串聯諧振耐壓試驗渦流探究

謝云飛　呂永紅　吳懷玉　寧晉峰　吳斌

摘要：針對長距離大容量交聯聚乙烯電纜在耐壓試驗時，因電抗器的放置導體上引起較高的渦流損耗，從而引起耐壓試驗系統大量功率損耗，詳述該情況下的功率損耗及危害。對長距離大電容量的電纜耐壓試驗有一定的借鑒作用。

關鍵詞：交聯聚乙烯電纜；渦流損耗；耐壓試驗

一 引言

隨著長治電網的改造和發展，聚乙烯電纜越來越廣泛用于變電站的35kV和10kV出線間隔中。但是電纜長度增加，工頻耐壓[1]試驗設備的容量滿足不了現場的試驗要求，直流耐壓與電纜的運行工況有所差異，串聯諧振設備由于電源容量小，耐壓與運行工況相似等優點，越來越多的應用于電纜的交接耐壓試驗中，但串諧設備應用中的存在的一些問題不容忽視。

二 現場交流耐壓試驗方法

交流耐壓試驗是電氣設備交接試驗中考察電氣設備絕緣的最重要、最關鍵的一環，現場實際中應用最廣泛也最經典的主要有以下兩種交流耐壓試驗方法。

（一）工頻耐壓試驗：電氣設備耐壓試驗時常表現為一種容性設備，容性設備的電容量較小時，工頻耐壓試驗是最佳的耐壓試驗方法，工頻耐壓試驗時的電壓、波形、頻率和被試電氣設備內部絕緣的電壓分布，均符合實際運行工況，因此能有效發現電氣設備內部絕緣缺陷，是保證電氣設備安全運行最為行之有效的方法之一。工頻耐壓設備一般較大，電壓較高，耐壓器一般處于空載運行狀態，因此短路電流較小，能滿足變電站內小電容量的被試設備的耐壓要求。

（二）諧振耐壓試驗：諧振耐壓試驗是近工頻耐壓試驗，頻率在30-300HZ范圍內，耐壓試驗電氣設備絕緣內部的電壓分布和運行工況類似，在工頻耐壓器容量不夠時代替工頻耐壓試驗。諧振耐壓試驗分為工頻諧振耐壓和變頻串聯諧振耐壓試驗方法。工頻諧振耐壓試驗主要為調節電感，但操作繁瑣，不宜現場使用。變頻諧振耐壓試驗有效的避免了以上兩種耐壓試驗的缺點。另外變頻諧振耐壓試驗還有如下幾個優點。

1 串諧系統的各個裝置體積相對較小，頻率調節簡單。 串聯諧振系統電源是利用諧振電抗器和被試電氣設備、高壓引線和分壓電容器等的電容諧振產生高電壓，諧振電抗器和系統總電容的阻抗向抵消，因此系統為整個阻抗為阻性，電源只需要提供該系統的有功功率，大量的無功功率被諧振電抗器承擔。因此，試驗所需的電源功率大大減低，只需要試驗容量的1/Q，Q[2]為系統的品質因數，一般在20-30之間。

2 串諧系統的電壓波形輸出更好。對于大電容量被試電氣設備，工頻試驗容量需要很大，所用調壓器只能為移圈式調壓器，這種調壓器短路阻抗變化較大，工頻耐壓器的勵磁電流就會在該電抗上產生壓降從而使移圈式調壓器的輸出波形產生畸變。串諧系統的電源是諧振式濾波電路，可改善輸出電壓的波形畸變，產生較好的正弦電壓波，這樣施加在被試電氣設備不會有太多的諧波，可以有效阻止工頻試驗系統所產生的諧波對被試電氣設備的損害。

3 變頻串聯諧振試驗系統可有效減少甚至避免被試電氣設備發生擊穿時產生的過電壓對被試電氣設備和工頻耐壓器的損害。當被試電氣設備發生擊穿時，系統的電容參數發生變化，容抗隨之改變，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧即刻熄滅，減少了對被試電氣設備的損害。如果試驗系統采用工頻耐壓試驗系統，一旦被試電氣設備發生擊穿，就會產生很高的過電壓加于耐壓器和被試設備兩端，產生很高的短路電流，對耐壓器和被試設備損害極大。

