串聯(lián)變頻諧振補(bǔ)償法在35KV長電纜交流耐壓試驗(yàn)中的應(yīng)用

駱慧

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力設(shè)備絕緣材料性能的不斷提高，在電力系統(tǒng)大量采用高壓交聯(lián)聚乙烯電纜作為傳送電能的主要材料。隨著電纜的絕緣等級越來越高，其耐壓試驗(yàn)就顯得尤為重要，在生產(chǎn)現(xiàn)場采用傳統(tǒng)直流耐壓試驗(yàn)方法檢測電纜頭制作及電纜絕緣抗電強(qiáng)度的試驗(yàn)，很難發(fā)現(xiàn)潛在性缺陷和局部缺陷及絕緣受潮等缺陷，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析難、不好判斷、運(yùn)行周期短，也對電力安全生產(chǎn)造成極大危害。但是，工頻交流耐壓需要的試驗(yàn)設(shè)備容量大、體積大、提供的電源容量大，重量動輒好幾噸，因此不適合在現(xiàn)場使用。而使用變頻諧振技術(shù)可以解決這類問題，該文在實(shí)踐中進(jìn)行分析與探討。

交流耐壓試驗(yàn)；串聯(lián)變頻諧振補(bǔ)償法；交聯(lián)聚乙烯電纜

甘肅省敦煌市35KV光伏發(fā)電廠5條長度約800~1500米橡塑電纜需要進(jìn)行投運(yùn)前的交接耐壓試驗(yàn)。由于電纜比較長，需要充分計(jì)算電纜容量，選擇合理的試驗(yàn)設(shè)備?，F(xiàn)場竣工交接試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)電纜的質(zhì)量、電纜附件的質(zhì)量以及電纜敷設(shè)和安裝是否正確，電纜在運(yùn)輸、搬運(yùn)、存放、敷設(shè)和回填過程中是否有受到意外損害。因此，投運(yùn)前對交聯(lián)電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)是十分必要的。

1.串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)及其設(shè)備

在現(xiàn)場耐壓試驗(yàn)中，當(dāng)被試品的試驗(yàn)電壓較高或電容值較大，試驗(yàn)變壓器的額定電壓或容量不能滿足要求時(shí)，可采用串聯(lián)諧振設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置具有試驗(yàn)設(shè)備體積小，試驗(yàn)電源電壓低、功率小（僅需提供試驗(yàn)回路中的有功功率），試驗(yàn)電壓波形好的特點(diǎn)。因此，串聯(lián)諧振廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場橡塑電纜，氣體絕緣組合電器（GIS），大型發(fā)電機(jī)組，大型電力變壓器，耦合電容器等高電壓，大容量電力設(shè)備的交流耐壓、感應(yīng)耐壓、局部放電等試驗(yàn)。

優(yōu)點(diǎn)：變頻串聯(lián)諧振是諧振式電流濾波電路，能改善電源波形畸變，獲得較好的正弦電壓波形，有效防止諧波峰值對被試品的誤擊穿。變頻串聯(lián)諧振工作在諧振狀態(tài)，當(dāng)被試品的絕緣點(diǎn)被擊穿時(shí)，電流立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗(yàn)電流的數(shù)十分之一。發(fā)生閃絡(luò)擊穿時(shí)，因失去諧振條件，除短路電流立即下降外，高電壓也立即消失，電弧即可熄滅。其恢復(fù)電壓的再建立過程長，很容易在再次達(dá)到閃絡(luò)電壓斷開電源，所以適用于高電壓、大容量的電力設(shè)備的絕緣耐壓試驗(yàn)。

原理：利用勵磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，通過調(diào)節(jié)電感或改變電源的輸出頻率，使回路中的感抗和容抗相等，回路呈諧振狀態(tài)，回路中無功趨于零。

此時(shí)回路電流最大，即：Im=U/√R2+(XLXC)2=U/R

式中：Im——諧振時(shí)回路最大電流，A；R——回路等效電阻（一般主要為電抗器的內(nèi)阻），；U——勵磁變壓器高壓側(cè)的輸出電壓，V；XL——回路中的感抗，；XC——回路中的容抗，。

