110kV~220kV電纜試驗中的電壓試驗技術研究

摘 要：本文研究了110kV～220kV電纜試驗中的電壓試驗技術，以提升電纜的質量水平。以杭州市蕭山區110kV寧達線路的電纜為例，采用變頻串聯諧振技術進行耐壓試驗，有效評估了電纜綜合性能與耐壓強度。分析3種變頻串聯諧振技術工作原理，將變頻并聯補償串聯諧振交流耐壓試驗技術作為電纜試驗中的電壓試驗的主要技術，進行變頻并聯補償串聯諧振應用計算和試驗分析。實際應用表明，該技術優化了諧振回路的設計與參數匹配，將回路電流控制在較低水平，從而降低了對試驗電源和輔助設備容量的要求。同時該技術能準確測量出電纜的耐壓情況，該110 kV電纜交流耐壓試驗合格，提升了電纜的質量水平。

關鍵詞：110kV～220kV高壓電纜；電纜試驗；電壓試驗技術；串聯諧振；交流耐壓試驗

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在高壓輸電領域，110kV～220kV電力電纜的應用日益廣泛，其性能穩定性和可靠性對整個電力系統的運行至關重要。因此，對這類電纜進行嚴格的電壓試驗技術研究尤為重要。電壓試驗是電纜試驗中的關鍵環節，能夠模擬電纜在實際運行中的電壓環境，全面檢測電纜的絕緣強度、耐壓能力等各項性能指標。這不僅有助于及時發現電纜存在的缺陷和隱患，避免電網因電纜故障而發生停電和事故，還能提高電纜的運行可靠性和使用壽命。在110kV～220kV電纜的電壓試驗中，常用的試驗方法包括交流耐壓試驗和直流耐壓試驗。交流耐壓試驗能夠模擬電纜在電網中的實際運行環境，有效檢測電纜的絕緣性能；直流耐壓試驗可施加直流電壓，評估電纜的絕緣強度和泄漏電流情況[1]。這些試驗方法的選擇和應用，需要根據電纜的具體類型、規格和運行條件進行綜合考慮。此外，隨著電力技術不斷發展，一些新的電壓試驗技術也在不斷涌現。例如，變頻串聯諧振耐壓試驗技術，可靈活調整供電頻率，促使電抗器與待測電容器形成共振狀態，在被測對象上產生高電壓與強電流，降低試驗所需的電源功率[2]。對110kV～220kV電纜進行電壓試驗技術研究，不僅有助于提高電纜的質量和安全性，還能為電力系統的穩定運行提供有力保障。因此需要不斷探索和完善電壓試驗技術，以滿足電力系統發展的需求。

1 110kV～220kV電纜試驗中的電壓試驗技術

110kV～220kV電力電纜主要包括油浸紙絕緣電纜、塑料絕緣電纜和交聯聚乙烯（XLPE）電纜。不同類型的電纜在絕緣層材料、結構設計和電氣性能上存在差異，因此其試驗方法也有所不同。直流耐壓試驗技術優點包括設備輕便、適合現場使用、能避免絕緣永久性損壞以及能同時測量泄漏電流等。然而，直流耐壓試驗可能會加速XLPE電纜絕緣老化，因此不推薦使用。交流耐壓試驗最能反映電纜在實際運行中的絕緣狀況。由于電纜長度和電壓等級較高，因此需要大容量試驗設備。變頻串聯諧振技術是解決這一問題的有效方法。變頻交流耐壓試驗技術主要包括以下3種技術。

1.1 變頻并聯諧振交流耐壓試驗技術

變頻并聯諧振交流耐壓試驗技術原理如圖1所示。

當出現并聯諧振時，，ω為諧振角頻率，電容C包括被試品電容器Cx、分壓器C1和分壓器C2的電容，通過這些參數可求解線路電流I，如公式（1）所示。

（1）

式中：IL為并聯電抗器電流；IC為待試品電流；U0為試品兩端電壓；L為并聯電抗器電感量。

由于線路電流近似于0，因此勵磁變壓器兩端電壓Us等于試品兩端電壓U0。在此狀態下，主回路中的電流也幾乎為0，電容器與電抗器間實現了能量交換[3]。這種特定的試驗電路設計尤其適用于測試電容量大、所需電壓不高的樣品。同時，此方案還有效降低了對變壓器功率的需求。

