220kV XLPE电缆系统的预鉴定(PQ)试验.doc

中国高压输变电技术研讨会论文220kV XLPE电缆系统的预鉴定(PQ)试验武汉高压研究所 杨黎明 杨荣凯 罗俊华摘要：本文介绍了超高压电缆最新试验方法和要求“XLPE电缆系统的预鉴定(PQ)试验”的主要内容和重要意义。介绍了已完成的国内220kV XLPE电缆系统的预鉴定(PQ)试验研究情况，包括试品敷设安装、试验设备仪器、试验研究结果和分析，并给出了相应的结论。关键词：超高压电缆系统 预鉴定(PQ)试验 入网资格0 概述国内220kV500kV超高压电缆均采用立塔生产，已投产12座立塔中有11座立塔已研制出220kV电缆，其中有5座具备生产500kV电缆的条件，这5座立塔中已有河北宝丰电缆集团公司试制出500kV电缆，并于2002年10月在武高所通过了电缆的型式试验。生产超高压电缆的立塔交联线均为进口生产线，有的立塔上已装备两条生产线。超高压交联电缆已有正式的国际标准，IEC 62067:2001额定电压150kV（Um=170kV）以上至500kV（Um=550kV）挤出绝缘电力电缆及附件 试验方法和要求。我国220kV交联电缆相应的国标GB/Z18890-2002也已于2002-11-25发布，2003年6月正式实施。220kV500kV超高压电缆的IEC标准和我国国标与其它电压等级的相应标准比较，最大的不同在于，超高压交联电缆系统型式试验通过以后，要进行一年的预鉴定(PQ)试验，合格后才能进入电网使用。由于电网将大量采用超高压电缆输电，为确保进入电网的超高压电缆的安全可靠性，原国家电力公司投巨资在武高所建成了超高压电缆实验室，实验室完全能按IEC标准和我国国标进行超高压交联电缆及附件的一系列试验，包括出厂试验、抽样试验、型式试验、预鉴定试验以及相应的研究性试验。该实验室的试验仪器设备全部由计算机测量控制，进口世界上最先进的成套设备。已进行大量国内外的要进入中国电网运行的超高压交联电缆及附件的试验。特别在超高压电缆系统预鉴定试验方面，已完成沈阳古河、杭州华新、青岛汉缆、宝胜Pirelli和广州岭南五家公司220kV电缆系统的预鉴定(PQ)试验；另两家公司宝丰和永兴220kV电缆系统的预鉴定(PQ)正在进行之中。1 预鉴定试验的意义和内容预鉴定试验是在批量提供一种型号的超高压电缆及附件之前，为了验证完整的电缆系统具有满意的长期可靠性能而进行的试验。150kV以上至500kV电缆及附件在CIGRE文献中被认为是属于超高压范围。超高压挤包绝缘电缆及附件是电网中极重要组成部分，因此其可靠性是首先要考虑的重大课题；与110kV电缆及附件相比，它们的工作场强很高，故安全裕度较小；它们的绝缘厚度较厚，热机械效应较严重；随着电压的增高，电缆本体与附件的设计以及安装配合，变得更为困难。为了考核超高压电缆系统的长期可靠性，CIGRE提出增加预鉴定试验1，即长期加速老化试验，并得到IEC 62067:2001标准2的确认采用。根据IEC 62067:2001标准和中国国家标准化指导性技术文件GB/Z 188902002 额定电压220kV(Um=252kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件3，供商业运行的电缆及附件，布置成能代表安装设计条件，如直埋和空气中敷设，刚性固定，挠性固定及两者之间转换的布置。试验布置完成后，按顺序进行：热循环电压试验；电缆样品或电缆系统的雷电冲击电压试验；最后对电缆系统进行检查。热循环应采用导体电流加热被试回路，直到电缆导体温度达到9095。试验期间由于环境温度的变化需要调节导体电流。所选的加热的方式应使远离附件处的电缆导体温度达到上述规定。加热时间应至少8h。每个加热期内导体温度应维持在规定的温度范围内至少2h。接着是至少16h的自然冷却。在整个8760h的试验时间内应对被试回路施加1.7U0电压和热循环。加热和冷却循环应进行至少180次。试验期间电缆系统不能发生击穿。一年的热循环电压试验结束后，还要对从电缆系统上取下电缆试样在热态进行雷电冲击电压试验，也可直接在电缆系统上进行。电缆试样或者电缆系统应耐受1050kV正负极性各10次雷电冲击电压而不发生击穿。最后，还要采用肉眼检查电缆系统，应无可能影响电缆系统正常运行的劣化迹象。