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0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗技術(shù)及應(yīng)用
| 摘 要 本文著重介紹了國際上普遍采用的0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗技術(shù)及運用這一技術(shù)的耐壓測試設(shè)備。美國高電壓公司最新推出的90kV耐壓測試儀，解決了我國35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜無合適耐壓試驗設(shè)備的難題。該測試設(shè)備直接產(chǎn)生一種真正的正弦波，同時不會增加額外的技術(shù)難度。這樣不僅減輕了重量節(jié)約了成本，而且也簡化了它在診斷測試，諸如介損測試、局放測試和現(xiàn)場故障定位等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。本文還引入了美國電子與電氣工程師協(xié)會在2003年8月最新發(fā)布的IEEE P400.2/D1標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容，此標(biāo)準(zhǔn)可用于指導(dǎo)現(xiàn)場屏蔽電力電纜系統(tǒng)的耐壓、診斷試驗。 關(guān)鍵詞 超低頻 正弦波 90kV 耐壓試驗 放電電阻 一． 前言 保證供電可靠性的重要措施之一就是對（地埋）電力電纜進行耐壓試驗（預(yù)防性試驗）即檢查電力電纜的絕緣狀況。 70年代以來，聚乙烯/交聯(lián)聚乙烯電纜得到廣泛應(yīng)用并逐步取代傳統(tǒng)的油紙電纜，特別是中低壓電力電纜，直流耐壓試驗方法已不適用于這類電纜。原因是在直流電壓作用下，空間電荷效應(yīng)嚴重，直流耐壓試驗危害交聯(lián)聚乙烯電纜的介電強度和壽命。在現(xiàn)場工頻測試中使用交流測試設(shè)備也有它自己的問題。測試設(shè)備往往既龐大又笨重，同時價格也昂貴。超低頻檢測設(shè)備多年來一直用于檢測大型旋轉(zhuǎn)電機，比如大型水輪發(fā)電機。但這種技術(shù)并沒有用于電纜，過去所能利用的設(shè)備通常使用的是頻率為0.1周（Hz）并有多種不同波形的電壓，如矩形波和三角波等。該設(shè)備在某種形式上有合理的成本和重量因素，并沒有彌補這些非標(biāo)準(zhǔn)的波形測試電纜技術(shù)數(shù)據(jù)的缺乏。 由此可見，大家熟知且行得通的老辦法：直流試驗已說明是無效的，在有些情況下還會擴大損傷而在試驗時并不能發(fā)現(xiàn)。交流試驗是有效的，但是由于電纜為容性負載，需要很大的試驗容量（S=ωCUS2=2πfCUS2 kVA） 式中： C—被試電纜電容量 μf/km US—試驗電壓 kV f—工頻頻率，我國為50Hz 傳統(tǒng)的超低頻技術(shù)又不適用于電纜，因此需要研究一個新的電纜檢測方法。 二．0.1Hz超低頻正弦波技術(shù) 早在70年代美國高電壓公司就致力于超低頻電纜檢測方法的研究。他們采用了新的方法，生產(chǎn)的電纜檢測設(shè)備能產(chǎn)生真正的高壓正弦波，而且設(shè)備很輕，成本接近直流測試系統(tǒng)。實踐也證實：使用超低頻高壓的固體絕緣電纜的擊穿電壓與使用交流工頻所得到的電壓值是相當(dāng)?shù)摹?br> 新的設(shè)計方法允許以通常的耐壓水平測試負荷遠遠超過5微法的電纜進行測試，并且僅使用電壓為120伏、頻率為60Hz（或220伏50Hz）的電源。而且，該項設(shè)計還可擴展到一些頻率為0.05、0.02、0.01Hz的更低頻率操作中去（0.01Hz的頻率測試針對超長電纜）。 1.系統(tǒng)設(shè)計原理 該設(shè)計的基本思路是產(chǎn)生像正弦波那樣的超低頻波形。用超低頻以低充電電流，相對長一點的時間間隔對試品充電至高壓，這里超低頻的波形是關(guān)鍵，特別適合的是正弦波，因其避免了其他波形可能產(chǎn)生的高頻諧波，而該高頻諧波會對測試目標(biāo)產(chǎn)生駐波或有害的電壓突變。該新設(shè)計的基本理念已經(jīng)在圖1中展示出來了。系統(tǒng)所需的輸入功率是從一個正常的120伏60Hz或220伏50Hz的電源處獲得。輸出電壓的振幅是由自動可 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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圖1
