0.1Hz超低频正弦波耐压试验技术及应用

0.1Hz超低频正弦波耐压试验技术及应用

摘　要　本文着重介绍了国际上普遍采用的0.1Hz超低频正弦波耐压试验技术及运用这一技术的耐压测试设备。美国高电压公司最新推出的90kV耐压测试仪，解决了我国35kV交联聚乙烯绝缘电缆无合适耐压试验设备的难题。该测试设备直接产生一种真正的正弦波，同时不会增加额外的技术难度。这样不仅减轻了重量节约了成本，而且也简化了它在诊断测试，诸如介损测试、局放测试和现场故障定位等领域内的应用。本文还引入了美国电子与电气工程师协会在2003年8月最新发布的IEEE P400.2/D1标准的核心内容，此标准可用于指导现场屏蔽电力电缆系统的耐压、诊断试验。 关键词　超低频 正弦波 90kV 耐压试验　放电电阻 一． 前言 　　 保证供电可靠性的重要措施之一就是对（地埋）电力电缆进行耐压试验（预防性试验）即检查电力电缆的绝缘状况。 　　 70年代以来，聚乙烯/交联聚乙烯电缆得到广泛应用并逐步取代传统的油纸电缆，特别是中低压电力电缆，直流耐压试验方法已不适用于这类电缆。原因是在直流电压作用下，空间电荷效应严重，直流耐压试验危害交联聚乙烯电缆的介电强度和寿命。在现场工频测试中使用交流测试设备也有它自己的问题。测试设备往往既庞大又笨重，同时价格也昂贵。超低频检测设备多年来一直用于检测大型旋转电机，比如大型水轮发电机。但这种技术并没有用于电缆，过去所能利用的设备通常使用的是频率为0.1周（Hz）并有多种不同波形的电压，如矩形波和三角波等。该设备在某种形式上有合理的成本和重量因素，并没有弥补这些非标准的波形测试电缆技术数据的缺乏。 　　 由此可见，大家熟知且行得通的老办法：直流试验已说明是无效的，在有些情况下还会扩大损伤而在试验时并不能发现。交流试验是有效的，但是由于电缆为容性负载，需要很大的试验容量（S=ωCUS2=2πfCUS2 kVA） 式中：　　　　　　C—被试电缆电容量 μf/km 　　　　　　　　　 US—试验电压 kV 　　　　　　　　　 f—工频频率，我国为50Hz 　　 传统的超低频技术又不适用于电缆，因此需要研究一个新的电缆检测方法。 二．0.1Hz超低频正弦波技术 　　 早在70年代美国高电压公司就致力于超低频电缆检测方法的研究。他们采用了新的方法，生产的电缆检测设备能产生真正的高压正弦波，而且设备很轻，成本接近直流测试系统。实践也证实：使用超低频高压的固体绝缘电缆的击穿电压与使用交流工频所得到的电压值是相当的。 　　 新的设计方法允许以通常的耐压水平测试负荷远远超过5微法的电缆进行测试，并且仅使用电压为120伏、频率为60Hz（或220伏50Hz）的电源。而且，该项设计还可扩展到一些频率为0.05、0.02、0.01Hz的更低频率操作中去（0.01Hz的频率测试针对超长电缆）。 1.系统设计原理 　　 该设计的基本思路是产生像正弦波那样的超低频波形。用超低频以低充电电流，相对长一点的时间间隔对试品充电至高压，这里超低频的波形是关键，特别适合的是正弦波，因其避免了其他波形可能产生的高频谐波，而该高频谐波会对测试目标产生驻波或有害的电压突变。该新设计的基本理念已经在图1中展示出来了。系统所需的输入功率是从一个正常的120伏60Hz或220伏50Hz的电源处获得。输出电压的振幅是由自动可
图1 调变压器控制的，由图1中的T1来表示。该变压器的输出用相应需要的超低频来调节，如0.1Hz。该过程在图1中用T2来表示。T2的输出以正弦波模式周期性地增加或减少，频率是两倍的输出频率，这样就会产生一个60（或50Hz）电压，振幅变化见图2（a）。该调制工频电压经过高压变压器逐步升压，即图1中的T3。该高压变压器的输出通过一个能产生单极电压的全波整流器来整流，见图2（b）。最后，整流器与终端之间的一个极性开关每隔半个周期就会将整流后的电压的极性颠倒一下。输出电缆和被测试品的电容将提供充足的滤波，以便将120Hz的波动减至一个可接受的水平，其最终波形是在图2（c）中显示出来的一个高压超低频正弦波。图2中所显示的波形并没有考虑到被测试品的能量储存情况。超低频检测设备主要应用于大型电力设备元件的高压测试。该类被测试品有很大的电容，当外加电压的相角处于90º-180º或270º-360º之间的时候，电容必须要放电。
图2 系统各阶段输出波形
