武漢高壓研究所 楊黎明 徐林華
引言
150kV以上至400kV電纜及附件在CIGRE文獻(xiàn)[1]中被認(rèn)為是屬于超高壓范圍。
超高壓擠包絕緣電纜及附件是電網(wǎng)中重要組成部分，因此其可靠性是首先要考慮的重大課題；與150 kV電纜及附件相比，它們的工作場(chǎng)強(qiáng)很高，故安全裕度較小；它們的絕緣厚度較厚，熱機(jī)械效應(yīng)較嚴(yán)重；隨著電壓的增高，電纜本體與附件的設(shè)計(jì)以及安裝配合，變得更為困難。
為了考核超高壓電纜系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性，CIGRE提出增加預(yù)鑒定試驗(yàn)，即長(zhǎng)期加速老化試驗(yàn)，并得到IEC標(biāo)準(zhǔn)[2]的確認(rèn)采用。
預(yù)鑒定試驗(yàn)是在批量提供一種型號(hào)的電纜系統(tǒng)之前，為了驗(yàn)證完整的電纜系統(tǒng)具有滿意的長(zhǎng)期性能而進(jìn)行的試驗(yàn)。
它要求供商業(yè)運(yùn)行的電纜及附件，布置成能代表安裝設(shè)計(jì)條件，如直埋和空氣中敷設(shè)，剛性固定，撓性固定及之間轉(zhuǎn)換的布置。
試驗(yàn)布置完成后，按順序進(jìn)行：熱循環(huán)電壓試驗(yàn)；電纜樣品的雷電沖擊電壓試驗(yàn)；最后對(duì)電纜系統(tǒng)進(jìn)行檢查。
熱循環(huán)應(yīng)采用導(dǎo)體電流加熱被試回路，直到電纜導(dǎo)體達(dá)到正常運(yùn)行最高導(dǎo)體溫度以上0℃到5℃。試驗(yàn)期間由于環(huán)境溫度的變化需要調(diào)節(jié)導(dǎo)體電流。所選的加熱的方式應(yīng)使遠(yuǎn)離附件處的電纜導(dǎo)體溫度達(dá)到上述規(guī)定。加熱時(shí)間應(yīng)至少8h。每個(gè)加熱周期內(nèi)導(dǎo)體溫度應(yīng)維持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)至少2h。接著是至少16h的自然冷卻。
在整個(gè)8760h的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)應(yīng)對(duì)被試回路施加1.7Uo電壓和熱循環(huán)。加熱和冷卻循環(huán)應(yīng)進(jìn)行至少180次。
電纜系統(tǒng)不能發(fā)生擊穿。國(guó)家電力公司在武漢高壓研究所投巨資，建設(shè)了超高壓電纜實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室主要任務(wù)之一就是完成預(yù)鑒定試驗(yàn)任務(wù)。
1 電纜系統(tǒng)敷設(shè)安裝
預(yù)鑒定試驗(yàn)的樣品應(yīng)與實(shí)際工程使用的產(chǎn)品完全一樣。
1.1 試品的要求
試驗(yàn)電纜的有效長(zhǎng)度不小于120m。電纜樣品還需考慮另外增加戶外終端、接頭、GIS終端的長(zhǎng)度約20m，輔助控溫加熱電纜和性能對(duì)比試驗(yàn)的長(zhǎng)度約35m。總長(zhǎng)度約175m。試驗(yàn)的戶外終端至少2個(gè)。可采用不同型式的戶外終端。試驗(yàn)的接頭，每種型式至少1個(gè)。試驗(yàn)的GIS終端至少2個(gè)。
試驗(yàn)系統(tǒng)安裝還需足夠的金具和固定卡具。
1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)安裝
電纜預(yù)鑒定試驗(yàn)系統(tǒng)在空氣中敷設(shè)，設(shè)有終端區(qū)、陽(yáng)光照射段、加熱區(qū)、隧道敷設(shè)段。直埋部分設(shè)有穿管敷設(shè)、直接埋地敷設(shè)等等。并且還要有剛性固定和柔性固定，其中至少有一段彎曲半徑的敷設(shè)。
空氣中陽(yáng)光照射段、穿管、直接埋地模擬敷設(shè)段長(zhǎng)度，分別不小于10m。隧道敷設(shè)段長(zhǎng)度，不小于15m。彎曲半徑敷設(shè)，彎曲部分弧度應(yīng)大于π/2，其彎曲半徑15D，D為電纜的平均外徑。剛性固定和柔性固定可在隧道中模擬敷設(shè)。在隧道內(nèi)還設(shè)有蛇形敷設(shè)。直埋和穿管埋入地下深度約1m。戶外終端底座離地距離不小于2m。接頭可在模擬隧道安裝，也可在模擬工井安裝。GIS終端可并排垂直安裝于地面以上，亦可頭對(duì)頭平臥地面敷設(shè)。