1.2 變頻串聯諧振交流耐壓試驗技術

靈活調整5組電抗器的串聯數量，可精確控制變頻串聯諧振交流耐壓試驗回路中的電感值。其中勵磁變壓器的漏抗影響較小，可忽略不計[4]。回路電感的最大值為317.5H（將每組電抗器的電感（18.5H+45H）乘以5組）；最小值為63.5H，即單組電抗器電感之和。這樣的設計允許在廣泛的電感范圍內進行靈活調節，以滿足不同試驗需求。在試驗回路出現諧振情況下，諧振頻率f0如公式（2）所示。

（2）

式中：C為電纜電容量；L為電抗器電感量。

在僅串聯一組電抗器的配置下，試驗回路達到電感值的最小參數，此時測得的諧振頻率為16.65Hz，明顯低于預期的30Hz下限。由進一步分析可知，隨著串聯電抗器數量增加，即電感值參數增大，諧振頻率會相應降低。鑒于當前設備的實際情況，傳統串聯諧振方式的諧振頻率無法滿足既定的試驗要求[5]。

1.3 變頻并聯補償串聯諧振交流耐壓試驗技術

在變頻并聯補償串聯諧振交流耐壓試驗技術中，串聯諧振電路在其中起到了電壓補償的關鍵作用，它能夠在特定頻率下使電路中的電感與電容發生諧振。此時電路呈現高阻抗特性，但是電壓卻在諧振元件上得到顯著放大，從而以較小的電流源實現了較高的試驗電壓。并聯諧振具有電流分流特性，合理分配了電路中的電流，進一步減輕了主電源的負擔，提高了整個系統的功率因數和經濟性。變頻并聯補償與串聯諧振相結合的技術方案在交流耐壓試驗領域具有獨特優勢，可精準控制諧振頻率、優化電流電壓分布，有效降低了電源輸出功率，提高了試驗效率和安全性[6]。并聯補償串聯諧振等效電路如圖2所示。

在串聯諧振情況下，，這時試品兩端電壓U0如分別公式（3）、公式（4）所示。

（3）

（4）

這時，能夠計算出和等效電容，因此，并聯補償串聯諧振品質因數為。

主回路電流如公式（5）所示。

（5）

2 實際應用和分析

在杭州市蕭山區，本文使用ZR-YJLW03-Z-64/110-1×800mm2型XLPE電纜，對某110kV線路進行耐壓試驗，將110kV工頻交流作為測試電壓。試驗主要設備的基本參數見表1。

試驗電纜長度為5.8km，其額定電壓值為110kV，電纜電容量參考值為0.183μF/km。電纜電容值CX如公式（6）所示。

CX=電纜長度×電纜電容量參考值=1.0614μF （6）

采用圖2所示方法實施串聯諧振接線。諧振試驗中的每項參數值求解流程如下所示。2個32H電感并聯后的電感值是16H，按照公式（2）求解出諧振頻率f0=38Hz。電纜電容電流如公式（7）所示。

IS=2πf0CXUS （7）

式中：US為電源電壓，其值是110kV。

把相關數值帶入公式（7），可得IS=27.9A。

將電纜長度設定為5.8km，并運行在110kV電壓條件下，如果采取串聯接線方式，以期達到諧振狀態，理論上所需電流為27.9A。然而，實際可用的變壓器輸出電流僅限于15A，該數值遠低于諧振所需電流。因此，直接應用此方案，將不可避免地造成變壓器過載問題，表明變壓器在提供諧振電流方面的輸出能力不足，即變壓器無法滿足諧振條件下對電流的需求，需要考慮其他解決方案以避免過載風險。優化串聯諧振電路實施改造計劃的重點是設計合理的分流電路結構，有效降低串聯諧振電路在特定工作條件下的諧振電流，從而避免變壓器過載現象。為了實現這一目標，本文選擇集成3節高壓電抗器的接線方案，這些電抗器每節的額定電感量均為28H。通過精心配置，這些電抗器能夠更靈活地調節電路中的電流分布，保證系統穩定運行在安全范圍內，同時保持諧振效果。調節方式如圖3所示。

