變頻諧振技術與ＸＬＰＥ電纜試驗

劉　劍　張忠魁

[摘要]通過對變頻技術的介紹，結合國內的應用及相關變頻諧振試驗裝置特點，闡述在實際操作中應注意并掌握的知識，充分發揮儀器的智能作用為XLPE電纜試驗服務，提高工作效率。

[關鍵詞]變頻諧振XLPE電纜試驗

中圖分類號：TM4文獻標識碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210038－01

一、引言

上世紀80年代至90年代中期，加拿大、德國、美國等先進國家制定了相應的交流耐壓試驗標準并推廣應用。從90年代末開始，我國的廣東、北京等地出臺了對XLPE電纜做交流試驗的暫行規定，隨著國標GB50150-2006《電氣安置安裝工程電氣設備交接試驗標準》及DL/T849.6－2004《電力設備專用測試儀器通用技術條件》的頒布實施，結合各省和地區制定的試驗規程，對XLPE電纜進行交流耐壓試驗已成為共識。

二、變頻諧振的主要用途及優越性

變頻諧振試驗主要用于對大容量的容性電力設備的現場交流耐壓試驗，如中低壓、高壓、超高壓的交聯聚乙烯(xLPE)電纜，全封閉組合電器(GIS)，發電機定子，大型變壓器和電力電容器等。

70年代末，國外電力部門發現了直流耐壓試驗對橡塑絕緣是無效的且具有危害性，所以，目前，國內已不推薦甚至禁用直流法做XLPE電纜試驗。因為XLPE電纜致命的一個弱點是絕緣內容易產生水樹枝，在直流電壓作用下會迅速變為電樹枝并形成放電，加速了絕緣劣化：而單純的水樹枝在交流工作電壓下還能保持相當的耐壓值并能保持一段時間。國內外的調查研究和實踐都表明，直流耐壓試驗不能有效發現交流電壓作用下的某些缺陷，如電纜附件內的機械損傷等。而采用超低頻(0.1Hz)交流試驗方法設備體積雖減小了，但也有其局限性。首先，目前國內產品均采用半電子半機械(大功率開關每5秒切換一次)方式來產生0.1Hz頻率，輸出波形無法達到等效性好的正弦方波：其次，試驗時間通常要求1小時(三相同做時為l小時，若發現有缺陷時再分相做，每相1小時)，工作效率是比較低的；同時，超低頻(0.1Hz)耐壓試驗只適用于中低壓、高壓XLPE電纜，無法滿足超高壓電纜主絕緣的試驗要求。

國際大電網會議(CIGRE)21－09工作組于1997年發表的《高壓擠包絕緣竣工驗收試驗導則》中指出：30－300Hz交流耐壓試驗與工頻耐壓的等效性良好，推薦用此方法進行電纜交流試驗并制定了試驗電壓標準。基于一些高校實驗室的理論和模擬試驗研究以及國外十幾年來采用變頻試驗的經驗，其等效性好，效率高，設備輕便，試品長度幾乎不受限制。IEC60840標準中推薦45－150kV電壓等級敷設后電纜試驗標準中增加了1.7U₀/5min或1υ₀/24h的交流試驗標準：IEC62067/CD草案中對220kV等級則只提出了交流試驗的要求，頻率為：20－300Hz。

三、變頻諧振的理論基礎及設備的組成

(一)諧振的理論基礎

諧振定義：電路輸入端電壓u與電流同相，稱為諧振。通常分串聯諧振(電壓諧振)和并聯諧振(電流諧振)。

諧振頻率：fO＝1/2π·1/√LC諧振角頻率：ω₀＝1/√LC

電路的品質因數：試品所獲得的容量與勵磁變壓器輸出容量之比。在串聯諧振回路可用試品上的電壓值與勵磁變壓器的輸出電壓之比代替，在并聯諧振回路可用試品的電流與勵磁變壓器輸出電流之比代替。即：

Q＝ω₀L/R＝1/R×L/√LC＝1/R√L/C

諧振時的電路特點：

1、阻抗最小：z＝RI₀＝υ/R

2、電壓一定時電流最大

3、電容兩端的電壓為電源電壓的Q倍：Uc＝Qu

4、源功率P＝UI＝υc/Q·I

可見諧振時源的激勵功率僅為C上電功率容量的1/Q，Q越大越好。

(二)串聯變頻諧振裝置的組成

串聯變頻諧振裝置是通過改變系統的電感量和試驗頻率，使回路處于諧振狀態。因為我們講的試驗主要考核試品的耐壓程度，故選用串聯諧振，亦稱電壓諧振。采用變頻諧振技術使試驗電源的容量降低，設備重量大大減輕，便于現場試驗。

變頻電源：頻率在30－300Hz連續可調的功率源。通常規格有5KVA、IOKVA、20KVA、50KVA……。

勵磁變壓器：用于給電感、電容諧振系統提供能量的變壓器，特點是變壓器的鐵芯特性能適用較寬頻率下的電壓響應，與變頻源配套使用。規格有：5KVA、IOKVA、20KVA、50KVA……。

諧振電抗器：用于同試品電容進行諧振，以獲得高電壓(或大電流)的電抗器。規格有：30H/20KV/2A 40H/40KV/3A……，一般配1－3個可根據需要串并組合。

電容分壓器：用于精確測量試品端所加電壓值。規格有：100KV、150KV……。

補償電容器：因大型變壓器及發電機電容量偏小，需補償以增大電容量(圖中虛線部分)保證諧振頻率在規程要求的范圍內，而做電纜試驗時不需要。

四、現場使用注意事項

(一)使用前的準備

1、了解XLPE電纜的電壓等級、長度和截面積，查閱該規格電纜電容量(uV/km)，計算總電容量。

2、依據電纜規格，查閱本地區規程要求的試驗電壓。

3、按諧振在較低頻率試驗電流小(I＝2 π f Cv)的原則，估算諧振頻率。電抗器串聯，電感量增大，耐壓值升高，適合做短電纜；反之，電抗器并聯電感量減小，耐壓不變，適合做長電纜。

4、按試驗裝置所配的電抗器數量(1－3個)及其電感量，估算：

5、估算試驗電流值，以判斷電抗器及勵磁變可否承受

I＝2πf CU＝6.28×64.156×1.85×10^-6×17.4×10³＝12.969A如果都能滿足，則試驗就可正常進行。

(二)串聯變頻諧振裝置

目前國內大部分廠家提供的設備技術上比較成熟，各種保護及數據存儲、打印等功能齊全。有采用菜單式操作大屏幕LCD顯示(西安福潤德公司)，也有數顯及指針表顯示，生產廠家一般提供自動／手動兩種操作方式供用戶使用。

接線方式通常有三種：1、大電容量試品接線，如電纜長＞3km；2、中小電容量試品試驗接線，如1km左右電纜；3、小電容量試品(如幾十米～幾百米電纜)或較高電壓試品試驗接線(如≥35kV電纜)。

五、結論

相對于傳統的工頻和調感式諧振(50Hz)試驗方法，變頻諧振技術在XLPE電纜試驗中的應用才剛起步，借鑒國外成功的經驗和國內專家們的統一認識，相信它的應用前景非常廣闊。