电力电缆工频电压试验设备的选择与应用.pdf

2 0 1 0年第 3期 No 3 2 Ol 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Cab l e 2 0 1 0年 6月 J u n ， 2 01 0 电力电缆工频电压试验设备 的选择与应用 朱世 荣 ， 张光武 ( 1 福建南平 市中心检验所 ， 福建 南平 3 5 3 0 0 0 ； 2 浙江省质量技术监督检测研究院 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 3 ) 摘要 ： 通过分析 电力电缆电压试验 的负载特性 以及 变压 器式和 串联谐振 两种 工频 电压试验 设备 的工作原理 和特点 ， 对工频 电压试验设备 的选择提 出建议 。 关键词 ： 电力 电缆 ；工频 电压试验 ； 设备 ； 选择 中图分 类号 ： T M 2 0 6 ； T M 2 4 7 1 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 6 7 2 6 9 0 1 ( 2 0 1 0 ) 0 3 - 0 0 4 2 -03 Se l e c t i o n an d Ap pl i c a t i o n o f t he App ar a t us f o r t h e Co mme r c i a l Fr e q ue nc y Vo l t a g e Te s t fo r Powe r Ca bl e s ZHU S h i - r o n g，e t a l ( F u j i a n N a n p i n g C e n t r a l I n s p e c t i o n I n s t i t u t e ， N a n p i n g 3 5 3 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ：By a n a l y z i n g t h e l o a d c h a r a c t e r i s t i c s o f t he v o l t a g e t e s t o n po we r c a b l e s a n d t he wo r ki n g p r i n c i p l e a nd c ha r - a c t e r i s t i c s o f t h e t r an s f o r me r t y p e a n d s e r i e s r e s o na n c e t y p e t e s t a pp a r a t u s f o r c o mme r c i a l fre q ue nc y v o l t a g e t e s t ，t he a ut h o r pu t f o r wa r d s ome s u g g e s t i o n s a b o u t t h e s e l e c t i o n o f t h e a p p a r a t us for t h e c o mme r c i a le q ue nc y v o l t a g e t e s t for p o we r c a b l e s Ke y wo r ds：p o we r c a b l e；c o mme r c i a le q ue nc y v o l t a g e t e s t ；a p pa r a t u s ；s e l e c t i o n 。 颛 县 H H 工 频 电 压 试 验 设 备 是 电 力 电 缆 局 部 放 电 试 验 和 u L _ J L _ J u L - J L T J L 交流电压试验的高压主设备， 在 G B 1 2 7 0 6 -2 0 0 8标 准中， 局部放电试验和交流 电压试验作为成品电 缆 的重要 检 验项 目， 其 最 高试 验 电压 为 1 0 4 k V， 因 此 ， 试验 设备 技术 要 求高 ， 制 造 工 艺复 杂 ， 其 价 格 十 分昂贵。 