷，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。

  直流耐壓試驗設備體積小、重量輕、操作簡單、便于現場實施，同時早期的油浸紙絕緣電力電纜的絕緣結構為油和紙的組合，采用直流耐壓試驗不會因累積電荷而造成絕緣損傷，所以曾經很長一段時間作為現場的主要試驗項目。但是直流耐壓試驗不合適用于XLPE 電纜，因為它的絕緣結構是固體介質，這與油浸紙電纜絕緣結構迥異，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”，需要很長時間才能*釋放出累積的電荷，而交接試驗和預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”（指水分浸入絕緣結構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化為“電樹枝”（指絕緣結構內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，根據設備原理又分為直接工頻和工頻串聯諧振（調感式串聯諧振）兩種主要方法。變頻耐壓試驗是指利用能夠產生可變頻率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，其等效系數為1，而振蕩波試驗的等效系數為1.27 ～ 1.58，超低頻試驗的等效系數為1.26 ～ 1.5，變頻諧振試驗的等效系數不到1.2。那么工頻耐壓試驗是否就是理想的呢？這還要比較試驗設備的品質因數、單位容量等參數。品質因數是指無功功率值與有功功率之比，直接工頻、工頻串聯諧振和變頻諧振的品質因數（ ）大約為5（大）、30 ～ 60 和40 ～ 120 ；從試驗設備容量看，直接工頻裝置為15 ～ 20kg/kVA，工頻串聯諧振裝置為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，假設采用17.4kV 的試驗電壓，試驗設備容量為51.29 kVA/m，采用直接工頻試驗設備至少需要770kg/m，若用工頻串聯諧振試驗設備起碼也需要154 kg/m，而變頻諧振試驗設備可能只需26kg/m。因此，電力電纜現場試驗采用變頻諧振耐壓試驗是合適不過了。