——利用有限試驗設備對1.5km35KV電纜進行交流耐壓試驗

摘要：近年來，隨著科學技術的發(fā)展，電力設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，其耐壓試驗就顯得尤為重要，在生產現(xiàn)場采用傳統(tǒng)直流耐壓試驗方法檢測電纜頭制作及電纜絕緣抗電強度的試驗，很難發(fā)現(xiàn)潛在性缺陷和局部缺陷及絕緣受潮等缺陷，而且試驗數(shù)據(jù)分析難、不好判斷、運行周期短，也對電力安全生產造成極大危害。但是，工頻交流耐壓需要的試驗設備容量大、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可以解決這類問題，本文在實踐中進行分析與探討。

關鍵詞：交流耐壓試驗;串聯(lián)變頻諧振補償法;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米橡塑電纜需要進行投運前的交接耐壓試驗。由于電纜比較長，需要充分計算電纜容量，選擇合理的試驗設備。現(xiàn)場竣工交接試驗的目的是檢驗電纜的質量、電纜附件的質量以及電纜敷設和安裝是否正確，電纜在運輸、搬運、存放、敷設和回填過程中是否有受到意外損害。因此，投運前對交聯(lián)電纜進行耐壓試驗是十分必要的。

1.串聯(lián)諧振耐壓試驗及其設備

在現(xiàn)場耐壓試驗中，當被試品的試驗電壓較高或電容值較大，試驗變壓器的額定電壓或容量不能滿足要求時，可采用串聯(lián)諧振設備進行耐壓試驗。

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

優(yōu)點：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)，當被試品的絕緣點被擊穿時，電流立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗電流的數(shù)十分之一。發(fā)生閃絡擊穿時，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。其恢復電壓的再建立過程長，很容易在再次達到閃絡電壓斷開電源，所以適用于高電壓、大容量的電力設備的絕緣耐壓試驗。

原理：利用勵磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，通過調節(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。此時回路電流最大，即：

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

串聯(lián)諧振分為調感式和調頻式兩種。

調感式串聯(lián)諧振：調感式串聯(lián)諧振采用鐵芯氣隙可調節(jié)的高壓串聯(lián)電抗器，由于被試品的電容量是一定的，通過調節(jié)電感使回路發(fā)生工頻串聯(lián)諧振。諧振時，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，此時回路電流最大，電感和電容兩端的電壓為：

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

原理圖：

圖中：T—勵磁變壓器;L—可調電感;CX—被試品;U—勵磁電壓;R—回路等效電阻;

U0—諧振時被試品兩端電壓

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 =QU Q——回路品質因數(shù)

調感式諧振時，Q一般可達40～80，其計算式為：Q=100πL/R;

諧振時串聯(lián)電抗器的電感計算式為：

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

變頻(調頻)式串聯(lián)諧振：運用串聯(lián)諧振原理，采用調頻調壓方式，當交流電壓的頻率改變時，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，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，Q一般可達50～150，則：

Q=ωL/R=UL/U=UC/U UL ——諧振時電感兩端電壓，V;UC ——諧振時電容兩端電壓，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—諧振時被試品兩端電壓。

l 諧振頻率計算：根據(jù)電感和電容計算頻率，計算式為：

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，μF.

l 電感和電容中的電流計算：串聯(lián)諧振電路中流過電感的電流等于流過電容的電流，電流計算式為： 

       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：適用范圍廣，體積小、質量輕，試驗容量大、試驗電壓高。安全可靠性高，操作簡潔方便，試驗等效性好。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;同時若在耐壓試驗過程中發(fā)生閃絡、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?；謴碗妷航⑦^程較長，很容易在再次達到閃絡電壓之前控制電源跳閘，避免重復擊穿，恢復電壓并不產生任何過沖所引起的過電壓。根據(jù)當前被試品，我們確定選擇變頻(調頻)式串聯(lián)諧振方法來進行交聯(lián)聚乙烯高壓電纜的交流耐壓試驗。

現(xiàn)有試驗設備：型號：HVFS-6型/100KV(5KVA)調頻式串聯(lián)諧振試驗裝置;

生產廠家：長沙海沃科技有限公司。額定容量：5KVA，最高試驗電壓：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)諧振試驗裝置;

生產廠家：蘇州華電。額定容量：5KVA，最高試驗電壓：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.允許運行時間：5min，共4節(jié)。