OT-戶外終端； J1，J2-接頭； GIS-GIS終端。
2 試驗(yàn)電壓
除了使用傳統(tǒng)的調(diào)壓器和高壓試驗(yàn)變壓器產(chǎn)生所需的試驗(yàn)電壓外，根據(jù)被試電纜系統(tǒng)具有大電容的特點(diǎn)，也可采用串聯(lián)諧振回路產(chǎn)生試驗(yàn)電壓，即由被試電纜系統(tǒng)和與之串聯(lián)的可調(diào)電感以及饋電電源組成，調(diào)整電感值就可在電源頻率下產(chǎn)生諧振，從而在電容試品上得到所需的試驗(yàn)電壓。
從使用的角度來(lái)看，串聯(lián)諧振試驗(yàn)系統(tǒng)有四大優(yōu)點(diǎn)。a. 耗電省，由于系統(tǒng)處于諧振運(yùn)行，無(wú)功功率自行全補(bǔ)償，功率因數(shù)為1，電源只供給有功電流，所以，試驗(yàn)系統(tǒng)能耗最小；b. 波形好，由于在工頻50Hz下諧振，將其放大Q倍，其它頻率并不諧振，也不放大，故諧波小，試驗(yàn)電壓波形好；c. 無(wú)過(guò)電壓，如幾個(gè)試品并聯(lián)同時(shí)試驗(yàn)，某一被試品擊穿后，試驗(yàn)系統(tǒng)立即失諧，其它試品上不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓而遭擊穿；d. 擊穿通道小，試品一旦擊穿，試驗(yàn)系統(tǒng)短路接地，由于調(diào)諧電感阻抗大，故擊穿回路電流小，擊穿通道燒損小，便于研究分析。
2.1 工頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)系統(tǒng)
2.1.1 系統(tǒng)組成和主要參數(shù)
無(wú)暈工頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)系統(tǒng)包括隔離變壓器、調(diào)壓器、低壓濾波器、勵(lì)磁變壓器、高壓電抗器、高壓濾波器耦合電容器/分壓器、控制臺(tái)、局放儀、標(biāo)準(zhǔn)電容器及配套的水終端水處理。
1-雙屏蔽隔離變壓器(DSIT)；2-電源 2a 斷路器 2b 調(diào)壓器 2c 接觸器 2d 低壓濾波器；3-勵(lì)磁變壓器；4-高壓電抗器；5-高壓濾波器/分壓器；6-水終端；7-被試電纜；8-tgδ 和電容測(cè)量 8a 標(biāo)準(zhǔn)電容器 8b 2801電橋；9-控制臺(tái)；10-局放檢測(cè)儀；11-計(jì)算機(jī)控制。
系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)為，
1） 雙屏蔽隔離變壓器：輸入電壓，10kV；輸出電壓，1kV；長(zhǎng)期容量，500kVA；短期（1h）容量，600kVA。
2） 調(diào)壓器：輸入電壓，1kV；輸出電壓，0～1kV；長(zhǎng)期容量，500kVA；短期（1h）容量，600kVA。
3） 勵(lì)磁變壓器：輸入電壓，0～1kV；輸出電壓，特別設(shè)計(jì)成4個(gè)抽頭，以適應(yīng)不同試品時(shí)的Q值；長(zhǎng)期容量，500kVA；短期（1h）容量，600kVA。
4） 可調(diào)高壓電抗器：額定電壓，800kV；額定電流，30A；2級(jí)電抗器，可串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行；安裝散熱片，自然冷卻，可長(zhǎng)期運(yùn)行。
5） 高壓濾波器/分壓器：額定電壓，800kV；電容，10nF。
6） 水終端：額定電壓800kV，1對(duì)；350kV，1對(duì)；局部放電均≤2pC。
系統(tǒng)在額定電壓800kV下，局部放電≤2pC。
額定電流系按最長(zhǎng)電纜試品的電容量確定。500kV XLPE電纜預(yù)鑒定試驗(yàn)，按2000mm2銅導(dǎo)體，電容約為200pF/m，同時(shí)進(jìn)行4個(gè)樣品試驗(yàn)。上述電流是參考導(dǎo)體截面2000mm2，如果試驗(yàn)時(shí)實(shí)際樣品截面小于2000mm2，則樣品數(shù)量還可增加到5個(gè)。對(duì)于220kV電纜，可以將設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行，同時(shí)試驗(yàn)8～10個(gè)樣品。
2.1.2 熱性能