2 试验样品由电缆及附件组成被试电缆系统。电缆结构断面见图2-1。由于制样切割及拍摄原因，图2-1中电缆断面有可能变形。图2-1 电缆断面实际照片附件安装后的照片参见图2-2，图2-3，图2-4，图2-5。 图2-2 安装后的户外终端照片 图2-3 安装后的组合预制橡胶绝缘件接头图2-4 安装后的整体预制橡胶绝缘件接头照片 图2-5 安装后的GIS终端照片3 电缆系统敷设安装预鉴定试验的样品与实际工程使用的产品完全一样。敷设安装由制造厂负责完成。电缆系统敷设安装在国家电网公司重点实验室电力电缆实验室预鉴定试验户外场内，完全满足标准要求并符合电力工程实际状况。试验回路如图3-1所示。试验电缆的长度约140m，包括户外终端、组合预制橡胶绝缘件接头、整体预制橡胶绝缘件接头和GIS终端的长度。辅助测控温电缆回路长度约30m。电缆总长度约170m。预鉴定试验电缆系统在空气中敷设部分，其中设有终端区、阳光照射段、加热区、隧道敷设段；直接埋地部分，其中设有穿管敷设、直接埋地敷设、并且还设有按电力部门要求弯曲半径的弯曲敷设等等。空气中阳光照射段、穿管、直接埋地敷设段长度，均不小于10m。隧道敷设段长度，则不小于15m，在隧道内还设有垂直蛇形敷设，波长6m，波幅0.26m。弯曲敷设的弯曲部分弧度大于/2，其弯曲半径为15D，D为电缆的实测平均外径。实际弯曲半径为1.96m。直埋和电缆导管埋入地下深度约1m。电缆导管采用PVC管，内径为200mm。户外终端底座离地距离2.3m。接头安装在模拟隧道内，GIS终端并排垂直安装于地面以上。终端下的电缆和接头两端的电缆均刚性固定在支架上，垂直蛇形敷设采用挠性固定。典型的敷设如隧道内垂直蛇形敷设见图32。电缆系统接地与实际电缆线路一致，每一段采取一端接地。对于绝缘接头，采取一端接地的方式，可使绝缘环两侧的感应电压最高。所有接地均使用接地线连到一起，并与高压设备的接地相连。参见图33。当电缆所处环境不同时，均在外护套上表面设置一个测温点。在地下部分电缆，每一测温点设置2个探头，其中1个作为保险备用。在测温电缆的导体上设置2个测温点，供监控加热负载电流用。测温点布置及编号见图34。图32 隧道内垂直蛇形敷设图3-1 电缆系统敷设安装示意图4 试验仪器设备4.1 工频串联谐振试验系统根据被试电缆系统具有大电容的特点，采用工频串联谐振试验系统产生试验电压，即由被试电缆系统和与之串联的可调电感以及馈电电源组成，调整电感值就可在电源频率下产生谐振，从而在电容试品上得到所需的试验电压。其原理图参见图4-1，图中Ui为输入电压；L为可调电抗器；R为回路电阻；Cx为被试电缆系统的电容；Q为品质因数；Uo为输出电压。图4-1 工频串联谐振原理图从使用的角度来看，串联谐振试验系统有四大优点。a. 波形好。由于在工频50Hz下谐振，将其放大Q倍，其它频率并不谐振，也不放大，故谐波小，试验电压波形好；b. 无过电压。如几个试品并联同时试验，某一被试品击穿后，试验系统立即失谐，其它试品上不会产生过电压而遭击穿；c. 击穿通道小。试品一旦击穿，试验系统短路接地，由于调谐电感阻抗大，故击穿回路电流小，击穿通道烧损小，便于研究分析；d. 耗电少。由于系统处于谐振运行，无功功率自行全补偿，功率因数为1，电源只供给有功电流，所以，试验系统能耗最少。4.1.1 系统的组成无晕工频串联谐振试验系统包括隔离变压器、调压器、低压滤波器、励磁变压器、高压电抗器、高压滤波器耦合电容器/分压器、控制台、局放仪、标准电容器及配套的水终端水处理。系统在额定电压800kV下，要求的局部放电2pC。系统验收实际测量，空载806kV下，局部放电0.12pC。额定电流系按最长电缆试品的电容量确定。500kV XLPE电缆预鉴定试验，按2000mm2铜导体，电容约为200pF/m，同时进行4个样品试验。上述电流是参考导体截面2000mm2，如果试验时实际样品截面小于2000mm2，则样品数量还可增加到5个。对于220kV电缆，可以将设备并联运行，同时试验810个样品。4.1.2 热性能高压试验设备对于热性能问题，一般只设计成间歇运行。进行预鉴定试验，要求长期运行，这样创造性地将试验变压器的电性能，电力变压器的热性能结合在一起，可保证长期连续运行。对于高压电抗器，有三种散热方式。