高壓長電纜交流耐壓試驗方法

中國能源建設集團廣東火電工程有限公司 葉國文

高壓長電纜交流耐壓試驗方法

中國能源建設集團廣東火電工程有限公司 葉國文

由于電纜的電容量較大，采用傳統的工頻試驗變壓器很笨重、龐大，且大電流的工作電源在現場不易取得，因此一般都采用串聯諧振交流耐壓試驗設備，為進一步提高試驗效率，在變頻串聯諧振耐壓方式的基礎上，在多個工程項目耐壓試驗過程中，將不同類型的高壓諧振電抗器組合起來使用，采用串并聯補償的試驗方法，能靈活整定試驗電壓、調頻范圍、加壓時間、保護電流，結構簡單、降低能耗、安全可靠。

高壓長電纜；串并聯；諧振耐壓；試驗方法

前言

隨著電力系統的發展，電網工程建設的電壓等級及規模不斷增大，高壓線路走廊規模不斷擴大，城市化的飛速發展和規劃，土地資源緊缺及空中走線的限制，超高電壓等級的電纜也被廣泛應用，大截面、長距離的高壓電力電纜線路工程日漸增多，根據電纜交接試驗規范規定，需進行電纜交流耐壓試驗，避免投運后發生故障的損失，有效地保證電纜的可靠投運和安全運行。串聯調頻諧振耐壓試驗方法，已廣泛應用于高壓大容量耐壓試驗，特別適用于高壓長電纜交流耐壓試驗。

近年來，隨著國內電網工程建設的電壓等級及規模不斷增大，高電壓等級的電纜線路也被廣泛應用，電纜線路的運行和研究表明，電纜的絕緣在運行中易產生樹枝化放電，造成絕緣老化破壞，嚴重地影響了電力電纜的使用壽命。因此，電纜運行前通過交流耐壓試驗方法檢驗其絕緣特性，及時發現和預防絕緣中存在的某些缺陷，對保障設備乃至電網系統的安全運行具有十分重要的意義。國標GB50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》［1］推薦采用變頻串聯諧振耐壓方式，針對上述電纜耐壓試驗特點，展開電纜交流耐壓試驗方法的技術專題研究，在多個工程項目耐壓試驗方法中，在變頻串聯諧振耐壓方式的基礎上，將不同類型的高壓諧振電抗器組合起來使用，采用串并聯補償的試驗方法，能靈活整定試驗電壓、調頻范圍、加壓時間、保護電流，結構簡單、降低能耗、安全可靠。

1. 變頻諧振耐壓試驗方法的特點

1.1變頻諧振交流耐壓試驗儀器結構簡單

試驗儀器由變頻電源、勵磁變壓器、高壓電抗器、高壓分壓器、補償電容器（選配）等組成，由于電纜的電容量較大，采用傳統的工頻試驗變壓器很笨重、龐大，且大電流的工作電源在現場不易取得。因此一般都采用串聯諧振交流耐壓試驗設備，用在高電壓等級電纜時，電抗器采用串并聯組合的結構，同時便于運輸和現場安裝。

1.2降低系統能耗、提升綜合試驗能力

變頻諧振交流耐壓試驗中使用串并聯補償法進行試驗，將不同類型電抗器組合使用，并聯接地補償的電抗器起到無功補償的作用，降低交流耐壓試驗系統的整體電流，在低電壓下調諧振點，然后再升高電壓幅值達到試驗所需電壓，且能保持諧振點，安全可靠。該方法應用于高壓長電纜試驗中達到不同類型電抗器資源整合使用，共同配合完成交流耐壓試驗，提升各協作單位的綜合試驗能力。

1.3變頻諧振交流耐壓試驗安全可靠

串并聯諧振交流耐壓試驗能靈活整定試驗電壓、調頻范圍、加壓時間、保護電流，不僅可以在穩態下使放電或擊穿電流小，而且還使暫態（瞬時）電流的破壞減小，從而保證設備和人身的安全。在試品擊穿時，諧振條件破壞，短路電流小，只有試品額定電流的1/10以下，對試品的危害性小。