三 變頻串聯諧振試驗系統

變頻串聯諧振耐壓試驗裝置由變頻電源、勵磁變壓器，避雷器、高壓電抗器和電容分壓器組成，變頻電源是變頻串諧系統的關鍵元器件，因為串聯諧振系統是通過改變系統的電抗值和試驗頻率，使整個系統處于諧振狀態，而改變系統的頻率是最便捷也是最有效的方法。此時系統的整個電路阻抗為純電阻，即為阻性電路，電壓和電流同相位，試驗回路中被試電氣設備和引線、分壓器上的容性電流與電抗器上的感性電流相抵消，電源只提供回路中消耗的有功功率[3]。被試電氣設備的電容量為C，電感為L，則諧振頻率為

f0=1/（2*π*√LC） ①。

原理接線圖如圖1所示。

其中：VF：變頻電源；T：勵磁變壓器；MOA：避雷器（與勵磁變壓器做成一體）；L：電抗器組合；CF：電容分壓器 Cx：被試電氣設備

四 案例詳述及分析

2013年4月1日在長治市110kV文王山站35kV潞寶興海Ⅱ回電纜進線交接耐壓試驗，該間隔為兩條并聯使用的三芯電纜，截面積為300mm2，單根電纜長度為1.3km。兩條電纜并聯起來的電容量為：C=2*0.19μF/km *1.3km =0.494μF ②，單節電抗器的電感值為52.5H，額定容量為55kVA，額定電壓為26kV。將電抗器兩串四并后，考慮到電抗器之間的互感系數，則系統總電感值為L=52.5*2*1.2/4=31.5H ③

根據頻率公式①，有系統諧振時f0=41.5HZ。于是，一次電流I=2π·f·C·U=6.7A，考慮到電抗器和勵磁變的電阻損耗以及引線和其他電暈損耗，實際的一次電流達到8A。

電纜的A相耐壓時，電抗器置于車廂的鐵板上。電抗器兩串四并，考慮到電抗器間的互感關系，兩節串聯電抗器的電感就增加了一倍多，每兩件電抗器就形成了一個通電密繞螺旋管，雖然沒兩節電抗器距鐵板大概有10cm的空氣間隙，加上1cm的絕緣膠墊，構成了較大的空氣漏磁通，但由于下面的地槽是鐵板制成，鐵的導磁率遠大于空氣，在鐵板和電抗器間形成了一個較強的磁場，于是鐵板上形成了較大的渦流，功率損耗就非常巨大。發現該問題后，把電抗器移到地面上做B、C相的試驗，儀表盤上的功率損耗降為原來的1/2。這樣大的渦流功率損耗為熱功率損耗，熱功率損耗為有功損耗，是串聯諧振耐壓過程中不可補償的損耗，使得變頻串聯諧振系統的品質因數大大降低，另一方面，電纜耐壓時間很長，為60分鐘，熱功率損耗必然導致電抗器溫度上升，電抗器本身的電阻損耗也隨之增大，品質因數就會進一步降低，對該系統的長時運行有著不可估量的損害和能源浪費，最終可能導致系統一次電流，即電抗器電流大幅度增加而不得不降低試驗電壓，從而無法進行完整的耐壓試驗。

五 結語

對于長距離大電容量的電纜交接耐壓試驗，工頻耐壓由于試驗變壓器容量太大，且電源容量也非常大，這在現場均難以滿足或非常不便，推薦使用變頻串聯諧振系統進行諧振耐壓試驗，但是試驗方法不當造成的渦流損耗必須極為重視。否則，輕則造成能源不必要的浪費，重則影響到品質因數降低，試驗電壓達不到規定值，無法順利的完成耐壓試驗。

參考文獻

[1] 周澤存，沈其工. 高電壓技術[M].北京：中國電力出版社，2005：155-170.。

[2] 邱關源。電路[M].，高等教育出版社，1996：210-216。

[3] 李中勝。串聯諧振耐壓試驗中電抗器的組配驗算[J]。湖南工業職業技術學院學報，2014（2）：4-6。