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0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用
| 摘 要 本文著重介紹了國(guó)際上普遍采用的0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗(yàn)技術(shù)及運(yùn)用這一技術(shù)的耐壓測(cè)試設(shè)備。美國(guó)高電壓公司最新推出的90kV耐壓測(cè)試儀，解決了我國(guó)35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜無(wú)合適耐壓試驗(yàn)設(shè)備的難題。該測(cè)試設(shè)備直接產(chǎn)生一種真正的正弦波，同時(shí)不會(huì)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(jiǎn)化了它在診斷測(cè)試，諸如介損測(cè)試、局放測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)故障定位等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。本文還引入了美國(guó)電子與電氣工程師協(xié)會(huì)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(chǎng)屏蔽電力電纜系統(tǒng)的耐壓、診斷試驗(yàn)。 關(guān)鍵詞 超低頻 正弦波 90kV 耐壓試驗(yàn) 放電電阻 一． 前言 保證供電可靠性的重要措施之一就是對(duì)（地埋）電力電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)（預(yù)防性試驗(yàn)）即檢查電力電纜的絕緣狀況。 70年代以來(lái)，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(yàn)方法已不適用于這類(lèi)電纜。原因是在直流電壓作用下，空間電荷效應(yīng)嚴(yán)重，直流耐壓試驗(yàn)危害交聯(lián)聚乙烯電纜的介電強(qiáng)度和壽命。在現(xiàn)場(chǎng)工頻測(cè)試中使用交流測(cè)試設(shè)備也有它自己的問(wèn)題。測(cè)試設(shè)備往往既龐大又笨重，同時(shí)價(jià)格也昂貴。超低頻檢測(cè)設(shè)備多年來(lái)一直用于檢測(cè)大型旋轉(zhuǎn)電機(jī)，比如大型水輪發(fā)電機(jī)。但這種技術(shù)并沒(méi)有用于電纜，過(guò)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(méi)有彌補(bǔ)這些非標(biāo)準(zhǔn)的波形測(cè)試電纜技術(shù)數(shù)據(jù)的缺乏。 由此可見(jiàn)，大家熟知且行得通的老辦法：直流試驗(yàn)已說(shuō)明是無(wú)效的，在有些情況下還會(huì)擴(kuò)大損傷而在試驗(yàn)時(shí)并不能發(fā)現(xiàn)。交流試驗(yàn)是有效的，但是由于電纜為容性負(fù)載，需要很大的試驗(yàn)容量（S=ωCUS2=2πfCUS2 kVA） 式中： C—被試電纜電容量 μf/km US—試驗(yàn)電壓 kV f—工頻頻率，我國(guó)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(gè)新的電纜檢測(cè)方法。 二．0.1Hz超低頻正弦波技術(shù) 早在70年代美國(guó)高電壓公司就致力于超低頻電纜檢測(cè)方法的研究。他們采用了新的方法，生產(chǎn)的電纜檢測(cè)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(cè)試系統(tǒng)。實(shí)踐也證實(shí)：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(jì)方法允許以通常的耐壓水平測(cè)試負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)5微法的電纜進(jìn)行測(cè)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(xiàng)設(shè)計(jì)還可擴(kuò)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(cè)試針對(duì)超長(zhǎng)電纜）。 1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 該設(shè)計(jì)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(duì)長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)間間隔對(duì)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(huì)對(duì)測(cè)試目標(biāo)產(chǎn)生駐波或有害的電壓突變。該新設(shè)計(jì)的基本理念已經(jīng)在圖1中展示出來(lái)了。系統(tǒng)所需的輸入功率是從一個(gè)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(dòng)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(shí)必需要在每個(gè)半波放電，傳統(tǒng)的工頻交流試驗(yàn)在試品和電源之間有很大的能量流動(dòng)，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(cè)試裝置自身中進(jìn)行交換便非常容易了。 本章論述的是一項(xiàng)用于試品放電的專(zhuān)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(fù)載至輸出回路對(duì)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(guò)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(shí)，系統(tǒng)高壓變壓器的正弦電壓通過(guò)補(bǔ)償放電電阻所需電流來(lái)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(shí)間變低。最后來(lái)自高壓變壓器的電壓達(dá)到與負(fù)載電壓平衡。