工頻交流耐壓試驗的現場應用及計算驗證

聶衛兵

（晉城乾泰安全技術有限責任公司， 山西 晉城 048000）

引言

近年來隨著人民生活水平的日益提升，城鎮電力消耗急速增大，城市供電網絡電壓等級也大幅提高，對輸電電纜的電氣性能、可靠性等的要求越來越嚴苛。交聯聚乙烯絕緣電力電纜在供電系統中得到廣泛的應用，其制作工藝優良，結構合理，特別是在高壓輸電領域具有明顯的優勢。但是在長期的應用過程中，也出現了因樹枝化放電而造成的絕緣老化破損的問題，大大減少了其使用壽命。因此，需要對其絕緣強度進行耐壓試驗[1]。以保障其可靠使用。

1 直流耐壓試驗和交流耐壓試驗對比分析

電氣設備絕緣耐壓試驗有直流耐壓試驗[2]和交流耐壓試驗[3-4]兩種，國內外技術人員采用兩種耐壓試驗進行了多次的試驗和運行，取得了大量的試驗數據。根據國內外大量直流耐壓試驗和運行結果發現，直流耐壓試驗在交聯電纜的絕緣檢測中效果不佳，對于交聯電纜的絕緣問題不能準確檢測，易形成絕緣隱患。不管是國外還是國內的XLPE電纜在運行過程中，均發生過多次的故障，對其出現的故障原因進行調查發現，直流耐壓試驗產生的負面效應是引起XLPE電纜出現大量故障的重要原因。

目前我國主要采用交流電，電纜均在交流電壓下運行，因此交流耐壓試驗相比于直流耐壓試驗，其在電壓、波形、頻率以及在被試品絕緣內部電壓低的分布等方面，均與電纜的實際運行狀態相符，其能夠充分檢測交聯電纜的絕緣隱患，有效維護設備乃至供電系統的安全運行，且具有自動調諧、多重保護，以及低噪音、靈活的組合方式等優點。

因此，通過對交聯電纜的交接試驗原理和絕緣影響因素的分析可知，在現場對交聯電纜進行耐壓試驗是可行且必要的。

2 串聯諧振的試驗方法

現場交流耐壓試驗需要試驗變壓器、調壓器及電源等相關實驗設備。由于實驗設備的運輸、安裝調試等的原因，現場交流耐壓試驗往往僅適用于小型設備；對于大型發電機、變壓器、GIS、交聯電纜等電容量大的設備則難以進行。因此，對于大型設備的現場交流耐壓試驗則需要采取串聯、并聯和串并聯諧振的方法進行代替試驗。由于串聯諧振的試驗方法，在固定電容設備現場交流耐壓試驗方面具有明顯優勢，因此對于現場大電容設備往往采用此種方法，并通過調感或調頻來進行諧振補償。

串聯諧振原理如圖1所示，變頻電源、勵磁變壓器、電抗器、分壓器等是變頻串聯諧振試驗裝置的主要組成部分。電抗器與被試品的電容之間采用串聯諧振方式進行連接；而分壓器與被試品之間采用并聯連接，其不僅可檢測被試品上的諧振電壓，同時可以作為過壓保護信號；串聯諧振的激勵功率的實現方式是調頻功率輸出通過激勵變壓器耦合給串聯諧振回路來實現的。

圖1 串聯諧振原理

2.1 總體技術規范

串聯諧振的技術規范如下：輸出試驗電壓為0～1 000 kV交流有效值；輸出頻率為20～300 Hz；輸出試驗電流為1～10 A交流有效值；諧振電壓波形為正弦波；波形畸變率＜1%；工作制為滿功率輸出下，連續工作時間30 min；被試品種類為各種電力變壓器、電力電纜、發電機、GIS等設備；品質因數為20～80，視不同的負載條件而不同；輸入工作電源為220V，50 Hz；環境溫度為 0～ 40℃ ；相對濕度（RH）＜95%，無凝露；海拔高度在2 000 m以下。