高壓試驗(yàn)設(shè)備對(duì)于熱性能問(wèn)題，一般只設(shè)計(jì)成間歇運(yùn)行，不長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。而我們要進(jìn)行預(yù)鑒定試驗(yàn)，要求長(zhǎng)期運(yùn)行，這樣創(chuàng)造性地將試驗(yàn)變壓器的電性能，電力變壓器的熱性能結(jié)合在一起。對(duì)于高壓電抗器，有三種散熱方式。一種是將電抗器內(nèi)的油通過(guò)絕緣管抽出到熱交換器內(nèi)，再用水冷卻熱交換器；另一種是用電扇風(fēng)冷熱交換器；再一種是在電抗器上加裝散熱片，自然冷卻絕緣油。我們考慮到水冷和風(fēng)冷均需要將絕緣油從電抗器內(nèi)抽出來(lái)，薄弱環(huán)節(jié)多，還增加了運(yùn)行成本。特別是水冷，如果停水，設(shè)備就要停運(yùn)。這樣降低了設(shè)備運(yùn)行可靠性。加裝散熱片，采用自然冷卻，這是最佳方式。在自然冷卻方式中，具體做法有所不同。一種是電抗器油容積小，在底部加裝電動(dòng)攪拌器，攪拌軸需要軸封；另一種是電抗器采用增大油容積，不需攪拌，無(wú)疑運(yùn)行可靠性高。我們采用后者。
2.1.3 測(cè)量控制性能
控制部分是串聯(lián)諧振試驗(yàn)系統(tǒng)配套的計(jì)算機(jī)控制裝置，它負(fù)責(zé)控制并監(jiān)視試驗(yàn)系統(tǒng)的輸出電壓、電流及各種工作狀態(tài)，并設(shè)置了各種保護(hù)功能。控制部分操作簡(jiǎn)單、安全，精度高，自動(dòng)化程度高，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓、自動(dòng)調(diào)諧及定時(shí)通斷高壓輸出功能。自動(dòng)調(diào)壓功能可使試驗(yàn)系統(tǒng)輸出電壓的偏差，控制在±0.8％以內(nèi)。大大優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求的±3％偏差。可設(shè)定保護(hù)電壓，當(dāng)試驗(yàn)電壓超過(guò)設(shè)定的保護(hù)值時(shí)，控制部分會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)輸出電壓，以保護(hù)被試品不受過(guò)高電壓的侵害。
串聯(lián)諧振試驗(yàn)系統(tǒng)還由武高所特別要求設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)視器。監(jiān)視器是一套通過(guò)350m光纜同控制部分進(jìn)行通訊，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)視并可對(duì)報(bào)警進(jìn)行處理的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。采用光纜可將試驗(yàn)系統(tǒng)的強(qiáng)電與監(jiān)視器的弱電隔離開(kāi)來(lái)，試驗(yàn)系統(tǒng)的高電壓絕不會(huì)影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。監(jiān)視器運(yùn)用了先進(jìn)的遠(yuǎn)程通訊技術(shù)和良好的基于Windows98的人機(jī)界面，可以使使用者不在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)也可實(shí)時(shí)監(jiān)視試驗(yàn)情況，獲取試驗(yàn)電壓，電流值并可根據(jù)需要自動(dòng)將電壓、電流值儲(chǔ)存至EXCEL中，以備查詢或者作為正確試驗(yàn)的證據(jù)。當(dāng)控制部分報(bào)警時(shí)，監(jiān)視器可實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信息，啟動(dòng)報(bào)警器，并可通過(guò)模擬電話網(wǎng)將報(bào)警信息自動(dòng)撥電話通知有關(guān)人員。監(jiān)視器還提供了異地遠(yuǎn)程監(jiān)視功能，即通過(guò)電話線，一臺(tái)裝有遠(yuǎn)程監(jiān)視器客戶端軟件的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視功能。