目前， 常用的工频电压试验设备有变压器 式和串联谐振两种 ， 由于两种变压方式各有其技术 特点 ， 因此， 应根据 自身试 品需要 ， 选择不 同的试验 设 备 。 1 工频 电压试验设备结构和工作原 理 1 1 设 备 结构 变 压器 式 工 频 电压 试 验设 备 常 见结 构 见 图 1 ， 其 中， 试验高压由试验变压器升压实现 ， 调压设备调 节试验 电压 的大小 。 串联谐 振 工 频 电压 试 验设 备 常 见 结构 见 图 2 ， 其中， 试验高压由励 磁变压器和串联谐振两级升压 实现 。 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 2 - 2 2 作者简 介： 朱世荣( 1 9 6 5一) ， 男 ， 工程师 ， 副所长 作者地 址： 福建南平 市文体路 2 0 3号 3 5 3 0 0 0 卜 图 1 变压器式工频 电压试验设备结构框图 鲨 H H 悝 兰 制仪器 r 一 图 2串联谐振工频 电压试验设备结构框图 以上两 种升 压方 式 均 可 根据 试 验 需 要 ， 通 过 测 量和控制仪器的工作状态选择进行局部放 电试验或 交流电压试验 ， 工作频率为工频 5 0 Hz 。 1 2工作原 理 电缆在局部放电试验和交流电压试验时为容性 负载 ， 因此以下工作原理 以容性负载分析。 ( 1 )变压器式工作原理。采用一次线圈与二次 线圈间电磁感应或同线圈带抽头 自感来变换 电压， 电路模型见图 3 。其电压、 电流、 容量的计算式为 ： U kU， ， =k U ( R +j t o C )= U t o e S。= kU。 l c 2 0 1 0年第 3 期 No 3 2 01 0 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca bl e 2 0l O年 6月 J u n， 2 01 0 S = U J 式 中 ， u 为试 验 电压 ( 即输 出电 压 ) ； U 为试 验 变 压 器的输人 电压； 为一次线圈与二次线圈 的匝数 比 ( 即变 压器 的变 比) ； 为输 出 电流 ； 为 高压 回路保 护电阻值 ； 为角频率 ， =2 f ,f= 5 0 H z ； C 为被测 试样 电容 量 ； s ， 为输 入容 量 ； s 为输 出容 量 。 l奎 I 3变 压 器 式 电路 模 型 ( 2 )串联谐振工作原理。串联谐振又称电压谐 振 ， 它是 R L C串联 电路 ， 其 电路模型见图4 。当调节 电抗器电感与回路容抗相等时， 电路将产生谐振 ， 此 时 ： ： l C， 式 中 ， 为电抗 器 电感 。 在谐 振状 态下 ： ， c=U R Uc= I c C ： l mL = U sm L R f= Q U。 S = U l c S =U 。 ， =Q I c= q s 式中， 冗 为回路有功损耗的等效电阻 ， 其阻值很小 ； Q为谐振 回路的品质因数 ， Q= R 。 由 S ：q s 。 可知 ， 输出容量为输入容量的 Q倍 ， 从而实现较小电源输入容量获得较大的试验容量。 上 cx 图 4串联谐振 电路模型 2 电缆 无功功率的计算 从资料中查阅所得的交联聚乙烯绝缘电力电缆 ( 以下简 称交联 电缆 ) 电容标 准值 ， 见 表 1 。 G B T 3 0 4 8 2 0 0 7标 准 规 定 ， 电缆 的 型式 试 验应按产品标准规定取短段 电缆试样 ， 例行试验应 在制造长度的电缆产品上进行 。电缆 电容量 c 随 电缆规格和长度的增大而增大， 规格和长度不同， 电 缆的无功功率差别也很大。 例 1 ， 额定 电压 2 6 3 5 k V， 6 3 0 m m 的交 联 电 缆 ， 当长度为 2 k m， 试验电压为 2 5 其无功功率 为 ： =2 5 U o ， = ( 2 5 U 0 ) C ： ( 2 52 6 ) 。