串聯(lián)諧振分為調(diào)感式和調(diào)頻式兩種。

調(diào)感式串聯(lián)諧振：調(diào)感式串聯(lián)諧振采用鐵芯氣隙可調(diào)節(jié)的高壓串聯(lián)電抗器，由于被試品的電容量是一定的，通過調(diào)節(jié)電感使回路發(fā)生工頻串聯(lián)諧振。諧振時(shí)，回路呈純阻性，回路電流等于勵磁電壓U除以回路的等效電阻R，此時(shí)回路電流最大，電感和電容兩端的電壓為：U0=Im(1/CX)=Im（L）=(U/R)l

式中：U0——諧振時(shí)被試品的兩端的電壓，V；L——可調(diào)電抗器電感，H；CX——被試品電容量，F(xiàn)；——角頻率。Im，U,R同前式。原理圖：

圖中：T—勵磁變壓器；L—可調(diào)電感；CX—被試品；U—勵磁電壓；R—回路等效電阻；U0—諧振時(shí)被試品兩端電壓。

電路諧振后電感或電容兩端的電壓U0等于Q倍的勵磁電壓U。

即U0=QUQ——回路品質(zhì)因數(shù)

調(diào)感式諧振時(shí)，Q一般可達(dá)40~80，其計(jì)算式為：Q=100L/R;

諧振時(shí)串聯(lián)電抗器的電感計(jì)算式為：L=1/（100）2C

由于此方法較難控制調(diào)節(jié)，現(xiàn)場不常采用，應(yīng)用性不佳，所以這里我們不做過多的闡述討論。

變頻（調(diào)頻）式串聯(lián)諧振：運(yùn)用串聯(lián)諧振原理，采用調(diào)頻調(diào)壓方式，當(dāng)交流電壓的頻率改變時(shí)，電路中的感抗、容抗隨之而改變，電路中的電流也隨之改變，通過調(diào)節(jié)電源的頻率使感抗等于容抗，電路發(fā)生串聯(lián)諧振，回路中的無功幾乎為零。此時(shí)，電流最大，且與輸入電壓同相位，使電感或電容兩端獲得一個高于勵磁電壓Q倍的電壓。

變頻式諧振時(shí)，Q一般可達(dá)50~150，則：Q=L/R=UL/U=UC/U

UL——諧振時(shí)電感兩端電壓，V；UC——諧振時(shí)電容兩端電壓，V。原理圖：

圖中：FC—變頻電源；T—勵磁變壓器；L—電感；R—回路等效電阻；CX—被試品；U—勵磁電壓；U0—諧振時(shí)被試品兩端電壓。

●諧振頻率計(jì)算：根據(jù)電感和電容計(jì)算頻率，計(jì)算式為：f0=(1/2√LC)?03。式中：f0——諧振頻率，Hz；L——電抗器電感量，H；C——被試品和分壓器電容，F(xiàn)。

●電感和電容中的電流計(jì)算：串聯(lián)諧振電路中流過電感的電流等于流過電容的電流，電流計(jì)算式為：IC=IL=CXU?0-3。式中：IC、IL——流過電感和電容的電流，A。

串聯(lián)諧振系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：適用范圍廣，體積小、質(zhì)量輕，試驗(yàn)容量大、試驗(yàn)電壓高。安全可靠性高，操作簡潔方便，試驗(yàn)等效性好。串聯(lián)諧振裝置對高次諧波分量回路阻抗很大，所以試品上的電壓波形好；同時(shí)若在耐壓試驗(yàn)過程中發(fā)生閃絡(luò)、擊穿、因失去了諧振條件，高電壓立即消失，從而使電弧立即熄滅?；謴?fù)電壓建立過程較長，很容易在再次達(dá)到閃絡(luò)電壓之前控制電源跳閘，避免重復(fù)擊穿，恢復(fù)電壓并不產(chǎn)生任何過沖所引起的過電壓。根據(jù)當(dāng)前被試品，我們確定選擇變頻（調(diào)頻）式串聯(lián)諧振方法來進(jìn)行交聯(lián)聚乙烯高壓電纜的交流耐壓試驗(yàn)。

現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備：

型號：HVFS-6型/100KV（5KVA）調(diào)頻式串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置；生產(chǎn)廠家：長沙海沃科技有限公司。額定容量：5KVA，最高試驗(yàn)電壓：100KV；電抗器：電壓27KV/節(jié)，電流1.0A/節(jié)，電感130H/節(jié)，工作頻率30—300HZ；共4節(jié)。

