大容量高壓電纜試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張國飛 鐘燕

摘要：交聯(lián)聚乙烯電力電纜因其具有容量大、自重輕、易維護(hù)、電性優(yōu)等特點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用到高壓線路中。從應(yīng)用效果來看，電纜終端頭、中間接頭是比較容易發(fā)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(zhì)量缺陷有關(guān)。由于高壓電纜深埋于地下，發(fā)生故障時(shí)很難第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)、維修，不僅造成電力能源的浪費(fèi)，也帶來較高的安全隱患。因此，對(duì)于新敷設(shè)的大容量高壓電纜，必須開展交接試驗(yàn)，以驗(yàn)證其質(zhì)量可靠性。在交接試驗(yàn)中，試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、選型和應(yīng)用是至關(guān)重要的因素。

關(guān)鍵詞：大容量;高壓電纜;試驗(yàn)裝置

1 串聯(lián)諧振的基本原理

在試驗(yàn)中，利用串聯(lián)諧振裝置將回路頻率（f）調(diào)節(jié)至 時(shí)，即可在回路中產(chǎn)生諧振。根據(jù)電壓諧振倍數(shù)的不同，試驗(yàn)裝置的電壓是勵(lì)磁變高壓端輸出電壓的幾十甚至上百倍?；谶@一原理，在開展高壓電纜的耐壓試驗(yàn)時(shí)，我們可以調(diào)節(jié)變頻電源的輸出頻率，使其能夠產(chǎn)生串聯(lián)諧振;在得到回路諧振的情況下，再調(diào)節(jié)變頻電源的輸出電壓，利用系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)的倍數(shù)關(guān)系，從而在試驗(yàn)裝置上得到符合耐壓試驗(yàn)要求的高電壓。

2 大容量高壓電纜試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備選型與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 電纜耐壓試驗(yàn)要求

完成高壓電纜耐壓試驗(yàn)，除了要滿足高壓條件外，像電流、容量、頻率等參數(shù)，也要符合相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《GB50150-2016電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)）中有關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)中提供額定電壓和持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合表1要求。

除此之外，考慮到電流熱效應(yīng)的影響，為保證試驗(yàn)安全，對(duì)不同電壓等級(jí)下的電纜截面也有特殊要求。例如，本次試驗(yàn)選擇110k V的額定電壓，則對(duì)應(yīng)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(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)規(guī)定，在高壓電纜耐壓實(shí)驗(yàn)中，頻率應(yīng)控制在20-300Hz之間。根據(jù)諧振頻率（f）計(jì)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(yàn)回路中電容增大時(shí)，需要讓電感降低一定值，才能讓f值維持在20-300Hz的區(qū)間內(nèi)。

可得C=7.52H。即110k V高壓電纜的耐壓試驗(yàn)中，要想使回路諧振頻率不低于30Hz，則回路內(nèi)電感量應(yīng)在7.52H以上。根據(jù)此參數(shù)選擇對(duì)應(yīng)的電抗器。

2.1.3 試驗(yàn)裝置額定電流設(shè)計(jì)

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

2.1.4 試驗(yàn)裝置容量設(shè)計(jì)

根據(jù)電纜損耗程度的不同，系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)（Q）從幾十倍到上百倍不等。對(duì)于新建的高壓線路，電纜損耗較少，Q可取80。對(duì)于110k V的高壓電纜交接試驗(yàn)，勵(lì)磁變輸出電壓至少要達(dá)到1.8k V。同時(shí)，根據(jù)上文計(jì)算所得額定電流，試驗(yàn)回路中輸出電流不應(yīng)低于141.7A，則變頻電源的最小容量為437.1k VA。

2.1.5 試驗(yàn)裝置溫升和局放水平要求

按照《標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)規(guī)定，高壓電纜耐壓試驗(yàn)不得低于60min;如果需要完成三相試驗(yàn)，則最低時(shí)間不會(huì)低于180min。在長時(shí)間的高電壓、高電流環(huán)境下，電纜及其相連的其他試驗(yàn)裝置，都會(huì)有明顯的發(fā)熱、溫升現(xiàn)象。除此之外，還要考慮到外部環(huán)境的影響，特別是在夏季高溫，外界溫度通常可以達(dá)到35℃以上，而電纜表面溫度可以達(dá)到50℃甚至更高。

2.2 試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)組成

2.2.1 變頻電源

本次試驗(yàn)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(hù)裝置，當(dāng)回路中實(shí)時(shí)電流超過設(shè)定值時(shí)，過流保護(hù)裝置動(dòng)作，迅速切斷電源，保護(hù)裝置安全;具備過電壓保護(hù)措施，保護(hù)精度可以達(dá)到1.5級(jí);提供放電保護(hù)功能，在高壓環(huán)境下，若試驗(yàn)裝置發(fā)生高壓擊穿情況，迅速切斷電源，保護(hù)其他設(shè)備的安全。

2.2.2 勵(lì)磁變壓器

本次試驗(yàn)中選用YD-500/3.3型油浸式勵(lì)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(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)200min，繞組溫升為70K。在變壓器的低壓側(cè)設(shè)計(jì)為單繞組，在高壓側(cè)設(shè)計(jì)為等容量繞組，繞組支持串聯(lián)、并聯(lián)兩種連接方式。在低壓側(cè)和高壓側(cè)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(yàn)裝置的驗(yàn)收

按照上述要求準(zhǔn)備好試驗(yàn)所需裝置后，測試人員開始組裝試驗(yàn)電路?？紤]到本次試驗(yàn)至少要持續(xù)180min，溫升情況會(huì)直接對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)安全產(chǎn)生影響。因此，在裝置驗(yàn)收時(shí)要首先進(jìn)行溫升試驗(yàn)。溫升試驗(yàn)中，需要檢測的主要裝置有電抗器、勵(lì)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(yàn)

要求將所有的電抗器，分別進(jìn)行獨(dú)立溫升試驗(yàn)，保證每臺(tái)電抗器的實(shí)際溫升均在標(biāo)準(zhǔn)要求的70K以內(nèi)。在提供額定電流（30A）的情況下，使該裝置連續(xù)運(yùn)行180min?？刂骗h(huán)境溫度維持在相對(duì)恒定的狀態(tài)，使用儀器分別測量電抗器繞組在試驗(yàn)開始前的冷態(tài)電阻值（R1）和結(jié)束時(shí)熱態(tài)電阻值（R2）。并按照熱阻法計(jì)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(yàn)環(huán)境下，試驗(yàn)開始前冷態(tài)電阻值最低為50.07Ω，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)熱態(tài)電阻值最高為61.35Ω。6臺(tái)電抗器在試驗(yàn)中，2#設(shè)備的溫升最小，為57.74K;3#設(shè)備的溫升最大，為60.03K。而設(shè)計(jì)值70K>60.03K，故符合試驗(yàn)要求。

2.3.2 勵(lì)磁變壓器的溫升試驗(yàn)

該溫升試驗(yàn)中設(shè)定低壓側(cè)輸入電流I0=1000A，持續(xù)運(yùn)行時(shí)間為180min，使用萬用電能表分別測量高、低壓側(cè)繞組的冷態(tài)電阻值和熱態(tài)電阻值。根據(jù)測量結(jié)果，使用熱阻法求出繞組溫度，根據(jù)前后繞組的溫度差，即可得出勵(lì)磁變壓器的溫升情況。

參考文獻(xiàn)

[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(shè)與設(shè)計(jì)，2020（03）：76-77+86.