交联聚乙烯绝缘中压电力电缆长期老化与抗水树试验系统的设计与应用

交联聚乙烯绝缘中压电力电缆长期老化与抗水树试验系统的设计与应用

戴京生华颖

江苏省产品质量监督检验研究院

摘要：根据南非SANS6284-5：2014标准设计制造了一套用于“交联聚乙烯绝缘中压电力电缆”长期老化与抗水树试验的装置，实现了可快速维护的大容量恒温水浴，以及高功率因素的中频并联谐振系统，在多年的使用中得到了良好实际应用。

关键字：长期老化、中压中频并联谐振。

0引言

交联聚乙烯绝缘电力电缆目前在电网系统中大量应用，其中中压电力电缆由于往往不带有完整的阻水结构，其绝缘会受到自然环境中的水分侵蚀，逐渐形成水树，水树逐渐生长，最终贯穿整个绝缘层，引发击穿，导致电缆系统寿命的提前中止。所以中压电力电缆的抗水树性能测试是一项非常重要的试验，本文将会介绍根据南非SANS6284-5：2014标准要求设计制造的一套用于“交联聚乙烯绝缘中压电力电缆”长期老化与抗水树试验的系统，以及该套系统在实际使用中的应用情况。

1标准要求的试验方法及要求

标准SANS6284-5:2007Part5：AgeingTest中要求的水树长期老化试验，主要是针对6.35/11kVXLPE绝缘电力电缆，进行一个完整试验需要140~180m长被试样品。被试样品成圈整体放入恒温水浴池，开始三个阶段的试验。

阶段一：保持样品浸没于50℃恒温水浴中，持续1000小时。

阶段二：结束恒温水浴，待水温冷却至室温后，开展长期电压老化试验，试验电压为18kV。长期电压老化试验可选择50Hz工频，试验周期为2年，或选择500Hz中频，试验周期为3000小时。

阶段三：对完成阶段一、阶段二的被试样品，以每段长约12m分段共计12根，进行逐级击穿试验，初始电压3U0，每级增加1U0，直至击穿。

对于上述试验过程，其主要的技术难点为：

1）如何对至少3t水量均匀加热，且确保恒温水浴出现问题是可以快速维护并恢复。

2）中频长期耐压阶段，如何提高纯电容负载情况下的功率因素。

2试验系统设计

试验系统包含了工频、中频电压老化回路、恒温水浴等部分，系统结构如下图1：

图1系统结构框图

2.1恒温水浴设计

为了满足恒温水浴均匀加热及易维护的特点，恒温水浴设计成分体式水循环式结构，具有独立的水浴水箱及加热水罐，使用循环水泵连接，结构如下图2：

图2：循环式恒温水浴系统

该套系统还匹配有用于固定电缆样品的中心支架及龙门式样品端头固定支架，用于样品的固定和端头的引出。

该套系统的主要特点是使用了循环水泵强制循环，循环水从下方进入加热水罐，由上部进入水浴水箱；且加热水罐可快速拆除，一旦出现了加热故障，仅需关闭维修阀更换加热水罐即可快速恢复试验。

2.2长期电压老化系统设计

长期电压老化系统分为了两个独立回路，分别是50Hz工频回路及500Hz中频回路。

对于中频试验回路，其主要具有中频逆变器、励磁升压变压器、中频谐振电抗器以及电压采样等组件。

1）中频逆变器使用三相380V输入，进行AC-DC-AC转换后输出单相500Hz中频正弦波，波形失真小于2%，频率波动小于0.01%，电压0~400V可调输出，最大输出容量20kVA。

2）励磁升压变压器。最高可将400V升压至25kV，总容量20kVA向负载供电。

3）中频谐振电抗器与被试样品并联，进行无功补偿，且该电抗器电感量可调，进行准确匹配被试样品电容量的补偿。

4）电压采样组件完成试验电压的采样。

由于被试电缆样品是纯容性负载，在使用中频电压进行长期老化时，考虑到功率因素过低、电源变压器及逆变器总容量，必须进行无功补偿，具体方法为在回路中加入可调补偿电抗器。