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圖2 系統(tǒng)各階段輸出波形 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. 試品電容的放電 大容量容性試品被施加交流電時必需要在每個半波放電，傳統(tǒng)的工頻交流試驗在試品和電源之間有很大的能量流動，這需要大型的變壓器，調(diào)節(jié)器等。在超低頻系統(tǒng)中，所需功率非常低，與50Hz系統(tǒng)相比，0.1Hz系統(tǒng)要小500倍。結(jié)果，這些能量在測試裝置自身中進行交換便非常容易了。 本章論述的是一項用于試品放電的專利技術(shù)，它能確保高壓輸出是真正的正弦波。系統(tǒng)連續(xù)接入一系列阻性負載至輸出回路對試品電容放電。正常情況下，應(yīng)用電阻與電容并聯(lián)使電容電壓以指數(shù)曲線衰減。電阻的選擇使電壓經(jīng)過RC混和放電回路降至標(biāo)準(zhǔn)正弦波下方。 因此，電阻接入回路時，系統(tǒng)高壓變壓器的正弦電壓通過補償放電電阻所需電流來保持正弦波型。最初的RC回路指數(shù)曲線衰減變化率很高，隨著時間變低。最后來自高壓變壓器的電壓達到與負載電壓平衡。這時快速接入第二個放電電阻，減少RC時間常數(shù)按需要重復(fù)這一過程可保持輸出電壓的正弦波型。 圖3說明了應(yīng)用三個放電電阻接入輸出回路的這一技術(shù)。第一個電阻與負載電容的指數(shù)衰減曲線表示為RC1。指數(shù)曲線與施加正弦波在一個相位的2.41弧度處，此時并入第二個電阻，衰減曲線表示為RC2，在相位約2.86弧度處，第三個電阻并入回路，指數(shù)曲線衰減表示為RC3。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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圖3 負載放電特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 通過高壓變壓器的電源功率補償需要的正弦波和指數(shù)衰減曲線之間的空間（能量差），在這個設(shè)計中一個重要的因素是可在負荷變化最大時，所需的時間常數(shù)基礎(chǔ)上選擇放電電阻。無論輕載或重載都能產(chǎn)生滿意的波形，電阻的選擇與負荷無關(guān)。 放電電阻的電流很低，功率損耗很容易解決。三個放電電阻完全滿足40-60kV輸出電壓的要求。也可增加電阻的數(shù)量，應(yīng)用相同的原理，用于90、120kV等更高電壓等級的系統(tǒng)。 3. 頻率 系統(tǒng)的工作頻率可通過前面討論過的技術(shù)，即調(diào)整圖1中的T2獲得。目前常用的是0.1Hz VLF試驗，調(diào)整T2可得到0.05、0.02、0.01Hz等不同的工作頻率，較低的頻率可測試超長電纜。 三．0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設(shè)備的特點及應(yīng)用 如前所述，直流耐壓試驗不適用于聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，因為在直流電場下形成的空間電荷會保存在電纜絕緣層中，當(dāng)試驗完畢重新投入運行后，殘存的空間電荷（電場）會與運行電壓的電場疊加，對在實際上仍能運行的電纜造成擊穿。交流工頻耐壓試驗最為有效，但由于電力電纜的電容很大。