型號：HDSR-F100/104KV（5KVA）串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置；生產(chǎn)廠家：蘇州華電。額定容量：5KVA，最高試驗(yàn)電壓：104KV；電抗器：電壓26KV/節(jié)，電流1.0A/節(jié)，電感129.3H/節(jié),工作頻率30—300HZ；允許運(yùn)行時(shí)間：5min，共4節(jié)。

以當(dāng)前被試品：1500m長35KV橡塑電纜，電纜型號：ZR-YJV22-26/35KV，導(dǎo)體截面積95mm2為例，按照《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，橡塑電纜采用20~300Hz交流耐壓試驗(yàn)，根據(jù)型號和電壓等級可得電纜試驗(yàn)電壓為2U0，試驗(yàn)時(shí)間為60min。

經(jīng)計(jì)算得知，很明顯，以上任何一套試驗(yàn)設(shè)備均無法滿足該試驗(yàn)要求，因此我們大膽嘗試將兩套試驗(yàn)設(shè)備混合使用，也就是使用串聯(lián)變頻諧振并聯(lián)補(bǔ)償法進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.運(yùn)用串聯(lián)變頻諧振并聯(lián)補(bǔ)償法的計(jì)算分析

根據(jù)當(dāng)前被試品，我們確定選擇變頻（調(diào)頻）式串聯(lián)諧振方法來進(jìn)行交聯(lián)聚乙烯高壓電纜的交流耐壓試驗(yàn)。變頻式串聯(lián)諧振試驗(yàn)接線：如下圖所示：

圖中：FC—變頻電源；T—勵磁變壓器；L—諧振電抗器；CX—被試品；C1,C2—電容分壓器高、低壓臂電容。

試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算如下：

交聯(lián)電纜等效電容量參數(shù)數(shù)據(jù)得：ZR-YJV22-26/35KV，導(dǎo)體截面積95mm2的電纜的電容值為0.135f/km。則：電纜電容量為：CX=1.5?.135=0.2025（f），US=2U0=2?6=52（KV），f0=(1/2√LCX)?03。

推出，L=〔1/（2f0）2CX〕?06=〔1/（2?.14?0）2?0.2025〕?06= 50.08（H）此時(shí)，選型時(shí)要考慮串聯(lián)電抗器的電感量，我們一般把諧振頻率設(shè)定在50HZ來計(jì)算所需的電感量，根據(jù)上式計(jì)算得出，大概需要的電感是50H；此時(shí)，我們可以選擇用兩節(jié)額定容量為130H的電抗器并聯(lián)來減小電感量。

L=L1//L2=(L1*L2)/(L1+L2)=(130*130)/(130+130)=65(H)

但是，此時(shí)試驗(yàn)電壓為52KV的條件無法滿足，每節(jié)電抗器的額定電壓為26KV（電抗器串聯(lián)時(shí)電壓升高，并聯(lián)時(shí)不改變電壓）。此時(shí)，一套設(shè)備無法同時(shí)滿足電壓和電流的試驗(yàn)要求。所以，我們決定將兩套串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備混合使用，已達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?。即：可以?節(jié)電抗器3并3串進(jìn)行試驗(yàn)。

注意：雖然用4節(jié)電抗器（2并2串）能夠達(dá)到52KV的電壓要求，但是沒有預(yù)留電壓余度，長時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行會對設(shè)備造成損傷，為防止損傷試驗(yàn)設(shè)備，需增加電抗器數(shù)量。

此時(shí)，計(jì)算諧振頻率為：L=3L1//3L2=(3L1?L2)/(3L1+3L2)=195（H）

f0=(1/2√LCX)?03=〔1/（2?.14住?95?.2025）〕?03= 25.34（Hz）

此時(shí)，回路中的電流為:IS=CXUS?0-3=2f0CXUS?0-3=2?3.14?5.34?.2025?2?0-3=1675.69?0-3=1.675（A）

Q取一個較低值40，則U勵=US/Q=52/40=1.3

計(jì)算勵磁容量，P勵=U勵譏S=1.3?.675=2.1775(kw)，此時(shí)，現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備可以滿足計(jì)算試驗(yàn)條件的要求，可以進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)注意事項(xiàng)：