2. 试品电容的放电 　　 大容量容性试品被施加交流电时必需要在每个半波放电，传统的工频交流试验在试品和电源之间有很大的能量流动，这需要大型的变压器，调节器等。在超低频系统中，所需功率非常低，与50Hz系统相比，0.1Hz系统要小500倍。结果，这些能量在测试装置自身中进行交换便非常容易了。 　　 本章论述的是一项用于试品放电的专利技术，它能确保高压输出是真正的正弦波。系统连续接入一系列阻性负载至输出回路对试品电容放电。正常情况下，应用电阻与电容并联使电容电压以指数曲线衰减。电阻的选择使电压经过RC混和放电回路降至标准正弦波下方。 　　 因此，电阻接入回路时，系统高压变压器的正弦电压通过补偿放电电阻所需电流来保持正弦波型。最初的RC回路指数曲线衰减变化率很高，随着时间变低。最后来自高压变压器的电压达到与负载电压平衡。这时快速接入第二个放电电阻，减少RC时间常数按需要重复这一过程可保持输出电压的正弦波型。 　　 图3说明了应用三个放电电阻接入输出回路的这一技术。第一个电阻与负载电容的指数衰减曲线表示为RC1。指数曲线与施加正弦波在一个相位的2.41弧度处，此时并入第二个电阻，衰减曲线表示为RC2，在相位约2.86弧度处，第三个电阻并入回路，指数曲线衰减表示为RC3。
图3 负载放电特性
通过高压变压器的电源功率补偿需要的正弦波和指数衰减曲线之间的空间（能量差），在这个设计中一个重要的因素是可在负荷变化最大时，所需的时间常数基础上选择放电电阻。无论轻载或重载都能产生满意的波形，电阻的选择与负荷无关。 　　 放电电阻的电流很低，功率损耗很容易解决。三个放电电阻完全满足40-60kV输出电压的要求。也可增加电阻的数量，应用相同的原理，用于90、120kV等更高电压等级的系统。 3. 频率 　　 系统的工作频率可通过前面讨论过的技术，即调整图1中的T2获得。目前常用的是0.1Hz VLF试验，调整T2可得到0.05、0.02、0.01Hz等不同的工作频率，较低的频率可测试超长电缆。 三．0.1Hz超低频正弦波耐压试验设备的特点及应用 　　 如前所述，直流耐压试验不适用于聚乙烯、交联聚乙烯绝缘电缆，因为在直流电场下形成的空间电荷会保存在电缆绝缘层中，当试验完毕重新投入运行后，残存的空间电荷（电场）会与运行电压的电场叠加，对在实际上仍能运行的电缆造成击穿。交流工频耐压试验最为有效，但由于电力电缆的电容很大。需要大容量试验设备，设备笨重难以对聚乙烯/交联聚乙烯电缆进行预防性耐压试验（现场试验）。针对中压聚乙烯/交联聚乙烯电缆的现场耐压试验问题，在VLF正弦波理论研究、设备开发一直处于领先地位的美国高电压公司早在70年代就致力于此项技术的研究，0.1Hz超低频正弦波的耐压试验设备具有以下显著特点。正因为这些特点，使这一耐压试验设备得到广泛应用。 　　 a) 0.1Hz超低频正弦波耐压试验设备消耗功率小，是50Hz耐压试验设备的1/500。 　　 b) 0.1Hz超低频正弦波耐压试验设备的输出电压较高，已有250kV交流输出试验设备，用于更高等级电压系统。 　　 c) 由于输入功率小，设备的尺寸和重量也小，均为两件或三件式便携设计。 　　 d) 0.1Hz超低频正弦波耐压试验设备可试验较长的电缆（电容较大），最大可达50微法的VLF试验设备，是国外同类产品的十倍。 　　 e) 具有电容测试电路，可测量被测电缆电容，预计电缆长度。 　　 除了这些特点以外，0.1Hz超低频正弦波耐压试验设备的正弦输出，还可用于诊断测试，传统的现场测试只是看耐压通过不通过，现在更科学的方法是诊断测试——局放测试和介损测试，用于检测绝缘中的水树，全面地评价电缆的绝缘状况，正弦波可有效地用于局放测试和介损测试。该设备还具有快速降阻烧穿功能，自动限制烧弧电流，从而可用于快速定位和修复故障，成本效益显著。 　　 VLF-90CMF是美国高电压公司最新推出的一款交流耐压试验设备，适用于中压等级10kV、35kV的XLPE、PE、EPR、PILC电缆及其连接头。该设备可连续输出0-90kV电压，可获得0.1、0.05、0.02Hz等不同频率的正弦波，波形与电容性负载无关，可以测试7500米长的电缆。两件套便携式设计既可以安装在电缆测试车上，也可配备手推车，方便移动。 