這時(shí)快速接入第二個(gè)放電電阻，減少RC時(shí)間常數(shù)按需要重復(fù)這一過(guò)程可保持輸出電壓的正弦波型。 圖3說(shuō)明了應(yīng)用三個(gè)放電電阻接入輸出回路的這一技術(shù)。第一個(gè)電阻與負(fù)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(gè)相位的2.41弧度處，此時(shí)并入第二個(gè)電阻，衰減曲線表示為RC2，在相位約2.86弧度處，第三個(gè)電阻并入回路，指數(shù)曲線衰減表示為RC3。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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圖3 負(fù)載放電特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 通過(guò)高壓變壓器的電源功率補(bǔ)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(gè)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的因素是可在負(fù)荷變化最大時(shí)，所需的時(shí)間常數(shù)基礎(chǔ)上選擇放電電阻。無(wú)論輕載或重載都能產(chǎn)生滿意的波形，電阻的選擇與負(fù)荷無(wú)關(guān)。 放電電阻的電流很低，功率損耗很容易解決。三個(gè)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(jí)的系統(tǒng)。 3. 頻率 系統(tǒng)的工作頻率可通過(guò)前面討論過(guò)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(yàn)，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(cè)試超長(zhǎng)電纜。 三．0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗(yàn)設(shè)備的特點(diǎn)及應(yīng)用 如前所述，直流耐壓試驗(yàn)不適用于聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，因?yàn)樵谥绷麟妶?chǎng)下形成的空間電荷會(huì)保存在電纜絕緣層中，當(dāng)試驗(yàn)完畢重新投入運(yùn)行后，殘存的空間電荷（電場(chǎng)）會(huì)與運(yùn)行電壓的電場(chǎng)疊加，對(duì)在實(shí)際上仍能運(yùn)行的電纜造成擊穿。交流工頻耐壓試驗(yàn)最為有效，但由于電力電纜的電容很大。需要大容量試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)備笨重難以對(duì)聚乙烯/交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行預(yù)防性耐壓試驗(yàn)（現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)）。針對(duì)中壓聚乙烯/交聯(lián)聚乙烯電纜的現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)問(wèn)題，在VLF正弦波理論研究、設(shè)備開(kāi)發(fā)一直處于領(lǐng)先地位的美國(guó)高電壓公司早在70年代就致力于此項(xiàng)技術(shù)的研究，0.1Hz超低頻正弦波的耐壓試驗(yàn)設(shè)備具有以下顯著特點(diǎn)。正因?yàn)檫@些特點(diǎn)，使這一耐壓試驗(yàn)設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。 a) 0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗(yàn)設(shè)備消耗功率小，是50Hz耐壓試驗(yàn)設(shè)備的1/500。 b) 0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗(yàn)設(shè)備的輸出電壓較高，已有250kV交流輸出試驗(yàn)設(shè)備，用于更高等級(jí)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(jì)。 d) 0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗(yàn)設(shè)備可試驗(yàn)較長(zhǎng)的電纜（電容較大），最大可達(dá)50微法的VLF試驗(yàn)設(shè)備，是國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的十倍。 e) 具有電容測(cè)試電路，可測(cè)量被測(cè)電纜電容，預(yù)計(jì)電纜長(zhǎng)度。 除了這些特點(diǎn)以外，0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗(yàn)設(shè)備的正弦輸出，還可用于診斷測(cè)試，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試只是看耐壓通過(guò)不通過(guò)，現(xiàn)在更科學(xué)的方法是診斷測(cè)試——局放測(cè)試和介損測(cè)試，用于檢測(cè)絕緣中的水樹(shù)，全面地評(píng)價(jià)電纜的絕緣狀況，正弦波可有效地用于局放測(cè)試和介損測(cè)試。該設(shè)備還具有快速降阻燒穿功能，自動(dòng)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(guó)高電壓公司最新推出的一款交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備，適用于中壓等級(jí)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(fù)載無(wú)關(guān)，可以測(cè)試7500米長(zhǎng)的電纜。兩件套便攜式設(shè)計(jì)既可以安裝在電纜測(cè)試車(chē)上，也可配備手推車(chē)，方便移動(dòng)。 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(cè)量：3.5”表，0-90kV峰值電壓 ； 3.5”表，0-100mA峰值電流，0-6µF電容 負(fù)載：0.55 µF @0.1Hz 1.1 µF @0.05Hz 2.75 µF @0.02Hz 尺寸：（w長(zhǎng)；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(yàn)設(shè)備，最大限度的滿足了我國(guó)對(duì)此類(lèi)產(chǎn)品的需求。