需要大容量試驗設(shè)備，設(shè)備笨重難以對聚乙烯/交聯(lián)聚乙烯電纜進行預(yù)防性耐壓試驗（現(xiàn)場試驗）。針對中壓聚乙烯/交聯(lián)聚乙烯電纜的現(xiàn)場耐壓試驗問題，在VLF正弦波理論研究、設(shè)備開發(fā)一直處于領(lǐng)先地位的美國高電壓公司早在70年代就致力于此項技術(shù)的研究，0.1Hz超低頻正弦波的耐壓試驗設(shè)備具有以下顯著特點。正因為這些特點，使這一耐壓試驗設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。 a) 0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設(shè)備消耗功率小，是50Hz耐壓試驗設(shè)備的1/500。 b) 0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設(shè)備的輸出電壓較高，已有250kV交流輸出試驗設(shè)備，用于更高等級電壓系統(tǒng)。 c) 由于輸入功率小，設(shè)備的尺寸和重量也小，均為兩件或三件式便攜設(shè)計。 d) 0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設(shè)備可試驗較長的電纜（電容較大），最大可達50微法的VLF試驗設(shè)備，是國外同類產(chǎn)品的十倍。 e) 具有電容測試電路，可測量被測電纜電容，預(yù)計電纜長度。 除了這些特點以外，0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設(shè)備的正弦輸出，還可用于診斷測試，傳統(tǒng)的現(xiàn)場測試只是看耐壓通過不通過，現(xiàn)在更科學(xué)的方法是診斷測試——局放測試和介損測試，用于檢測絕緣中的水樹，全面地評價電纜的絕緣狀況，正弦波可有效地用于局放測試和介損測試。該設(shè)備還具有快速降阻燒穿功能，自動限制燒弧電流，從而可用于快速定位和修復(fù)故障，成本效益顯著。 VLF-90CMF是美國高電壓公司最新推出的一款交流耐壓試驗設(shè)備，適用于中壓等級10kV、35kV的XLPE、PE、EPR、PILC電纜及其連接頭。該設(shè)備可連續(xù)輸出0-90kV電壓，可獲得0.1、0.05、0.02Hz等不同頻率的正弦波，波形與電容性負載無關(guān)，可以測試7500米長的電纜。兩件套便攜式設(shè)計既可以安裝在電纜測試車上，也可配備手推車，方便移動。 主要技術(shù)參數(shù)如下： 輸入：230V，50/60Hz，最大6A，平均2.5A 輸出：正弦波，0-90kV交流峰值電壓（0—63.6kV交流有效值電壓），0.1Hz/0.05Hz/0.02Hz連續(xù)工作， 屏蔽輸出電纜 測量：3.5”表，0-90kV峰值電壓 ； 3.5”表，0-100mA峰值電流，0-6µF電容 負載：0.55 µF @0.1Hz 1.1 µF @0.05Hz 2.75 µF @0.02Hz 尺寸：（w長；h高；d寬） 控制器：635mm w × 406mm h × 330mm d 高壓器：185mm w × 685mm h × 330mm d 重量：控制器：34kg 高壓器：82kg 除90kV外，該公司還生產(chǎn)40kV、60kV、120 kV、180 kV、250kV等系列耐壓試驗設(shè)備，最大限度的滿足了我國對此類產(chǎn)品的需求。對于我國10kV及以下的電纜，可選用40kV的耐壓試驗設(shè)備。 美國高電壓公司的產(chǎn)品得到了世界許多國家的電力系統(tǒng)及企事業(yè)的公認，在我國本溪鋼鐵集團、凌原鋼鐵集團、咸陽機場供電站等單位應(yīng)用，均顯示了0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設(shè)備的優(yōu)越性能。 四. 電力電纜耐壓試驗規(guī)范 在0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗技術(shù)得到廣泛應(yīng)用以后，為了規(guī)范對交聯(lián)聚乙烯電纜、油浸紙電纜以及混合電纜的耐壓試驗方法，美國電子與電氣工程師協(xié)會在2003年8月發(fā)布了最新IEEE P400.2/D1標(biāo)準(zhǔn)。 