2.串聯諧振耐壓試驗工作原理

2.1變頻串聯諧振耐壓試驗原理

變頻串并聯諧振耐壓試驗設備由變頻控制電源、勵磁變壓器、高壓電抗器、高壓分壓器四部分組成。變頻電源VF提供頻率和幅值都可調節的電壓，由勵磁變壓器經過初步升壓后，通過諧振電抗器L（試驗時所使用的高壓電抗器組，它可以由兩個或者更多個高壓電抗器組成）和回路的電容C（即圖2.1.1中的電容分壓器Cf和試驗Cx）之間發生諧振，在試品上得到諧振電壓。通過改變變頻電源的輸出頻率，使回路處于串并聯諧振狀態；調節變頻電源的輸出電壓幅值，使試品上的電壓達到試驗所要求的電壓。

圖2.1.1 試驗回路示意圖

2.2在工程中串并聯諧振耐壓實際應用

（1）諧振回路的有功損耗還有電暈、電導損耗、頻率損耗等，故有功損耗將會大于I2R。

（2）諧振回路中的電阻是等效出來的，其實際是電抗器的內阻rL和電容器的等效損耗電阻rC之和，所以工程中所測電壓和電流之積為電抗器或電容器上的視在功率。

（3）諧振回路中的電源提供容量（有功功率等于視在功率），為電抗器上所產生容量的1/Q倍（Q為諧振回路的品質因素）。

（4）諧振條件和試驗電壓的穩定性取決于電源頻率和試驗回路特性的穩定性，當試品放電時，電源輸出的電流較小，從而限制了對試品絕緣的損壞。當電纜試品的外絕緣上泄漏電流同流過試品電容電流相比很小或者形成破壞性放電的能量很小時，串并聯諧振回路特別有用。

圖2.3 變頻串聯諧振耐壓試驗工作原理等效回路

2.3串并聯諧振算術推論

諧振原理：

圖2.3中R等效為電抗器L的內阻。

當串聯回路處于諧振狀態時，電容上的電壓為：

由上式可以看出在電容上的電壓UC高于電源輸入電壓U的Q倍，在工程應用中，電抗器品質因素（Q）一般取幾十到幾百。

在串聯諧振功率如下：

3. 工程實例

某220kV 電纜線路的主要參數

型 號：YJLW03

規 格：1×2000mm2

額定電壓：127/220kV

電纜長度：8.2km

電纜試驗電壓值

對采用傳統工頻耐壓試驗、串聯諧振耐壓試驗和串并聯諧振耐壓試驗三種試驗方法進行計算及數據比對。

3.1變頻串并聯諧振計算參數

3.1.1電抗器組合

使用三臺250kV/65H/20A電抗器并聯后，串聯在試驗回路內，使用兩臺230kV/65H/15A電抗器并聯在試驗回路內，補償試驗電流。

高壓電抗器等效電感量：

L總=1/［1/L1+1/L2+1/L3…］=13（H）（其中L1、L2、L3…=65H）

3.1.2諧振頻率

f =1/ （2π×√L×C） ≈33（Hz）（L：13H；C：1.76×10-6F）

計算試驗頻率滿足《GB50150—2006 電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》橡塑電纜優先采用20～300Hz交流耐壓試驗的要求。

3.1.3高壓試驗電流

I總=U×ω×C≈65（A） （U：180kV，C：1.76×10-6F，ω=2πf（f=33Hz）

每臺電抗器的分配電流：每臺電抗器承受的電流與電抗器的電感值成反比，而此次每臺電抗器的電感值都是65H，因此每臺承受的電流一樣。

I1=65A/5=13（A）

計算的試驗電流滿足每個電抗器的電流設計值。試驗變頻電源和試驗變壓器滿足電流、電壓要求。

3.2變頻串聯諧振計算參數

3.2.1電抗器組合

使用二臺230kV/23H/35A電抗器并聯后，串聯在試驗回路內。高壓電抗器等效電感量：

L總=1/［1/L1+1/L2］=11.5（H）（其中L1、L2=23H）

3.2.2諧振頻率

f=1/ （2π×√L×C）≈35（Hz）（L：13H；C：1.76×10-6F）

計算試驗頻率滿足《GB50150—2006 電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》橡塑電纜優先采用20～300Hz交流耐壓試驗的要求。

