大容量高壓電纜試驗裝置的設計與應用

張國飛 鐘燕

摘要：交聯聚乙烯電力電纜因其具有容量大、自重輕、易維護、電性優等特點，近年來被廣泛應用到高壓線路中。從應用效果來看，電纜終端頭、中間接頭是比較容易發生故障的位置，其中既有安裝方面的原因，也和材料自身存在質量缺陷有關。由于高壓電纜深埋于地下，發生故障時很難第一時間發現、維修，不僅造成電力能源的浪費，也帶來較高的安全隱患。因此，對于新敷設的大容量高壓電纜，必須開展交接試驗，以驗證其質量可靠性。在交接試驗中，試驗裝置的設計、選型和應用是至關重要的因素。

關鍵詞：大容量;高壓電纜;試驗裝置

1 串聯諧振的基本原理

在試驗中，利用串聯諧振裝置將回路頻率（f）調節至 時，即可在回路中產生諧振。根據電壓諧振倍數的不同，試驗裝置的電壓是勵磁變高壓端輸出電壓的幾十甚至上百倍。基于這一原理，在開展高壓電纜的耐壓試驗時，我們可以調節變頻電源的輸出頻率，使其能夠產生串聯諧振;在得到回路諧振的情況下，再調節變頻電源的輸出電壓，利用系統品質因數的倍數關系，從而在試驗裝置上得到符合耐壓試驗要求的高電壓。

2 大容量高壓電纜試驗裝置的設計

2.1 設備選型與參數設計

2.1.1 電纜耐壓試驗要求

完成高壓電纜耐壓試驗，除了要滿足高壓條件外，像電流、容量、頻率等參數，也要符合相關的試驗標準。根據《GB50150-2016電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》（以下簡稱標準）中有關規定，試驗中提供額定電壓和持續時間應符合表1要求。

除此之外，考慮到電流熱效應的影響，為保證試驗安全，對不同電壓等級下的電纜截面也有特殊要求。例如，本次試驗選擇110k V的額定電壓，則對應的電纜最小截面積為3600mm2，電纜每公里電容量為0.296μF。

2.1.2 電抗器選型

根據《標準》中有關規定，在高壓電纜耐壓實驗中，頻率應控制在20-300Hz之間。根據諧振頻率（f）計算公式可知，諧振頻率與電容、電感乘積的平方根成反比。故試驗回路中電容增大時，需要讓電感降低一定值，才能讓f值維持在20-300Hz的區間內。

可得C=7.52H。即110k V高壓電纜的耐壓試驗中，要想使回路諧振頻率不低于30Hz，則回路內電感量應在7.52H以上。根據此參數選擇對應的電抗器。

2.1.3 試驗裝置額定電流設計

高壓電纜的耐壓試驗回路中，額定電流可按照公式I=UωC來計算。其中，110k V電纜耐壓試驗中提供電壓值為128k V，裝置電容參照上文結算結果，取0.296μF/km，按照回路頻率為30Hz，可以計算出額定電流I為141.7A。故110k V的高壓電纜耐壓試驗中，額定電流至少要達到141.7A。

2.1.4 試驗裝置容量設計

根據電纜損耗程度的不同，系統品質因數（Q）從幾十倍到上百倍不等。對于新建的高壓線路，電纜損耗較少，Q可取80。對于110k V的高壓電纜交接試驗，勵磁變輸出電壓至少要達到1.8k V。同時，根據上文計算所得額定電流，試驗回路中輸出電流不應低于141.7A，則變頻電源的最小容量為437.1k VA。

2.1.5 試驗裝置溫升和局放水平要求

按照《標準》中有關規定，高壓電纜耐壓試驗不得低于60min;如果需要完成三相試驗，則最低時間不會低于180min。在長時間的高電壓、高電流環境下，電纜及其相連的其他試驗裝置，都會有明顯的發熱、溫升現象。除此之外，還要考慮到外部環境的影響，特別是在夏季高溫，外界溫度通常可以達到35℃以上，而電纜表面溫度可以達到50℃甚至更高。

2.2 試驗裝置的結構組成

2.2.1 變頻電源

本次試驗中選用VF-3/500型變頻電源，額定電壓400V，輸出頻率30-300Hz。另外，該變頻電源提供過電流保護裝置，當回路中實時電流超過設定值時，過流保護裝置動作，迅速切斷電源，保護裝置安全;具備過電壓保護措施，保護精度可以達到1.5級;提供放電保護功能，在高壓環境下，若試驗裝置發生高壓擊穿情況，迅速切斷電源，保護其他設備的安全。

2.2.2 勵磁變壓器

本次試驗中選用YD-500/3.3型油浸式勵磁變壓器，額定容量500k VA，額定電壓500V，使用頻率30-300Hz，額定容量下可支持連續運行時間達200min，繞組溫升為70K。在變壓器的低壓側設計為單繞組，在高壓側設計為等容量繞組，繞組支持串聯、并聯兩種連接方式。在低壓側和高壓側的中間位置，采用靜電屏蔽層將兩者隔開，使其互不干擾。

2.3 試驗裝置的驗收

按照上述要求準備好試驗所需裝置后，測試人員開始組裝試驗電路。考慮到本次試驗至少要持續180min，溫升情況會直接對試驗結果和試驗安全產生影響。因此，在裝置驗收時要首先進行溫升試驗。溫升試驗中，需要檢測的主要裝置有電抗器、勵磁變壓器、變頻電源三處的溫升情況。

2.3.1 電抗器的溫升試驗

要求將所有的電抗器，分別進行獨立溫升試驗，保證每臺電抗器的實際溫升均在標準要求的70K以內。在提供額定電流（30A）的情況下，使該裝置連續運行180min。控制環境溫度維持在相對恒定的狀態，使用儀器分別測量電抗器繞組在試驗開始前的冷態電阻值（R1）和結束時熱態電阻值（R2）。并按照熱阻法計算出不同電阻下電抗器的溫度。

在外部溫度為11.1-12.8℃的試驗環境下，試驗開始前冷態電阻值最低為50.07Ω，試驗結束時熱態電阻值最高為61.35Ω。6臺電抗器在試驗中，2#設備的溫升最小，為57.74K;3#設備的溫升最大，為60.03K。而設計值70K>60.03K，故符合試驗要求。

2.3.2 勵磁變壓器的溫升試驗

該溫升試驗中設定低壓側輸入電流I0=1000A，持續運行時間為180min，使用萬用電能表分別測量高、低壓側繞組的冷態電阻值和熱態電阻值。根據測量結果，使用熱阻法求出繞組溫度，根據前后繞組的溫度差，即可得出勵磁變壓器的溫升情況。

參考文獻

[1]呂濤，陳亞軍，周俊，等.低凈空高壓線垂測精確定位方法和裝置[J].工程建設與設計，2020（03）：76-77+86.