●試驗(yàn)電源的容量必須滿足試驗(yàn)要求。

●為減小電暈損失，提高Q值，高壓引線宜采用大直徑金屬軟管，并盡量短。

●試驗(yàn)裝置的過電流、過壓保護(hù)必須靈敏可靠，勵磁變高壓側(cè)應(yīng)裝避雷器。

●試驗(yàn)時(shí)必須在較低電壓下調(diào)整諧振頻率，然后才可以升壓進(jìn)行試驗(yàn)。

●濕度對品質(zhì)因數(shù)值影響很大，因此試驗(yàn)應(yīng)在干燥的天氣情況下進(jìn)行。

現(xiàn)場接線注意事項(xiàng)：

●應(yīng)用專配接地線將各需接地部件連接，使得其中僅一點(diǎn)接到接地母線。特別注意控制箱、勵磁變、分壓器的接地端至地線組的O點(diǎn)（如現(xiàn)場接線圖）應(yīng)盡可能的短，不要任意延長接地線的長度。

●為減小電抗器漏磁的干擾，應(yīng)將接地線組與高壓取樣信號線（即分壓器輸出線）盡可能的并行放置，布線要集中不分散，且遠(yuǎn)離電抗器，絕對避免接地線組和高壓取樣信號線穿梭于電抗器之間。

●高壓設(shè)備應(yīng)盡量靠近被試品，并與周圍其它物體保持應(yīng)有的空間距離。勵磁變壓器在電抗器與控制箱之間。小容量試品試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡可能使高壓引線等固定，減小分布電容的變化，有利于試驗(yàn)電壓的穩(wěn)定。

●高壓引線宜采用大直徑金屬軟管，并要求盡量短。

●注意：試驗(yàn)電壓大于26kv時(shí)，務(wù)必多個電抗器串聯(lián)，若橫向并列串聯(lián)，則后一級電抗器底部必須加專用絕緣底座！

對試驗(yàn)結(jié)果的分析判斷：

試驗(yàn)中如無破壞性放電發(fā)生，則認(rèn)為通過耐壓試驗(yàn)。在升壓和耐壓過程中，如發(fā)現(xiàn)電壓表指針擺動很大，電流表指示急劇增加，電壓往上升方向調(diào)節(jié)，電流上升、電壓基本不變甚至有下降趨勢，被試品冒煙、出氣、焦臭、閃絡(luò)、燃燒或發(fā)出擊穿響聲（或斷續(xù)放電聲），應(yīng)立即停止升壓，降壓停電后查明原因。這些現(xiàn)象如查明是絕緣部分出現(xiàn)的，則認(rèn)為被試品交流耐壓試驗(yàn)不合格。如確定被試品的表面閃絡(luò)是由于空氣濕度或表面臟污等所致，應(yīng)將被試品清潔干燥處理后，再進(jìn)行試驗(yàn)。

被試品為有機(jī)絕緣材料時(shí)，試驗(yàn)后應(yīng)立即觸摸表面，如出現(xiàn)普遍或局部發(fā)熱，則認(rèn)為絕緣不良，應(yīng)立即處理后，再做耐壓試驗(yàn)。如果此次試驗(yàn)成功，以此類推，我們就可以用不同廠家，甚至不同電感量的電抗器進(jìn)行混合使用（只要調(diào)壓器、勵磁變能夠滿足試驗(yàn)要求），來達(dá)到完成試驗(yàn)的目的。

3.試驗(yàn)接線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

組合諧振電抗器進(jìn)行試驗(yàn)接線

組合諧振電抗器現(xiàn)場試驗(yàn)照片

計(jì)算值與實(shí)測值對比

從計(jì)算值與實(shí)測值的對比看，數(shù)值非常接近。串聯(lián)諧振并聯(lián)補(bǔ)償法可以擴(kuò)展現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備的能力，實(shí)現(xiàn)長距離交聯(lián)聚乙烯電纜的交流耐壓試驗(yàn)。被試的電纜越長，需要并聯(lián)的電抗器越多，但也不能無限的增加。因?yàn)樵黾恿瞬⒙?lián)電抗器，會降低整個試驗(yàn)系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)。若想成功實(shí)施試驗(yàn)，關(guān)鍵在于合理的配置和選擇現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備，以期達(dá)到最佳的試驗(yàn)參數(shù)，提高試驗(yàn)系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)。通過這次實(shí)踐，我們積累了給長交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，為今后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50150- 2006）

[2]《現(xiàn)場絕緣試驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則》（DL/T474-2006）

[3]《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T596-1996）

[4]陳天翔，王寅仲編著.電氣試驗(yàn).北京：中國電力出版社，2005