對(duì)于我國(guó)10kV及以下的電纜，可選用40kV的耐壓試驗(yàn)設(shè)備。 美國(guó)高電壓公司的產(chǎn)品得到了世界許多國(guó)家的電力系統(tǒng)及企事業(yè)的公認(rèn)，在我國(guó)本溪鋼鐵集團(tuán)、凌原鋼鐵集團(tuán)、咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)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(yàn)設(shè)備的優(yōu)越性能。 四. 電力電纜耐壓試驗(yàn)規(guī)范 在0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗(yàn)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用以后，為了規(guī)范對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜、油浸紙電纜以及混合電纜的耐壓試驗(yàn)方法，美國(guó)電子與電氣工程師協(xié)會(huì)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(jí)的電纜在安裝和驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)電壓應(yīng)為3U0；對(duì)于5-8kV的電纜，試驗(yàn)電壓應(yīng)大于3U0；維修時(shí)的試驗(yàn)電壓是驗(yàn)收試驗(yàn)電壓的80%，如果進(jìn)行多次循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)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(cè)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(cè)試時(shí)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(jī)械損傷，如果此電壓作為峰值，則測(cè)試時(shí)間加倍。 2 推薦的測(cè)試時(shí)間為15到60分鐘。實(shí)際的測(cè)試時(shí)間要根據(jù)供應(yīng)商、用戶來(lái)定并且依賴于測(cè)試條件、電纜系統(tǒng)、安裝條件、測(cè)試的頻繁程度以及選擇的測(cè)試方法。當(dāng)測(cè)試被打斷時(shí)，計(jì)時(shí)器歸零重新測(cè)試。 3 推薦的維護(hù)測(cè)試時(shí)間為15分鐘。VLF測(cè)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(cè)試時(shí)間加長(zhǎng)。 測(cè)試要點(diǎn) · 需要準(zhǔn)備好線路圖以便工作人員熟悉所測(cè)的電纜，斷開(kāi)連接點(diǎn)的位置，在哪更容易接近電纜或連接點(diǎn)以及所測(cè)電纜的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。 · 在耐壓試驗(yàn)中若發(fā)現(xiàn)故障，應(yīng)進(jìn)行故障定位。 · 在診斷測(cè)試中，若測(cè)試電纜嚴(yán)重老化，在測(cè)試結(jié)束之前就會(huì)引起擊穿。 · 當(dāng)VLF測(cè)試結(jié)束或中斷時(shí)，試品應(yīng)立即接地放電。 五．0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗(yàn)技術(shù)在中國(guó)應(yīng)用的探討 0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗(yàn)技術(shù)經(jīng)過(guò)近三十年的研究、發(fā)展和應(yīng)用的檢驗(yàn)，成為比較完善的一項(xiàng)耐壓試驗(yàn)技術(shù)，它不僅對(duì)聚乙烯/交聯(lián)聚乙烯電纜的耐壓試驗(yàn)提供了一個(gè)可靠和有效的方法，而且也可用于油紙電纜的耐壓試驗(yàn)。超低頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由一個(gè)便攜的、輕巧的、經(jīng)濟(jì)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(yùn)用到許多診斷技術(shù)中去，既能對(duì)電纜老化程度進(jìn)行評(píng)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(yàn)技術(shù)已經(jīng)在世界許多國(guó)家的電力系統(tǒng)及企業(yè)得到普遍應(yīng)用。如：美國(guó)電子與電氣工程師協(xié)會(huì)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)電工委員會(huì)制定的交聯(lián)聚乙烯電纜0.1Hz耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、華北電力集團(tuán)公司的電纜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)把0.1Hz超低頻耐壓試驗(yàn)列入試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。尤其美國(guó)高電壓公司針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)最新推出的一款90kV交流高壓試驗(yàn)設(shè)備，填補(bǔ)了我國(guó)對(duì)35kV電纜無(wú)合適耐壓試驗(yàn)設(shè)備的空白。在我國(guó)本鋼、凌鋼等率先應(yīng)用的40kV耐壓測(cè)試設(shè)備特點(diǎn)突出、運(yùn)行穩(wěn)定，受到業(yè)內(nèi)人士的好評(píng)。 綜上所述0.1Hz超低頻正弦波的耐壓試驗(yàn)技術(shù)在中國(guó)必然會(huì)成為普及推廣的技術(shù)。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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