串聯變頻諧振補償法在35KV長電纜交流耐壓試驗中的應用

駱慧

近年來，隨著科學技術的發展，電力設備絕緣材料性能的不斷提高，在電力系統大量采用高壓交聯聚乙烯電纜作為傳送電能的主要材料。隨著電纜的絕緣等級越來越高，其耐壓試驗就顯得尤為重要，在生產現場采用傳統直流耐壓試驗方法檢測電纜頭制作及電纜絕緣抗電強度的試驗，很難發現潛在性缺陷和局部缺陷及絕緣受潮等缺陷，而且試驗數據分析難、不好判斷、運行周期短，也對電力安全生產造成極大危害。但是，工頻交流耐壓需要的試驗設備容量大、體積大、提供的電源容量大，重量動輒好幾噸，因此不適合在現場使用。而使用變頻諧振技術可以解決這類問題，該文在實踐中進行分析與探討。

交流耐壓試驗；串聯變頻諧振補償法；交聯聚乙烯電纜

甘肅省敦煌市35KV光伏發電廠5條長度約800~1500米橡塑電纜需要進行投運前的交接耐壓試驗。由于電纜比較長，需要充分計算電纜容量，選擇合理的試驗設備。現場竣工交接試驗的目的是檢驗電纜的質量、電纜附件的質量以及電纜敷設和安裝是否正確，電纜在運輸、搬運、存放、敷設和回填過程中是否有受到意外損害。因此，投運前對交聯電纜進行耐壓試驗是十分必要的。

1.串聯諧振耐壓試驗及其設備

在現場耐壓試驗中，當被試品的試驗電壓較高或電容值較大，試驗變壓器的額定電壓或容量不能滿足要求時，可采用串聯諧振設備進行耐壓試驗。

串聯諧振試驗裝置具有試驗設備體積小，試驗電源電壓低、功率小（僅需提供試驗回路中的有功功率），試驗電壓波形好的特點。因此，串聯諧振廣泛應用于現場橡塑電纜，氣體絕緣組合電器（GIS），大型發電機組，大型電力變壓器，耦合電容器等高電壓，大容量電力設備的交流耐壓、感應耐壓、局部放電等試驗。

優點：變頻串聯諧振是諧振式電流濾波電路，能改善電源波形畸變，獲得較好的正弦電壓波形，有效防止諧波峰值對被試品的誤擊穿。變頻串聯諧振工作在諧振狀態，當被試品的絕緣點被擊穿時，電流立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗電流的數十分之一。發生閃絡擊穿時，因失去諧振條件，除短路電流立即下降外，高電壓也立即消失，電弧即可熄滅。其恢復電壓的再建立過程長，很容易在再次達到閃絡電壓斷開電源，所以適用于高電壓、大容量的電力設備的絕緣耐壓試驗。

原理：利用勵磁變壓器激發串聯諧振回路，通過調節電感或改變電源的輸出頻率，使回路中的感抗和容抗相等，回路呈諧振狀態，回路中無功趨于零。

此時回路電流最大，即：Im=U/√R2+(XLXC)2=U/R

式中：Im——諧振時回路最大電流，A；R——回路等效電阻（一般主要為電抗器的內阻），；U——勵磁變壓器高壓側的輸出電壓，V；XL——回路中的感抗，；XC——回路中的容抗，。

串聯諧振分為調感式和調頻式兩種。

調感式串聯諧振：調感式串聯諧振采用鐵芯氣隙可調節的高壓串聯電抗器，由于被試品的電容量是一定的，通過調節電感使回路發生工頻串聯諧振。諧振時，回路呈純阻性，回路電流等于勵磁電壓U除以回路的等效電阻R，此時回路電流最大，電感和電容兩端的電壓為：U0=Im(1/CX)=Im（L）=(U/R)l

式中：U0——諧振時被試品的兩端的電壓，V；L——可調電抗器電感，H；CX——被試品電容量，F；——角頻率。Im，U,R同前式。原理圖：

圖中：T—勵磁變壓器；L—可調電感；CX—被試品；U—勵磁電壓；R—回路等效電阻；U0—諧振時被試品兩端電壓。

電路諧振后電感或電容兩端的電壓U0等于Q倍的勵磁電壓U。

即U0=QUQ——回路品質因數

調感式諧振時，Q一般可達40~80，其計算式為：Q=100L/R;