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定15-35kV電壓等級的電纜在安裝和驗收試驗時，試驗電壓應(yīng)為3U0；對于5-8kV的電纜，試驗電壓應(yīng)大于3U0；維修時的試驗電壓是驗收試驗電壓的80%，如果進行多次循環(huán)試驗，試驗電壓可再降低20%。表1列出了屏蔽電力電纜正弦波耐壓試驗的電纜額定電壓。雖然只列出了5-35kV的電纜，但VLF仍可用于更高電壓的電力電纜。表中給出的測試電壓既可作為有效值，也可作為峰值，如果作為峰值使用，則測試時間需加倍。原因是有效值是峰值的0.707倍。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 1 選擇有效值還是峰值取決于可能的機械損傷，如果此電壓作為峰值，則測試時間加倍。 2 推薦的測試時間為15到60分鐘。實際的測試時間要根據(jù)供應(yīng)商、用戶來定并且依賴于測試條件、電纜系統(tǒng)、安裝條件、測試的頻繁程度以及選擇的測試方法。當(dāng)測試被打斷時，計時器歸零重新測試。 3 推薦的維護測試時間為15分鐘。VLF測試方法的頻率范圍為 0.01 Hz 到0.1 Hz。最為常用的為0.1Hz，其它可用的頻率范圍還可從0.0001 Hz 到0.1 Hz。如果頻率低于0.1Hz，相應(yīng)的測試時間加長。 測試要點 · 需要準(zhǔn)備好線路圖以便工作人員熟悉所測的電纜，斷開連接點的位置，在哪更容易接近電纜或連接點以及所測電纜的結(jié)構(gòu)類型。 · 在耐壓試驗中若發(fā)現(xiàn)故障，應(yīng)進行故障定位。 · 在診斷測試中，若測試電纜嚴重老化，在測試結(jié)束之前就會引起擊穿。 · 當(dāng)VLF測試結(jié)束或中斷時，試品應(yīng)立即接地放電。 五．0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗技術(shù)在中國應(yīng)用的探討 0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗技術(shù)經(jīng)過近三十年的研究、發(fā)展和應(yīng)用的檢驗，成為比較完善的一項耐壓試驗技術(shù)，它不僅對聚乙烯/交聯(lián)聚乙烯電纜的耐壓試驗提供了一個可靠和有效的方法，而且也可用于油紙電纜的耐壓試驗。超低頻系統(tǒng)的設(shè)計由一個便攜的、輕巧的、經(jīng)濟的裝置提供高壓輸出。該輸出的波形是正弦波，這樣可以使得它能夠被運用到許多診斷技術(shù)中去，既能對電纜老化程度進行評估，又能發(fā)現(xiàn)電纜存在局部缺陷。所以0.1Hz超低頻耐壓試驗技術(shù)已經(jīng)在世界許多國家的電力系統(tǒng)及企業(yè)得到普遍應(yīng)用。如：美國電子與電氣工程師協(xié)會的IEEE標(biāo)準(zhǔn)、德國電工委員會制定的交聯(lián)聚乙烯電纜0.1Hz耐壓試驗標(biāo)準(zhǔn)、華北電力集團公司的電纜試驗標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)把0.1Hz超低頻耐壓試驗列入試驗標(biāo)準(zhǔn)。尤其美國高電壓公司針對中國市場最新推出的一款90kV交流高壓試驗設(shè)備，填補了我國對35kV電纜無合適耐壓試驗設(shè)備的空白。在我國本鋼、凌鋼等率先應(yīng)用的40kV耐壓測試設(shè)備特點突出、運行穩(wěn)定，受到業(yè)內(nèi)人士的好評。 綜上所述0.1Hz超低頻正弦波的耐壓試驗技術(shù)在中國必然會成為普及推廣的技術(shù)。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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