在电抗器上加装散热片，自然冷却绝缘油，这是最佳方式。800kV30A工频串联谐振试验系统照片见图4-2。图4-2 瑞士Haefely公司800kV30A 图4-4 瑞士Haefely公司工频串联谐振试验系统 4000kV300kJ冲击电压发生器4.1.3 测量控制性能控制部分是串联谐振试验系统配套的计算机控制装置，它负责控制并监视试验系统的输出电压、电流及各种工作状态，并设置了各种保护功能。控制部分操作简单、安全，精度高，自动化程度高，可以实现自动调压、自动调谐及定时断开高压输出功能。自动调压功能可使试验系统输出电压的偏差，控制在设定值的0.8以内，优于标准要求的3偏差。还可设定保护电压，当试验电压超过设定的保护值时，控制部分会自动断开输出电压，以保护被试品不受过高电压的侵害。标准要求电压测量系统的总不确定度应在3范围内，实际检定结果为1以内。串联谐振试验系统还应武高所特别要求设计了远程监视器。监视器是一套通过350m光缆同控制部分进行通讯，对试验进行监视并可对报警进行处理的远程监视系统。采用光缆可将试验系统的强电与监视器的弱电隔离开来，试验系统的高电压绝不会影响计算机系统。监视器运用了先进的远程通讯技术和良好的基于Windows98的人机界面，可以使使用者不在现场时也可实时监视试验情况，获取试验电压，电流值并可根据需要自动将电压、电流值储存至EXCEL中，以备查询或者作为正确试验的证据。当控制部分报警时，监视器可实时显示报警信息，启动报警器，并可通过模拟电话网将报警信息自动拨电话通知有关人员。监视器还提供了异地远程监视功能，即通过电话线，一台装有远程监视器客户端软件的远程计算机即可实现远程监视功能。可以说，远程监视器是一套简单易用，功能强大的远程监视系统。对运行管理者、客户、监督机构、甚至制造商，均可通过电话线实现点对点的远程监测，也是试验状况实时上因特网的技术基础。4.2 加热电流的获得及温度测量控制4.2.1 加热系统电缆系统加热采用导体感应电流法，其原理图见图4-3。穿心变压器通过调压器调压，应用多台并联运行的穿心变压器，在电缆系统导体上产生感应电势，由于电缆系统闭合成一圈回路，于是感应电势形成短路电流，该短路电流的平方与导体电阻的乘积，即形成电缆系统的加热功率。调节调压器的电压大小，可改变短路电流，这样可调节加热功率，以使导体温度控制在规定的9095以内。并联运行的穿心变压器具体台数，由导体截面积和回路感抗大小决定。图4-3 电缆导体感应加热原理图T调压器；CT1CTn穿心变压器；C电缆系统。穿心变压器是导体感应电流加热的一种专用设备。这种变压器由武高所自行设计成口字形铁芯侧面45角斜开口。侧斜开口这一创造性设计，使电缆进出方便，便于开口铁芯定位，并可随时为电缆系统增加或减少变压器；侧斜开口使铁芯开口处截面积最大，是正开口处铁芯面积的1.4倍，铁芯合上后，即使有部分面积接触不良，但开口处铁芯接触面积不会小于铁芯回路有效面积，可降低磁路磁阻。穿心变压器额定容量为47.5kVA，初级输入电压为0380V。初级设有两个抽头，这样可方便地适应于不同的电缆系统。4.2.2 测量控制系统电缆导体感应加热测控系统由武高所自己研制。研究开发出微机测温记录仪和加热系统控制台两种仪器设备。微机测温记录仪，采用模块化技术，光纤隔离高压干扰技术。定时采集电缆外护套温度，环境温度，并存储在计算机内，测量结果可以采用表格输出，也可以采用曲线输出，使试验证据确凿。测控系统还设有过温过流等保护，可保证试品免遭过热损坏。控制台有手动和自动控制两部分。计算机控制采用模块、PLC、专用传感器技术。手动控制的模拟表能与计算机界面上数字化表同时显示。手动、自动的切换只需按一下按钮。能将试验数据存储到计算机内。采用这些设计和技术，使控制可靠性大大提高。4.2.3 温度测量传感器及安装对于空气中的电缆外护套和中间接头等上部表面，直接将经过特殊处理的传感器固定其上即可，穿管内则在相应的位置开一定尺寸的天窗，安装完毕后再将天窗还原并固定。导体温度则采用特殊设计的细杆状传感器，使用专用的固定装置将传感器弹性固定在电缆导体上，可以有效地抵消绝缘热胀冷缩产生的影响。由于被试电缆样品在试验过程中有击穿的可能，为了保护测量系统，所有温度信号在由现场进入控制室之前，都经过光纤隔离，既消除了电磁干扰，又保证了设备安全。