3.2.3高壓試驗電流

I總=U×ω×C≈69（A）（U：180kV，C：1.76×10-6F，ω=2πf（f=35Hz）

每臺電抗器的分配電流：每臺電抗器承受的電流與電抗器的電感值成反比，而此次每臺電抗器的電感值都是23H，因此每臺承受的電流一樣。

I1=65A/5=34.5（A）

計算的試驗電流滿足每個電抗器的電流設計值。試驗變頻電源和試驗變壓器滿足電流、電壓要求。

3.3使用傳統方法的工頻耐壓設備參數計算

試驗頻率：50Hz

3.3.1高壓試驗電流

I總=U×ω×C≈99.5（A）（U：180kV，C：1.76uF，ω=2πf（f=50Hz）

3.3.2試驗功率

p=UI=180000×99=17905kW

3.3.3勵磁變壓器

設備配置要求：高壓側電壓大于200kV（180kV×1.1=198kV），高壓側電流大于110A（99.5×1.1=109.5A），設備容量須大于18000kVA。

3.3.4試驗調壓電源要求

試驗電源采用380V，設備容量配置大于18000kW，設備進線電源電流：

I=P/U=17905000/380=47118（A）

3.4采用變頻串并聯諧振設備與傳統設備對比

表 串并聯諧振設備與傳統設實測備數據對比表

由此可見，傳統的損耗遠遠大于變頻串并聯諧振試驗的損耗。

采用傳統的工頻試驗變壓器很龐大，笨重，且大容量的工作電源在試驗現場不易取得，因此開展現場交流耐壓試驗很不方便。

4. 試驗結果

電抗器組合：使用三臺250kV/65H/20A電抗器并聯，串聯在試驗回路內，使用兩臺230kV/65H/15A電抗器并聯在試驗回路內，補償試驗電流。

高壓電抗器等效電感量：

L總=1/［1/L1+1/L2+1/L3…］=13（H）（其中：L1、L2、L3…=65H）

諧振頻率：

f =1/（2π×√L×C）=34.1（Hz）（L：13H；C：1.76×10-6F）

高壓試驗電流：

I總=ω×C×U=67.3（A）（U：180kV，C：1.76uF，ω=2πf（f=34.1Hz））

每臺電抗器的分配電流：每臺電抗器承受的電流與電抗器的電感值成反比，而此次每臺電抗器的電感值都是65H，因此每臺承受的電流一樣。（其中串聯在試驗回路內電抗器的總電流為41.2A，補償電抗器電流為26.1A）。

勵磁變壓器變比選擇：勵磁變壓器變比選擇0.55kV/6.6kV。勵磁變壓器高壓側電流41.2A。

變頻電源：勵磁強度41%，實測試驗功率：

P=6600×0.41×41.2=111.5（kW）

實測單相電流單相供電電流：

I供=111.5kW/0.75/1.732/0.38=225（A）（實測值）

試驗Q值=180kV/（0.41×6.6kV）=66.5。

1小時耐壓試驗結束后，電抗器實測溫升，三臺250kV/65H/20A電抗器并聯后串聯在試驗回路內的溫升小于10K，兩臺230kV/65H/15A電抗器并聯在試驗回路內補償試驗電流的溫升約18K。可連續工作3小時，滿足對電纜三相不間斷進行試驗的要求。（圖4電纜耐壓試驗程序圖）

根據試驗實測數據，試驗過程中實測結果符合計算值，發電車、試驗變頻控制電源、勵磁變壓器和試驗用的電抗器運行數據正常，試驗取得成功。

5. 結束語

變頻諧振耐壓試驗，通過諧振提升了試驗品質因素，試驗設備容量變小，再通過串并聯補償的方式進一步減小了試驗電源的電流，使得現場交流耐壓試驗的總體容量大大減小，有效降低設備的總體容量和重量，降低了大容量設備試驗的安全風險，可將不同類型的電抗器組合起來使用，充分利用各單位的資源，達到資源共享的可行性。

隨著電力系統的發展，大截面、長距離的高壓電力電纜線路工程日漸增多。采用串并聯諧振耐壓試驗方法具有技術安全、質量可靠、方法簡單有效等特點，具有明顯的社會、經濟和環保效益。本方法推廣前景巨大、意義深遠。

［1］ GB 50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》中華人民共和國建設部、中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布，自2006年11月1日起實施.

［2］邱關源.電路（第4版）［M］.高等教育出版社，1999.