可以說(shuō)，遠(yuǎn)程監(jiān)視器是一套簡(jiǎn)單易用，功能強(qiáng)大的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。對(duì)運(yùn)行管理者、客戶、監(jiān)督機(jī)構(gòu)、甚至制造商，均可通過(guò)電話線實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，也是試驗(yàn)狀況實(shí)時(shí)上因特網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)。
2.2 試驗(yàn)電壓引出到戶外場(chǎng)
由于預(yù)鑒定試驗(yàn)的高電壓設(shè)備系戶內(nèi)裝置，安裝在電纜屏蔽試驗(yàn)大廳內(nèi)，而預(yù)鑒定試驗(yàn)的電纜系統(tǒng)布置在戶外試驗(yàn)場(chǎng)，這就需要將高電壓從廳內(nèi)引出到戶外。
通常可用穿墻套管引出電壓，但其價(jià)格昂貴。采用電纜引出，其價(jià)格低廉。有充油電纜和交聯(lián)電纜兩種方案供選擇。考慮到充油電纜的絕緣油用量較大，且?guī)毫τ拖洌坏┕收希菀滓l(fā)火災(zāi)。而交聯(lián)電纜只在終端里有約60L硅油，量少且不易燃燒。最終確定采用交聯(lián)電纜引出電壓。220kV交聯(lián)電纜及兩個(gè)終端，由沈陽(yáng)古河電纜有限公司提供，該公司經(jīng)計(jì)算確認(rèn)，引出電纜在1.7Uo電壓下工作，具有15年的壽命。具體采用1000mm2銅導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣擠包皺紋鋁套聚氯乙烯護(hù)套電纜。長(zhǎng)度40m。兩端采用瓷套戶外終端。電壓引出到戶外場(chǎng)終端區(qū)，被試電纜系統(tǒng)并聯(lián)到引出終端上而獲得同一電壓。
假如萬(wàn)一引出電纜出現(xiàn)問(wèn)題，可臨時(shí)將試驗(yàn)電壓通過(guò)8m×8m大門(mén)引出到終端區(qū)，以供試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。這樣保證有充裕的時(shí)間來(lái)修復(fù)引出電纜。
3 電纜導(dǎo)體感應(yīng)加熱
3.1 加熱系統(tǒng)
電纜系統(tǒng)加熱采用導(dǎo)體感應(yīng)電流法。為了減小調(diào)壓器的容量，節(jié)約投資，將大部分穿心變壓器直接連到電源上供電，只有小部分穿心變壓器通過(guò)調(diào)壓器調(diào)壓。應(yīng)用多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的穿心變壓器，在電纜系統(tǒng)導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，由于電纜系統(tǒng)閉合成一圈回路，于是感應(yīng)電勢(shì)形成短路電流，該短路電流的平方與導(dǎo)體電阻的乘積，即形成電纜系統(tǒng)的加熱功率。調(diào)節(jié)調(diào)壓器的電壓大小，可改變短路電流，這樣可調(diào)節(jié)加熱功率，以使導(dǎo)體溫度控制在規(guī)定的(90～95)℃以內(nèi)。并聯(lián)運(yùn)行的穿心變壓器具體臺(tái)數(shù)，由導(dǎo)體截面積和回路面積大小決定。
T-調(diào)壓器；CT1…CTn-穿心變壓器；C-電纜系統(tǒng)。
穿心變壓器是導(dǎo)體感應(yīng)加熱的一種專用設(shè)備。它實(shí)際上只有初級(jí)線圈，被加熱的電纜導(dǎo)體作為它的次級(jí)線圈。這種變壓器由武高所自行設(shè)計(jì)成口字形鐵芯側(cè)面45°角斜開(kāi)口。側(cè)斜開(kāi)口這一創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，使電纜進(jìn)出方便，便于開(kāi)口鐵芯定位，并可隨時(shí)為電纜系統(tǒng)增加或減少變壓器；側(cè)斜開(kāi)口使鐵芯開(kāi)口處截面積最大，是正開(kāi)口處鐵芯面積的√2 倍，鐵芯合上后，即使有部分面積接觸不良，但開(kāi)口處鐵芯接觸面積不會(huì)小于鐵芯回路有效面積，可降低磁路磁阻。穿心變壓器額定容量為45kVA，初級(jí)輸入電壓為380V。初級(jí)設(shè)有兩個(gè)抽頭，一個(gè)抽頭可使一匝電纜開(kāi)口電壓達(dá)10V，另一抽頭可使一匝電纜開(kāi)口電壓達(dá)7.9V。這樣可方便地適應(yīng)于不同的電纜系統(tǒng)。
3.2 測(cè)量控制系統(tǒng)