2 3 1 4 5 0 0 25 3 3 2 = 6 7 2 1 k VA 表 1 交联 电缆 电容 C 标 准值 电压等级 导体截 6 6 k V， 8 7 1 0 k V 面 积 m m 1 8 3 0 k V 2 6 3 5 k V 6 1 0 k V 8 7 l 5 k V 2 5 O 1 l 6 3 O 1 92 2 O 1 5 7 6 0 0 9 9 2 3 5 0 1 2 5 1 0 2 1 l 6 O 1 7 2 5 O 1 O 6 1 5 0 0 1 3 6 3 0 2 3 6 7 0 1 9l 7 0 I l 5 O 7 0 O 1 5 O 8 0 2 6 9 3 0 2l 6 7 O I 2 6 3 9 5 0 1 6 4 3 0 2 9 9 9 0 2 4 0 0 0 1 3 6 8 1 2 O O 1 7 6 0 O 3 2 6 6 0 2 6 0 3 O 1 4 6 0 l 5 0 0 1 8 9 3 0 3 5 7 0 0 2 8 3 4 O 1 5 6 3 l 8 5 0 2 0 2 6 0 3 8 7 3 O 31 2 3 O 1 6 6 5 2 4 0 0 2 2 0 7 0 4 2 9 0 0 3 4 3 9 O 1 8 O 5 3 0 0 0 2 3 8 7 0 4 7 0 6 0 3 7 5 5 O 1 9 4 5 4 O O 0 2 6 4 8 0 5 31 1 0 4 2l 3 O 2 l 4 6 5 0 0 0 2 8 7 6 0 5 8 3 9 0 4 61 3 O 2 3 2 1 6 3 0 O 3I 5 1 0 6 4 8 1 0 5 0 9 9 0 2 5 3 3 注 ： 电缆长度为 1 k m。 例 2， 与上 述 同 规 格 的 额 定 电 压 2 6 3 5 k V， 6 3 0 m i l l 的交联 电缆 ， 当 电缆 试 样 长 度 为 1 5 m， 试 验 电 压为 4 ， 其 无功 功率 为 ： ： 4Uo I c = ( 4U o ) C =( 4 X 2 6 ) 2 X 3 1 4 X 5 0 0 2 5 3 3 1 5 1 0 00 ： l 2 9 kVA 由此可知 ， 同规格的电缆试样长度不同， 其无功 功率 相差很 大 。 3工频 电压试验设备 的选择 受 电源容 量 和 设 备 造 价 等 因 素 限 制 ， 3 5 k V交 联 电缆 的工频电压试验设备的设计额定容量一般不 超 过 1 0 0 k V A， 设 计 额定 电压 一 般 为 1 2 01 5 0 k V， 此 外 ， 为 了防 止 外 部 ( 如 无 线 电 、 杂 波 等 ) 干 扰 和 保 证试 验安 全 ， 设 备安装 时还 应配 套 建造屏 蔽 房 、 绝缘 地坪 和不 大 于 1 n 的接地 装置 等设 施 。 ( 1 )变压器式工频 电压设备 。由于设计的额定 容量一般不超过 1 0 0 k V A， 其试 验时的额定输 出容 量更小 ， 对于长电缆试样 ， 由于输 出容量和回路 电流 要求 很 大 ， 因此 ， 必 须增 大 回路 导线 和变压 器线 圈 的 导体截面积 ， 以及增大电源 、 保护电阻等其它元件的 额定容量 ， 这将导致试验变压器和其它元件 的体积 十分庞大 ， 设备造价也将成倍增长 。 ( 下 转 第 4 6页 ) 2 0 1 0年第 3期 No 3 2 Ol O 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 1 0年 6月 J u n ， 2 0 1 0 完善的老化评价体系， 并结合线路的运行情况 ， 制定 多维评价指标， 依据强化条件试验的结果分析 ， 对线 路状态进行评级 ， 对划分入不同等级的线路及其典 型 问题采取不 同的应对 策略 。 评估模型需要通过电缆绝缘系统的裕度试验和 多 因子老化试 验 ， 得 到 电缆 绝缘 系 统 的裕 度 信 息 和 老化信息。结合实际运 行状况 ， 根据相关标准和判 据， 给出定性或定量的系统性能和可靠性指标。 