2.2 主要部件的技術規范

2.2.1 變頻控制單元

將220 V、50 Hz的電源變為頻率可調、電壓連續可調的控制、操作、檢測功能單元。輸入工作電源為220 V、50 Hz，電流5～250 A；輸出頻率為20～300 Hz；輸出電壓和電流為0～250 V，電流5～250A；頻率調節細度為0.1 Hz；最大輸出功率為5～10 000 kVA。

2.2.2 勵磁變壓器

將變頻電源輸出的電壓升高，同時隔離高壓和低壓。輸入工作電源為250 V電流5～250 A；額定容量為5～50 000 kVA；輸出電壓和電流為0～10 kV，電流1～10 A。

2.2.3 諧振電抗器

與容性試品發生串聯諧振。單臺電抗器額定工作電壓的有效值為20 kV、40 kV、60 kV；單臺額定工作電流的有效值為1～10 A。

2.2.4 電容分壓器

調節高壓電壓值。工作方式為純電容式；工作頻率為30～300 Hz；電容1 000 pF±5 pF；額定電壓的有效值為 20 kV、60 kV、100 kV、200 kV、500 kV、1 000kV；測量誤差＜1%；分壓器低壓臂電壓100 V。根據圖1，其等效電路如圖2所示。

圖2 等效電路

此時，電路中的電流為：

式中：R、XL分別為電抗器的等效電阻及感抗；XC為試品容抗。

當采用可調式電抗器進行補償時，可調節XL，當XL=XC時，此時回路發生串聯諧振，電壓提供較小的勵磁電壓，試品能得到很高的電壓，電路中電流為:

式中：Q為電抗器的品值因數。

由上式可看出，由于試驗回路中電阻R很小，故Q很大，一般正常時可達50以上，由此可見，按照換算的方式，采用串聯諧振的方式可在試品上產生數十倍于試驗變壓器輸出電壓的電壓，從而可大大地降低試驗變壓器額定電壓及容量。

3 串聯諧振試驗方法的現場應用

4 串聯諧振試驗方法現場應用的新計算方式

對于串聯諧振現場所采用的代入式方法，計算量比較大，查找頻率比較麻煩，且精確度低。鑒于此，現將代入式轉化成求值式，如下。

根據等效電路圖2得：

當XL=XC時，電路發生諧振，則：

式中f為（20～ 300）Hz，由此可得

由于

計算可得到：

當f=50 Hz時，帶入式（6）得

由于式（11）∈ 式（7），又f=50 Hz時，為最理想工頻值，因此可以得到最理想的L值。

5 串聯諧振試驗新計算方式的應用實例

采用串聯諧振試驗法，對電纜進行試驗，電纜型號為 YJV22-8.7/10 kV-3×70 mm2，長度 800 m。試驗步驟如下：

1）通過查說明書得電纜容量為C=0.173 6 μ F，UC=2UO=17.4 kV，其中UO為被測電纜的線電壓。

2）測量被測電纜的絕緣電阻及吸收比，合格。

3）將C=0.173 6 μ F，UC=17.4 kV帶入下式：

計算可以得到L為58.4 H，即所需電抗器電抗L2=L-L1=58.4 H-10 H=48.4 H，其中L1為勵磁變壓器的電抗，為設備固定值。則電路中串聯一個50 H的電抗器即為最理想電抗器。

通過采用新計算方法，大大縮短了原計算時間，提升了工作效率，同時也不用專門調節頻率，即可滿足要求。在試驗過程中，如果試品出現絕緣擊穿的現象，電路的電容量出現變化，回路中的電流大幅降低，為正常試驗電流的1/Q，從而可以準確找到試品的絕緣弱點，保護試品不被短路電流燒傷。

6 結語

通過現場應用分析可知，采用新的串聯諧振法進行絕緣耐壓試驗方法簡單，便于操作，而且試驗效果穩定、可靠，不僅可以準確找到試品的絕緣弱點，而且能夠保護試品不被短路電流燒傷。該方法可被廣泛運用于大型設備的現場交流電耐壓試驗，具有廣泛的應用前景。