電力電纜工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備的選擇與應(yīng)用

朱世榮，張光武

(1.福建南平市中心檢驗(yàn)所，福建南平353000;2.浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江杭州310013)

0 引言

工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備是電力電纜局部放電試驗(yàn)和交流電壓試驗(yàn)的高壓主設(shè)備，在GB12706—2008標(biāo)準(zhǔn)中［1］，局部放電試驗(yàn)和交流電壓試驗(yàn)作為成品電纜的重要檢驗(yàn)項(xiàng)目，其最高試驗(yàn)電壓為104 kV，因此，試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)要求高，制造工藝復(fù)雜，其價(jià)格十分昂貴。目前，常用的工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備有變壓器式和串聯(lián)諧振兩種，由于兩種變壓方式各有其技術(shù)特點(diǎn)，因此，應(yīng)根據(jù)自身試品需要，選擇不同的試驗(yàn)設(shè)備。

1 工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

變壓器式工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備常見(jiàn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其中，試驗(yàn)高壓由試驗(yàn)變壓器升壓實(shí)現(xiàn)，調(diào)壓設(shè)備調(diào)節(jié)試驗(yàn)電壓的大小。

串聯(lián)諧振工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備常見(jiàn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其中，試驗(yàn)高壓由勵(lì)磁變壓器和串聯(lián)諧振兩級(jí)升壓實(shí)現(xiàn)。

圖1 變壓器式工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

圖2 串聯(lián)諧振工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

以上兩種升壓方式均可根據(jù)試驗(yàn)需要，通過(guò)測(cè)量和控制儀器的工作狀態(tài)選擇進(jìn)行局部放電試驗(yàn)或交流電壓試驗(yàn)，工作頻率為工頻50 Hz。

1.2 工作原理

電纜在局部放電試驗(yàn)和交流電壓試驗(yàn)時(shí)為容性負(fù)載，因此以下工作原理以容性負(fù)載分析。

(1)變壓器式工作原理。采用一次線圈與二次線圈間電磁感應(yīng)或同線圈帶抽頭自感來(lái)變換電壓，電路模型見(jiàn)圖3。其電壓、電流、容量的計(jì)算式為:

式中，Uc為試驗(yàn)電壓(即輸出電壓);Us為試驗(yàn)變壓器的輸入電壓;k為一次線圈與二次線圈的匝數(shù)比(即變壓器的變比);Ic為輸出電流;R為高壓回路保護(hù)電阻值;ω 為角頻率，ω =2πf，f=50 Hz;Cx為被測(cè)試樣電容量;Ss為輸入容量;Sc為輸出容量。

圖3 變壓器式電路模型

(2)串聯(lián)諧振工作原理。串聯(lián)諧振又稱電壓諧振，它是RLC串聯(lián)電路，其電路模型見(jiàn)圖4。當(dāng)調(diào)節(jié)電抗器電感與回路容抗相等時(shí)，電路將產(chǎn)生諧振，此時(shí):

式中，L為電抗器電感。

在諧振狀態(tài)下:

式中，R′為回路有功損耗的等效電阻，其阻值很小;Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，Q=ωL/R′。

由Sc=QSs可知，輸出容量為輸入容量的Q倍，從而實(shí)現(xiàn)較小電源輸入容量獲得較大的試驗(yàn)容量。

圖4 串聯(lián)諧振電路模型

2 電纜無(wú)功功率的計(jì)算

從資料中查閱所得的交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜(以下簡(jiǎn)稱交聯(lián)電纜)電容標(biāo)準(zhǔn)值，見(jiàn)表1。

GB/T 3048—2007 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［2］，電纜的型式試驗(yàn)應(yīng)按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取短段電纜試樣，例行試驗(yàn)應(yīng)在制造長(zhǎng)度的電纜產(chǎn)品上進(jìn)行。電纜電容量Cx隨電纜規(guī)格和長(zhǎng)度的增大而增大，規(guī)格和長(zhǎng)度不同，電纜的無(wú)功功率差別也很大。

例1，額定電壓26/35 kV，630mm2的交聯(lián)電纜，當(dāng)長(zhǎng)度為2 km，試驗(yàn)電壓為2.5 U0其無(wú)功功率W為:

W=2.5U0Ic=(2.5U0)2ωCx=(2.5 ×26)2×2 ×3.14×50×0.2533×2=672.1 kVA

表1 交聯(lián)電纜電容Cx標(biāo)準(zhǔn)值

例2，與上述同規(guī)格的額定電壓26/35 kV，630mm2的交聯(lián)電纜，當(dāng)電纜試樣長(zhǎng)度為15 m，試驗(yàn)電壓為4 U0，其無(wú)功功率W為:

由此可知，同規(guī)格的電纜試樣長(zhǎng)度不同，其無(wú)功功率相差很大。

3 工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備的選擇

受電源容量和設(shè)備造價(jià)等因素限制，35 kV交聯(lián)電纜的工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)額定容量一般不超過(guò)100 kVA，設(shè)計(jì)額定電壓一般為120～150 kV，此外，為了防止外部(如無(wú)線電、雜波等)干擾和保證試驗(yàn)安全，設(shè)備安裝時(shí)還應(yīng)配套建造屏蔽房、絕緣地坪和不大于1 Ω的接地裝置等設(shè)施。

(1)變壓器式工頻電壓設(shè)備。由于設(shè)計(jì)的額定容量一般不超過(guò)100 kVA，其試驗(yàn)時(shí)的額定輸出容量更小，對(duì)于長(zhǎng)電纜試樣，由于輸出容量和回路電流要求很大，因此，必須增大回路導(dǎo)線和變壓器線圈的導(dǎo)體截面積，以及增大電源、保護(hù)電阻等其它元件的額定容量，這將導(dǎo)致試驗(yàn)變壓器和其它元件的體積十分龐大，設(shè)備造價(jià)也將成倍增長(zhǎng)。

此外，大電流工作時(shí)升壓起始階段會(huì)導(dǎo)致波形畸變和三次、五次諧波的產(chǎn)生，這些均對(duì)電壓測(cè)量帶來(lái)困難。因此，變壓器式工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備并不適用于長(zhǎng)電纜試樣的測(cè)試。

對(duì)于短段試樣這種試驗(yàn)輸出容量要求較小時(shí)，變壓器式電壓試驗(yàn)設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn):1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備造價(jià)低;2)調(diào)壓方便，容易控制，調(diào)壓過(guò)程簡(jiǎn)單直觀;3)試驗(yàn)電壓波形與電源基本一致。

(2)串聯(lián)諧振工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備。通常在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，諧振品質(zhì)因數(shù)Q一般為40～80，電源額定容量30～60 kVA，可提供的試驗(yàn)額定容量在1200 kVA以上。串聯(lián)諧振電壓試驗(yàn)設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn):1)對(duì)電源容量的要求僅為額定輸出容量的1/Q;2)試樣擊穿時(shí)會(huì)有過(guò)電壓、過(guò)電流發(fā)生，即失諧，不需使用保護(hù)電阻;3)工頻正弦波諧振時(shí)，由于諧波頻率與諧振頻率不一致，諧波在串聯(lián)諧振回路中不產(chǎn)生諧振，因此，回路對(duì)諧波具有阻塞作用，輸出電壓正弦波波形較好;4)多極運(yùn)行很方便，串聯(lián)時(shí)電壓分布均勻;5)試樣擊穿時(shí)痕跡很小，可供分析研究。

其在長(zhǎng)、短樣電纜的試驗(yàn)中均適用，但造價(jià)高于變壓器式，調(diào)壓過(guò)程需調(diào)諧后才能升壓，過(guò)程較復(fù)雜，且被測(cè)電纜電容量與電抗不匹配時(shí)無(wú)法調(diào)諧，測(cè)量無(wú)法進(jìn)行，因此，串聯(lián)諧振電壓設(shè)備更多使用于長(zhǎng)電纜試樣。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在電纜檢驗(yàn)中主要進(jìn)行短段試樣的型式試驗(yàn)，且受試驗(yàn)室場(chǎng)地的局限，通常很少配備長(zhǎng)電纜試樣搬運(yùn)安裝所需的龍門吊、叉車等設(shè)備，因此，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)適合選擇價(jià)格較低的變壓器式工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備。電纜生產(chǎn)企業(yè)更多的是進(jìn)行成圈電纜的出廠例行試驗(yàn)，因此應(yīng)選擇串聯(lián)諧振電壓試驗(yàn)設(shè)備。

［1］GB 12706—2008額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

［2］GB/T 3048—2007電線電纜電性能試驗(yàn)方法［S］.