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

經計算得知，很明顯，以上任何一套試驗設備均無法滿足該試驗要求，因此我們大膽嘗試將兩套試驗設備混合使用，也就是使用串聯(lián)變頻諧振并聯(lián)補償法進行試驗分析。

2.運用串聯(lián)變頻諧振并聯(lián)補償法的計算分析

根據(jù)當前被試品，我們確定選擇變頻(調頻)式串聯(lián)諧振方法來進行交聯(lián)聚乙烯高壓電纜的交流耐壓試驗。

變頻式串聯(lián)諧振試驗接線：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

試驗參數(shù)計算如下：

交聯(lián)電纜等效電容量參數(shù)數(shù)據(jù)得：ZR-YJV22-26/35 KV，導體截面積95mm2 的電纜的電容值為0.135μf/km。則：

電纜電容量為：

此時，選型時要考慮串聯(lián)電抗器的電感量，我們一般把諧振頻率設定在50HZ來計算所需的電感量，根據(jù)上式計算得出，大概需要的電感是50H;此時，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，此時試驗電壓為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)時電壓升高，并聯(lián)時不改變電壓)。此時，一套設備無法同時滿足電壓和電流的試驗要求。所以，我們決定將兩套串聯(lián)諧振試驗設備混合使用，已達到試驗目的。即：可以將6節(jié)電抗器3并3串進行試驗。

注意：雖然用4節(jié)電抗器(2并2串)能夠達到52KV的電壓要求，但是沒有預留電壓余度，長時間滿負荷運行會對設備造成損傷，為防止損傷試驗設備，需增加電抗器數(shù)量。

此時，計算諧振頻率為：

此時，現(xiàn)有試驗設備可以滿足計算試驗條件的要求，可以進行試驗。

試驗注意事項：

l 試驗電源的容量必須滿足試驗要求。

l 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。

l 試驗裝置的過電流、過壓保護必須靈敏可靠，勵磁變高壓側應裝避雷器。

l 試驗時必須在較低電壓下調整諧振頻率，然后才可以升壓進行試驗。

l 濕度對品質因數(shù)值影響很大，因此試驗應在干燥的天氣情況下進行。

現(xiàn)場接線注意事項：

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

l 為減小電抗器漏磁的干擾，應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。

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

l 高壓引線宜采用大直徑金屬軟管，并要求盡量短。

l 注意：試驗電壓大于26kv時，務必多個電抗器串聯(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!

對試驗結果的分析判斷：

試驗中如無破壞性放電發(fā)生，則認為通過耐壓試驗。 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、燃燒或發(fā)出擊穿響聲(或斷續(xù)放電聲)，應立即停止升壓，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，則認為被試品交流耐壓試驗不合格。如確定被試品的表面閃絡是由于空氣濕度或表面臟污等所致，應將被試品清潔干燥處理后，再進行試驗。

被試品為有機絕緣材料時，試驗后應立即觸摸表面，如出現(xiàn)普遍或局部發(fā)熱，則認為絕緣不良，應立即處理后，再做耐壓試驗。如果此次試驗成功，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行混合使用(只要調壓器、勵磁變能夠滿足試驗要求)，來達到完成試驗的目的。

3.試驗接線與試驗數(shù)據(jù)

組合諧振電抗器進行試驗，接線如圖所示：

組合諧振電抗器現(xiàn)場試驗照片：

計算值與實測值對比

從計算值與實測值的對比看，數(shù)值非常接近。串聯(lián)諧振并聯(lián)補償法可以擴展現(xiàn)有試驗設備的能力，實現(xiàn)長距離交聯(lián)聚乙烯電纜的交流耐壓試驗。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。因為增加了并聯(lián)電抗器，會降低整個試驗系統(tǒng)的品質因數(shù)。若想成功實施試驗，關鍵在于合理的配置和選擇現(xiàn)有試驗設備，以期達到最佳的試驗參數(shù)，提高試驗系統(tǒng)的品質因數(shù)。通過這次實踐，我們積累了給長交聯(lián)聚乙烯電纜進行交流耐壓試驗的經驗，為今后的工作打下了堅實的基礎。

參考文獻

【1】《電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準》(GB 50150-2006)

【2】《現(xiàn)場絕緣試驗實施導則》(DL/T 474-2006)

【3】《電力設備預防性試驗規(guī)程》(DL/T 596-1996)

【4】陳天翔，王寅仲編著.電氣試驗.中國電力出版社，2005

駱 慧(甘肅省嘉峪關/酒泉供電公司 甘肅酒泉 735000)