所有的传感器在安装之前，都按照温度测量仪器的使用要求，在现场进行了温度比对工作（包括整套数据采集系统和数据传输线路），比对的结果表明，所有测温点的测量精度（修正后）均在1范围内。4.2.4 电缆系统导体温度控制测量电缆导体加热温度测量控制，采用测温电缆回路（辅回路）和被试电缆系统回路（主回路），参见图3-1，两个回路电缆和最热段敷设状态完全一样。加热辅回路，测量导体温度，控制辅回路电流，采用同样的电流再去加热主回路，达到控制被试电缆导体温度的目的。具体做法是，在控制计算机里设置辅回路导体温度和加热电流，用温度传感器测量导体温度和外护套温度，同时用这个电流控制主回路加热导体电流，并监测外护套温度。当辅回路导体温度达到试验要求时，计算机控制调压器稳定电流，同时这个电流又去控制主回路调压器恒定加热电流，使主、辅回路加热电流始终一样同时升降。这样实时保证主、辅回路导体温度一致。4.3 雷电冲击电压的产生采用武高所计量大厅的瑞士Haefely公司制造的4000kV300kJ冲击电压发生器。为了适应电缆系统电容量大的特点，将冲击电压发生器内部接线改为先并联再串联的方式运行，这样提高了主电容的容量。冲击分压器和测量仪表，以及控制系统均为Haefely成套仪器。在正式试验之前采用50%试验电压带试品调整波形参数和测量幅值，测量装置均在靠近试品端。冲击电压发生器见图4-4。5 试验数据和结果以沈阳古河电缆有限公司预鉴定试验为例。在预鉴定试验之前，沈阳古河电缆有限公司的YJLW02-127/220 11000电缆及配套的户外终端，绝缘接头和GIS终端组成电缆系统，已经在武汉高压研究所电力电缆实验室于1999年4月通过了型式试验。型式试验完成后，没有立即进行预鉴定试验的原因，是国家电力公司在武高所投资修建用于预鉴定试验的设备和场地还没有建设完毕。武高所的专用实验室建设成功，通过国电公司验收和中国实验室认可委员会审查认可后，沈古公司即开始安装预鉴定试品。被试电缆系统安装完成后，经过四星期电压设备，加热设备与电缆系统的调试检查，并经武高所组织专家审查认可，于2001年4月18日上午9时正式开始预鉴定试验。预鉴定试验的项目和顺序如下：a) 热循环电压试验；b)电缆样品或电缆系统的雷电冲击电压试验；c)上述试验完成后电缆系统的检查。5.1 热循环电压试验5.1.1 电压电缆系统经受热循环电压试验，总耗时382d，超出试验要求365d的原因，是要扣除各种原因的停电时间。典型施加电压的曲线见图5-1。标准要求施加1.7U03kV电压8760h，实际施加2160.8kV电压8900h。图5-1 典型施加电压的曲线（2001年7月）5.1.2 热循环标准要求被试电缆系统热循环至少180次。为了保证充分加热和冷却电缆系统，尽量冷却到环境温度，以使电缆系统的热膨胀量最大；同时也为了保证在最热月和最冷月均可使电缆系统带上负荷。采取均匀将加热周期分布在一年之中。连续3个周期导体温度，电流与时间的曲线见图5-2。图5-2 连续3个周期导体温度，电流与时间的曲线最热时（2001年7月30日至31日）导体、外护套温度与时间曲线见图5-3。图5-3 最热月典型的导体、外护套温度与时间曲线最冷时（2001年12月25日至26日）导体、外护套温度与时间曲线见图5-4。图5-4 最冷月典型的导体、外护套温度与时间曲线外护套温度随电缆长度分布（最热7月30日14：00和最冷12月25日16：00）见图5-5。图5-5 外护套温度随电缆长度分布（最热月和最冷月）5.2 雷电冲击电压试验电缆系统一年的热循环电压试验结束后，标准要求从电缆系统取样在试验室内进行雷电冲击电压试验，作为一种替代，试验可以在整个电缆系统上进行。根据各电力公司要求，为了使试验更符合运行情况，我们选择在整个电缆系统上热态进行雷电冲击电压试验。雷电冲击电压波形参数，标准要求为15s /4060s，实际带负载调整为，波头时间4.5s，波尾时间46.9s。实际施加的雷电冲击电压峰值（1050kV允许3偏差），kV正极性1056105610561056105610581058105710561057负极性1041104210411042104310431044105010491049电缆系统无击穿无闪络。5.3 电缆系统的检查用肉眼检查电缆系统中的电