主要技术参数如下： 　　 输入：230V，50/60Hz，最大6A，平均2.5A 　　 输出：正弦波，0-90kV交流峰值电压（0—63.6kV交流有效值电压），0.1Hz/0.05Hz/0.02Hz连续工作， 屏蔽输出电缆 　　 测量：3.5”表，0-90kV峰值电压 ； 3.5”表，0-100mA峰值电流，0-6µF电容 　　 负载：0.55 µF @0.1Hz 　　　　　 1.1 µF @0.05Hz 　　　　　 2.75 µF @0.02Hz 　　 尺寸：（w长；h高；d宽） 　　 控制器：635mm w × 406mm h × 330mm d 　　 高压器：185mm w × 685mm h × 330mm d 　　　 重量：控制器：34kg 　　 高压器：82kg 　　 除90kV外，该公司还生产40kV、60kV、120 kV、180 kV、250kV等系列耐压试验设备，最大限度的满足了我国对此类产品的需求。对于我国10kV及以下的电缆，可选用40kV的耐压试验设备。 　　 美国高电压公司的产品得到了世界许多国家的电力系统及企事业的公认，在我国本溪钢铁集团、凌原钢铁集团、咸阳机场供电站等单位应用，均显示了0.1Hz超低频正弦波耐压试验设备的优越性能。 四. 电力电缆耐压试验规范 　　 在0.1Hz超低频正弦波耐压试验技术得到广泛应用以后，为了规范对交联聚乙烯电缆、油浸纸电缆以及混合电缆的耐压试验方法，美国电子与电气工程师协会在2003年8月发布了最新IEEE P400.2/D1标准。 　　 标准规定15-35kV电压等级的电缆在安装和验收试验时，试验电压应为3U0；对于5-8kV的电缆，试验电压应大于3U0；维修时的试验电压是验收试验电压的80%，如果进行多次循环试验，试验电压可再降低20%。表1列出了屏蔽电力电缆正弦波耐压试验的电缆额定电压。虽然只列出了5-35kV的电缆，但VLF仍可用于更高电压的电力电缆。表中给出的测试电压既可作为有效值，也可作为峰值，如果作为峰值使用，则测试时间需加倍。原因是有效值是峰值的0.707倍。
超低频正弦波测试电压1 电缆等级相对相 安装2相对地 验收2相对地 维护3相对地 kV（有效值） kV（有效值） kV（有效值） kV（有效值） 5 12 14 10 8 16 18 14 15 25 28 22 25 38 44 33 35 55 62 47
1 选择有效值还是峰值取决于可能的机械损伤，如果此电压作为峰值，则测试时间加倍。 　　 2 推荐的测试时间为15到60分钟。实际的测试时间要根据供应商、用户来定并且依赖于测试条件、电缆系统、安装条件、测试的频繁程度以及选择的测试方法。当测试被打断时，计时器归零重新测试。 　　 　　 3 推荐的维护测试时间为15分钟。VLF测试方法的频率范围为 0.01 Hz 到0.1 Hz。最为常用的为0.1Hz，其它可用的频率范围还可从0.0001 Hz 到0.1 Hz。如果频率低于0.1Hz，相应的测试时间加长。 测试要点 　　 · 需要准备好线路图以便工作人员熟悉所测的电缆，断开连接点的位置，在哪更容易接近电缆或连接点以及所测电缆的结构类型。 　　 · 在耐压试验中若发现故障，应进行故障定位。 　　 · 在诊断测试中，若测试电缆严重老化，在测试结束之前就会引起击穿。 　　 · 当VLF测试结束或中断时，试品应立即接地放电。 五．0.1Hz超低频正弦波耐压试验技术在中国应用的探讨 　　 0.1Hz超低频正弦波耐压试验技术经过近三十年的研究、发展和应用的检验，成为比较完善的一项耐压试验技术，它不仅对聚乙烯/交联聚乙烯电缆的耐压试验提供了一个可靠和有效的方法，而且也可用于油纸电缆的耐压试验。超低频系统的设计由一个便携的、轻巧的、经济的装置提供高压输出。该输出的波形是正弦波，这样可以使得它能够被运用到许多诊断技术中去，既能对电缆老化程度进行评估，又能发现电缆存在局部缺陷。所以0.1Hz超低频耐压试验技术已经在世界许多国家的电力系统及企业得到普遍应用。如：美国电子与电气工程师协会的IEEE标准、德国电工委员会制定的交联聚乙烯电缆0.1Hz耐压试验标准、华北电力集团公司的电缆试验标准也已经把0.1Hz超低频耐压试验列入试验标准。尤其美国高电压公司针对中国市场最新推出的一款90kV交流高压试验设备，填补了我国对35kV电缆无合适耐压试验设备的空白。在我国本钢、凌钢等率先应用的40kV耐压测试设备特点突出、运行稳定，受到业内人士的好评。 　　 综上所述0.1Hz超低频正弦波的耐压试验技术在中国必然会成为普及推广的技术。