用于无功补偿的可调电抗器具有串联和并联两种使用方式，考虑到标准要求的长期老化电压为3U0约为18kV，并不是很高，且长期老化过程中具有很高的电压稳定性要求，所以显然采用并联补偿方式更合适。并联补偿的方式需要电抗器可调范围准确适应被试样品的电容量范围，需要准确的设计，主要是电感量可调范围及最大容量的设计。根据公式1、公式2，其中L为电感值，单位为亨利（H）；C为线芯导体对金属屏蔽电容量，单位为法兰（F）。f为频率，单位为赫兹（Hz）。

这两个公式用于展示电感、电容在不同频率时的谐振关系，在此用于计算我们所需的最大电感值。

根据公式，需要使用最小电容量来计算最大所需电感值，所以取95mm2线芯电容值0.32进行计算，140m线芯电容约为0.0448。在500Hz中频情况下理论计算电感值应为2.27H，考虑工程裕量中频电抗器最大电感值设计为5H。

根据公式3、公式4可以计算谐振电抗器的最大容量。XC为容抗，单位为欧姆（Ω）；Q为无功功率，单位乏（Var）；U为施加的电压，单位伏特（V）。

根据公式，需要使用最大电容量来计算谐振电抗器最大容量，所以取400mm2线芯电容值0.55进行计算。140m线芯电容约为0.077，考虑到设备设计为最大可同时进行两组老化，则最大电容为0.154，则谐振电抗器最大容量在中频情况下为278.54kVA，给予工程裕量，中频并联谐振电抗器设计容量为450kVA。

对于工频试验回路，其主要具有工频接触式调压器、励磁升压变压器、电压采样等组件。

1）工频接触式调压器单相380V输入，电压0~380V可调输出，最大输出容量50kVA。

2）励磁升压变压器。最高可将400V升压至25kV，总容量50kVA向负载供电。

3）电压采样组件完成试验电压的采样。

参见上文针对中频回路的无功补偿计算，虽然工频回路依然存在纯电容负载的问题，但是工频回路的无功功率仅为中频回路的1/10，而制造50kVA调压器及励磁变压器的成本远低于添加一台可调补偿电抗器，并且试验中产生的是容性无功，在供配电需要容性补偿且能够自动投切的情况下，工频试验回路能够起到对整个供电小系统的补偿效果，故工频回路没有布置补偿电抗器。

2.3控制系统的设计

控制系统使用上位机集中操作及数据显示，使用PLC作为下位机进行控制执行。

恒温水浴部分需要进行控制的主要是加热水罐的恒温、水位信息、水循环状态。目前使用温控仪器及自动补水机制可以便捷可靠地实现水浴恒温。而在上部循环水管处需要设置流量传感器，若循环流量不正常需要报警进行检修。

中频谐振电抗器的调谐过程是中频回路的控制重点，需要能够在上位机看到谐振点目前的情况，超前或滞后。由于中频逆变器容量、励磁变容量的限制，必须做好升压与调谐的连锁，即当功率因素过低时，不得进行升压，以免前级过载造成损坏。

整个老化是一个长期的过程，试验数据如温度、电压、电流信息等需要被记录并能够生产数据列表和相应的图谱。考虑到设备集控的需求，系统预留以太网，具备远程联网查询老化状态的功能。

3系统应用情况

在本套“交联聚乙烯绝缘中压电力电缆长期老化与抗水树试验系统”建设完成后，在三年多的使用中，已进行多批次的试验，由于试验周期的原因，主要开展的是中频老化方案。

在温水老化阶段内，对水浴箱内进行了水温测量，水温均匀性能够保持在±1℃的范围内，效果优良。而进行准确的调谐操作后，整个中频回路功率因素能够被保持在0.95以上，在老化周期内中频逆变器及励磁变实际输出仅为1kW左右，同时补偿电抗器由于在设计时给予了100%工程裕量，实际运行时油温升高不超过40K，散热器表面温度不超过70℃，长期运行稳定性良好。

最后需要说明的是，由于试验具有50℃水浴老化过程，试验用水蒸发量较大，需要注意试验室通风换气，以避免潮湿的环境对高压设备绝缘体造成伤害。同时需要对试验系统进行定期维护，确保高压组件绝缘性能。