諧振時串聯電抗器的電感計算式為：L=1/（100）2C

由于此方法較難控制調節，現場不常采用，應用性不佳，所以這里我們不做過多的闡述討論。

變頻（調頻）式串聯諧振：運用串聯諧振原理，采用調頻調壓方式，當交流電壓的頻率改變時，電路中的感抗、容抗隨之而改變，電路中的電流也隨之改變，通過調節電源的頻率使感抗等于容抗，電路發生串聯諧振，回路中的無功幾乎為零。此時，電流最大，且與輸入電壓同相位，使電感或電容兩端獲得一個高于勵磁電壓Q倍的電壓。

變頻式諧振時，Q一般可達50~150，則：Q=L/R=UL/U=UC/U

UL——諧振時電感兩端電壓，V；UC——諧振時電容兩端電壓，V。原理圖：

圖中：FC—變頻電源；T—勵磁變壓器；L—電感；R—回路等效電阻；CX—被試品；U—勵磁電壓；U0—諧振時被試品兩端電壓。

●諧振頻率計算：根據電感和電容計算頻率，計算式為：f0=(1/2√LC)?03。式中：f0——諧振頻率，Hz；L——電抗器電感量，H；C——被試品和分壓器電容，F。

●電感和電容中的電流計算：串聯諧振電路中流過電感的電流等于流過電容的電流，電流計算式為：IC=IL=CXU?0-3。式中：IC、IL——流過電感和電容的電流，A。

串聯諧振系統的主要特點：適用范圍廣，體積小、質量輕，試驗容量大、試驗電壓高。安全可靠性高，操作簡潔方便，試驗等效性好。串聯諧振裝置對高次諧波分量回路阻抗很大，所以試品上的電壓波形好；同時若在耐壓試驗過程中發生閃絡、擊穿、因失去了諧振條件，高電壓立即消失，從而使電弧立即熄滅。恢復電壓建立過程較長，很容易在再次達到閃絡電壓之前控制電源跳閘，避免重復擊穿，恢復電壓并不產生任何過沖所引起的過電壓。根據當前被試品，我們確定選擇變頻（調頻）式串聯諧振方法來進行交聯聚乙烯高壓電纜的交流耐壓試驗。

現有試驗設備：

型號：HVFS-6型/100KV（5KVA）調頻式串聯諧振試驗裝置；生產廠家：長沙海沃科技有限公司。額定容量：5KVA，最高試驗電壓：100KV；電抗器：電壓27KV/節，電流1.0A/節，電感130H/節，工作頻率30—300HZ；共4節。

型號：HDSR-F100/104KV（5KVA）串聯諧振試驗裝置；生產廠家：蘇州華電。額定容量：5KVA，最高試驗電壓：104KV；電抗器：電壓26KV/節，電流1.0A/節，電感129.3H/節,工作頻率30—300HZ；允許運行時間：5min，共4節。

以當前被試品：1500m長35KV橡塑電纜，電纜型號：ZR-YJV22-26/35KV，導體截面積95mm2為例，按照《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》規定，橡塑電纜采用20~300Hz交流耐壓試驗，根據型號和電壓等級可得電纜試驗電壓為2U0，試驗時間為60min。

經計算得知，很明顯，以上任何一套試驗設備均無法滿足該試驗要求，因此我們大膽嘗試將兩套試驗設備混合使用，也就是使用串聯變頻諧振并聯補償法進行試驗分析。

2.運用串聯變頻諧振并聯補償法的計算分析

根據當前被試品，我們確定選擇變頻（調頻）式串聯諧振方法來進行交聯聚乙烯高壓電纜的交流耐壓試驗。變頻式串聯諧振試驗接線：如下圖所示：

圖中：FC—變頻電源；T—勵磁變壓器；L—諧振電抗器；CX—被試品；C1,C2—電容分壓器高、低壓臂電容。

試驗參數計算如下：

交聯電纜等效電容量參數數據得：ZR-YJV22-26/35KV，導體截面積95mm2的電纜的電容值為0.135f/km。則：電纜電容量為：CX=1.5?.135=0.2025（f），US=2U0=2?6=52（KV），f0=(1/2√LCX)?03。

推出，L=〔1/（2f0）2CX〕?06=〔1/（2?.14?0）2?0.2025〕?06= 50.08（H）此時，選型時要考慮串聯電抗器的電感量，我們一般把諧振頻率設定在50HZ來計算所需的電感量，根據上式計算得出，大概需要的電感是50H；此時，我們可以選擇用兩節額定容量為130H的電抗器并聯來減小電感量。

L=L1//L2=(L1*L2)/(L1+L2)=(130*130)/(130+130)=65(H)

但是，此時試驗電壓為52KV的條件無法滿足，每節電抗器的額定電壓為26KV（電抗器串聯時電壓升高，并聯時不改變電壓）。此時，一套設備無法同時滿足電壓和電流的試驗要求。所以，我們決定將兩套串聯諧振試驗設備混合使用，已達到試驗目的。即：可以將6節電抗器3并3串進行試驗。