電纜導(dǎo)體感應(yīng)加熱測(cè)控系統(tǒng)由自己研制。研究開(kāi)發(fā)出微機(jī)測(cè)溫記錄儀和加熱系統(tǒng)控制臺(tái)兩種儀器設(shè)備。微機(jī)測(cè)溫記錄儀，采用模塊化技術(shù)，光纖隔離高壓干擾技術(shù)。定時(shí)采集電纜護(hù)套溫度，環(huán)境溫度，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，測(cè)量結(jié)果可以采用表格輸出，也可以采用曲線輸出，使試驗(yàn)證據(jù)確鑿。控制臺(tái)有手動(dòng)和自動(dòng)控制兩部分。計(jì)算機(jī)控制采用模塊、PLC、專用傳感器技術(shù)。手動(dòng)控制的模擬表能與計(jì)算機(jī)界面上數(shù)字化表同時(shí)顯示。手動(dòng)、自動(dòng)的切換只需按一下按鈕。能將試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)內(nèi)。采用這些設(shè)計(jì)和技術(shù)，使控制可靠性大大提高。
電纜導(dǎo)體加熱溫度測(cè)量控制，采用控溫輔回路和主回路（預(yù)鑒定試驗(yàn)電纜系統(tǒng)），兩個(gè)回路電纜和最熱段敷設(shè)狀態(tài)完全一樣。加熱輔回路，測(cè)量導(dǎo)體溫度，控制輔回路電流，采用同樣的電流再去加熱主回路，達(dá)到控制被試電纜導(dǎo)體溫度的目的。具體做法是，在控制計(jì)算機(jī)里設(shè)置輔助回路導(dǎo)體溫度和加熱電流，用溫度傳感器測(cè)量導(dǎo)體溫度和護(hù)套溫度，同時(shí)用這個(gè)電流控制主回路加熱導(dǎo)體電流，并監(jiān)測(cè)護(hù)套溫度。當(dāng)輔回路導(dǎo)體溫度達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)，計(jì)算機(jī)控制調(diào)壓器穩(wěn)定電流，同時(shí)這個(gè)電流又去控制主回路調(diào)壓器恒定加熱電流，使主、輔回路加熱電流始終一樣同時(shí)升降。這樣實(shí)時(shí)保證主、輔回路導(dǎo)體溫度一致。
4 試驗(yàn)后的檢查
為期一年的熱循環(huán)電壓試驗(yàn)結(jié)束后，在已試電纜系統(tǒng)中對(duì)電纜取樣，進(jìn)行雷電沖擊電壓試驗(yàn)。電纜有效長(zhǎng)度最少30m，可在一段或者多段電纜上進(jìn)行。試驗(yàn)期間電纜導(dǎo)體溫度應(yīng)控制在(90～95)℃。作為一種代替，可以在整個(gè)試驗(yàn)回路上進(jìn)行該試驗(yàn)。
電纜樣品應(yīng)耐受10次正極性和10負(fù)極性沖擊電壓而沒(méi)有擊穿。施加的電壓值應(yīng)按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或者有關(guān)合同規(guī)定。應(yīng)記錄10次正極性和10次負(fù)極性波形和幅值。記錄的波形不能有截?cái)唷?br /> 用肉眼檢查由電纜和附件組成的電纜系統(tǒng)，應(yīng)無(wú)影響電纜線路安全運(yùn)行的跡象（如電老化、水份滲入、密封結(jié)構(gòu)處泄漏、腐蝕或有害的收縮）。
5 結(jié)束語(yǔ)
220kV及以上超高壓電纜系統(tǒng)的預(yù)鑒定試驗(yàn)，代替過(guò)去的掛網(wǎng)試運(yùn)行，克服試運(yùn)行考核不嚴(yán)和對(duì)電網(wǎng)的安全威脅，有效的保證電纜系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性和三十年壽命。
國(guó)家電力公司超高壓電纜實(shí)驗(yàn)室，新建的超高壓電纜成套試驗(yàn)裝置、電纜屏蔽試驗(yàn)大廳和預(yù)鑒定試驗(yàn)戶外場(chǎng)，采用當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)，能保證預(yù)鑒定試驗(yàn)的質(zhì)量。沈陽(yáng)古河電纜有限公司、青島漢纜集團(tuán)有限公司和杭州華新電力線纜有限公司，三家企業(yè)的220kV交聯(lián)電纜系統(tǒng)正在該實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)鑒定試驗(yàn)。試驗(yàn)從2001年4月18日開(kāi)始，預(yù)計(jì)2002年5月結(jié)束。