引入電抗器L3（其電感量L3'為28H）并以并聯方式接入電路后，該電抗器所承擔的分流電流大小將基于電路中的總阻抗分布和各并聯元件的特性。因此，當該電抗器并聯接入后，其分流電流如公式（8）所示。

（8）

把相關數值帶入公式（8），可得IL'3=16.5A。因此，變壓器輸出電流Ib＝27.9-16.5=11.4A，經電抗器調節后，變壓器輸出電流能夠符合諧振電流標準。

經理論計算確立諧振條件的各項參數后，進一步對電纜諧振過程中的實際參數進行精確測量，這是一個驗證諧振是否發生的有效手段。如果實測所得變壓器高壓側的電壓、電流數值與理論計算值高度吻合或處于可接受的誤差范圍內，就表明在該條件下發生了諧振。理論計算值和實測值對比見表1。

分析表1可知，理論計算值與實測值間的誤差處于可接受的低水平范圍內，這充分驗證了實際操作中的準確性。因此，所得試驗結果不僅與理論計算緊密契合，還驗證了本文計算方法的高度可靠性，對后續分析與應用具有一定參考價值。

采用本文技術進行電壓試驗，連接變頻電源并嘗試進行面板設置，在升壓過程中達到諧振點后，手動調整電壓至65kV，此時可觀察到低壓輸出端電壓出現輕微振蕩后趨于穩定，而變頻電源低壓輸入端的電源電壓始終保持穩定，排除了電源波動的影響。針對此情況，采取斷電、電纜放電和重新尋找諧振點的措施，當再次升壓至65kV時，發現低壓電壓與電流停滯不前，而高壓側則出現顯著波動?，F場分析認為，問題源于高壓試驗引線的裸銅線在強風環境下發生了電暈放電和試驗引線擺動，共同導致電壓不穩定。此外，試品電纜較長的長度（5.8km）及其配備的接地箱、交叉互聯箱等裝置，均對金屬護套電壓的急劇上升具有抑制作用，使護層環流減少，從而降低了升壓速率。經過一段時間的等待，電壓逐步升至75kV后遭遇瓶頸，需要額外等待約10min才能繼續升至100kV。再等待5min，確認試品電纜和GIS側狀態正常后，最終升壓至110kV。達到預定電壓并保持1h后，系統自動執行降壓程序并切斷電源，標志著試驗過程順利完成。試驗結果表明，該110 kV電纜交流耐壓試驗合格。

3 結論

本文在實踐中驗證了變頻串聯諧振技術在高壓電纜電壓試驗中的優越性，揭示了其在提高試驗效率、降低設備需求和模擬實際工況方面的顯著優勢，這一原理具有廣泛的適用性和推廣價值。尤其在變頻技術的應用上，本文研究比傳統方法具有更高的靈活性和精準度，但是也存在一定局限性。例如，對于不同類型、不同規格的電纜，其最佳試驗參數與諧振條件的確定仍需要大量試驗數據的支持。因此，未來的研究應繼續聚焦于該問題，以期實現更全面的技術突破。

參考文獻

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[3]史興文.110kV電力電纜現場交流耐壓試驗[J].水電站機電技術，2023，46（1）：22-24，143.

[4]王賢湖，張正，周杰.高壓電力電纜試驗方法與檢測技術分析[J].大眾標準化，2022（23）：186-188.

[5]魏子舒，趙昌鵬，杜群，等.高壓電力電纜試驗方法與檢測技術探討[J].數字通信世界，2021（8）：124-125.

[6]張浩.高壓電力電纜試驗方法與檢測技術分析[J].大眾用電，2021，36（10）：52-53.