注意：雖然用4節電抗器（2并2串）能夠達到52KV的電壓要求，但是沒有預留電壓余度，長時間滿負荷運行會對設備造成損傷，為防止損傷試驗設備，需增加電抗器數量。

此時，計算諧振頻率為：L=3L1//3L2=(3L1?L2)/(3L1+3L2)=195（H）

f0=(1/2√LCX)?03=〔1/（2?.14住?95?.2025）〕?03= 25.34（Hz）

此時，回路中的電流為:IS=CXUS?0-3=2f0CXUS?0-3=2?3.14?5.34?.2025?2?0-3=1675.69?0-3=1.675（A）

Q取一個較低值40，則U勵=US/Q=52/40=1.3

計算勵磁容量，P勵=U勵譏S=1.3?.675=2.1775(kw)，此時，現有試驗設備可以滿足計算試驗條件的要求，可以進行試驗。

試驗注意事項：

●試驗電源的容量必須滿足試驗要求。

●為減小電暈損失，提高Q值，高壓引線宜采用大直徑金屬軟管，并盡量短。

●試驗裝置的過電流、過壓保護必須靈敏可靠，勵磁變高壓側應裝避雷器。

●試驗時必須在較低電壓下調整諧振頻率，然后才可以升壓進行試驗。

●濕度對品質因數值影響很大，因此試驗應在干燥的天氣情況下進行。

現場接線注意事項：

●應用專配接地線將各需接地部件連接，使得其中僅一點接到接地母線。特別注意控制箱、勵磁變、分壓器的接地端至地線組的O點（如現場接線圖）應盡可能的短，不要任意延長接地線的長度。

●為減小電抗器漏磁的干擾，應將接地線組與高壓取樣信號線（即分壓器輸出線）盡可能的并行放置，布線要集中不分散，且遠離電抗器，絕對避免接地線組和高壓取樣信號線穿梭于電抗器之間。

●高壓設備應盡量靠近被試品，并與周圍其它物體保持應有的空間距離。勵磁變壓器在電抗器與控制箱之間。小容量試品試驗時，應盡可能使高壓引線等固定，減小分布電容的變化，有利于試驗電壓的穩定。

●高壓引線宜采用大直徑金屬軟管，并要求盡量短。

●注意：試驗電壓大于26kv時，務必多個電抗器串聯，若橫向并列串聯，則后一級電抗器底部必須加專用絕緣底座！

對試驗結果的分析判斷：

試驗中如無破壞性放電發生，則認為通過耐壓試驗。在升壓和耐壓過程中，如發現電壓表指針擺動很大，電流表指示急劇增加，電壓往上升方向調節，電流上升、電壓基本不變甚至有下降趨勢，被試品冒煙、出氣、焦臭、閃絡、燃燒或發出擊穿響聲（或斷續放電聲），應立即停止升壓，降壓停電后查明原因。這些現象如查明是絕緣部分出現的，則認為被試品交流耐壓試驗不合格。如確定被試品的表面閃絡是由于空氣濕度或表面臟污等所致，應將被試品清潔干燥處理后，再進行試驗。

被試品為有機絕緣材料時，試驗后應立即觸摸表面，如出現普遍或局部發熱，則認為絕緣不良，應立即處理后，再做耐壓試驗。如果此次試驗成功，以此類推，我們就可以用不同廠家，甚至不同電感量的電抗器進行混合使用（只要調壓器、勵磁變能夠滿足試驗要求），來達到完成試驗的目的。

3.試驗接線與試驗數據

組合諧振電抗器進行試驗接線

組合諧振電抗器現場試驗照片

計算值與實測值對比

從計算值與實測值的對比看，數值非常接近。串聯諧振并聯補償法可以擴展現有試驗設備的能力，實現長距離交聯聚乙烯電纜的交流耐壓試驗。被試的電纜越長，需要并聯的電抗器越多，但也不能無限的增加。因為增加了并聯電抗器，會降低整個試驗系統的品質因數。若想成功實施試驗，關鍵在于合理的配置和選擇現有試驗設備，以期達到最佳的試驗參數，提高試驗系統的品質因數。通過這次實踐，我們積累了給長交聯聚乙烯電纜進行交流耐壓試驗的經驗，為今后的工作打下了堅實的基礎。

[1]《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》（GB50150- 2006）

[2]《現場絕緣試驗實施導則》（DL/T474-2006）

[3]《電力設備預防性試驗規程》（DL/T596-1996）

[4]陳天翔，王寅仲編著.電氣試驗.北京：中國電力出版社，2005