3 2寿命管理 案例中的综合试验说明了 l 0 k V X L P E电缆绝 缘 中“ 弱点” 的不连续性和随机性。它与所取样 品 段的完好状态及其运行环境密切相关。因此 ， 对 电 缆线路的寿命管理应以故障率为主要考核指标 ， 而 状态评估 中涉及的电缆“ 寿命” 应是实际的可运行 寿命 ， 需要依此制定合理的相对终止标准和失效判 据 。 根据加速寿命试验 ， 案例 中样 品的寿命推算 以 23年 为 界 ， 呈 两极 化 分 布 的趋 势 ， 反 映 出 电缆 样 品的可靠性基本符合浴盘曲线 ( b a t h t u b c u r v e ) 的规 律 ， 即在其运行历程中存在早期故障期 、 偶然故障期 ( 中期) 和损耗故障期 ( 晚期 ) 三个阶段。 4 结束语 在实际操作层面， 提供 以下几点建议： ( 1 )依据此次样品的检查 中发现 的问题 ( 如电 缆外护套损 伤、 绝缘典 型缺陷等 ) ， 采取应对措施 ， 延长电缆的使用寿命。 ( 2 )运行电缆的绝缘系统处于多因子老化的动 态 过程 中 ， 各种 缺 陷不 断发展 和暴 露 。因此 ， 在 运行 决策时 ， 需要充分考虑状态评估中反映出的本征 非 本 征缺 陷对线路 运行 可靠性 的影 响程度 。 ( 3 )研究敷设运行方式对电缆温升的影响 ， 分 析电缆绝缘运行温度与电气绝缘强度的关 系， 对温 升较大的部位 ， 研究如何控制其温升。 ( 4 )应综合评估外部因素的影响 ， 如电缆线路 的敷 设条 件 、 线路 负载 、 运 行 年 限等 因 素 ， 甄别 各 线 路的具体情况 ， 予以区别对待 。按照要求进行预防 性试 验 ， 并 以此为 手段 找出线路 的 薄弱点 ， 及时加 以 修复 。 上 接 第 4 3页 J 此外 ， 大电流工作 时升压起始 阶段会导致波形 畸变和三次 、 五次谐波的产生 ， 这些均对电压测量带 来困难。因此 ， 变压器式工频电压试验设备并不适 用于 长 电缆 试样 的测试 。 对于短段试样这种试验输出容量要求较小时， 变压器式电压试验设备具有 以下优点 ： 1 )结 构简 单， 设备造价低 ； 2 )调压方便 ， 容易控制 ， 调压过程 简单直观 ； 3 )试验电压波形与电源基本一致。 ( 2 )串联谐振工频电压试验设备。通常在设备 设计时， 谐振品质因数 Q一般为 4 0 8 O ， 电源额定 容量 3 0 6 0 k V A， 可提供 的试验额定 容量在 1 2 0 0 k V A 以上 。 串联 谐振 电 压试 验 设 备具 有 以下优 点 ： 1 )对电源容量的要求仅为额定输 出容量的 1 Q； 2 ) 试样击穿时会有过 电压、 过电流发生 ， 即失谐 ， 不需 使用保护电阻； 3 )工频正弦波谐振时 ， 由于谐 波频 率与谐振频率不一致 ， 谐波在 串联谐振 回路中不产 生谐振 ， 因此 ， 回路对谐波具有阻塞作用 ， 输出电压 正弦波 波形 较好 ； 4 )多极 运 行很 方 便 ， 串联 时 电压 分 布均 匀 ； 5 )试样 击穿 时痕迹很 小 ， 可 供分析 研究 。 其在长 、 短样电缆的试验中均适用 ， 但造价高于 变压器式 ， 调压过程需调谐后才能升压 ， 过程较 复 杂， 且被测电缆电容量与电抗不匹配时无法调谐 ， 测 量无法进行 ， 因此 ， 串联谐振电压设备更多使用于长 电缆试 样 。 4 结束语 由于检验 机构 在 电缆 检验 中主要进 行短 段试样 的型式试验 ， 且受试验室场地的局限 ， 通常很少配备 长电缆试样搬运安装所需的龙门吊、 叉车等设备， 因 此 ， 检验机构适合选择价格较低的变压器式工频 电 压试验设备。电缆生产企业更多的是进行成圈电缆 的 出厂 例行试 验 ， 因此 应选 择 串联谐 振 电压试 验 设 备 。 参 考 文 献 ： 1 G B 1 2 7 0 6 -2 0 0 8额定电压 1 k V到 3 5 k V挤包绝缘 电力 电缆 及附件 S 2 G B T 3 0 4 8 -2 0 0 7电线 电缆电性能试验方法 S