變頻串聯諧振技術在高壓電纜交接試驗中的應用

趙金明，段肖華

（1.陜西省地方電力建設有限公司調試所，陜西西安710068；2.國家電網西北分部，陜西西安710048）

隨著電網覆蓋面迅速擴大，高壓交聯電纜特別是110 kV交聯聚乙烯（XLPE）電纜在各地市供電系統開始大量使用。傳統電纜的直流高壓試驗，也隨著XLPE電纜的普及，被主管部門禁止或不推薦，而代之以輕便、簡單的串聯變頻諧振方式進行容性試品的交流耐壓試驗。下面就陜西省地方電力建設有限公司調試所常采用的一種變頻串聯諧振技術在高壓電纜交接試驗中的應用進行分析與探討[1-2]。

1 變頻串聯諧振試驗技術

1.1 變頻串聯諧振的原理

電路輸入端電壓U與電流I同相，如圖1所示在正弦電壓U作用下

式中，電抗X＝XL-XC是角頻率ω的函數，當條件滿足純電阻，此時的工作狀態稱為諧振。

串聯電路中出現的諧振又稱“串聯諧振”[3]。

圖1 串聯諧振原理圖Fig.1 Principle diagram of series resonance circuit

1.2 串聯諧振的特點

1.3 變頻串聯諧振的組成

變頻串聯諧振由變頻電源、勵磁變壓器、高壓電抗器和電容分壓器組成。運用串聯諧振原理，利用勵磁變壓器激發串聯諧振回路，調節變頻控制器的輸出頻率，使回路電感L和試品C串聯諧振，諧振電壓即為加到試品上電壓（如圖2所示）。

圖2 變頻串聯諧振組成圖Fig.2 Frequency conversion series resonance circuit diagram

被試品的電容與電抗器構成串聯諧振連接方式，分壓器并聯在被試品上，用于測量被試品的諧振電壓，并作過壓保護信號，調頻功率輸出經勵磁變壓器耦合給串聯諧振回路，提供串聯諧振的激勵功率。

諧振耐壓試驗就是通過改變試驗系統的電感量和試驗頻率，使回路處于諧振狀態，這樣試驗回路中試品上的大部分容性電流與電抗器上的感性電流相抵消，電源只提供回路中消耗的有功功率的能量。而試品Cx兩端電壓UCX卻為電源電壓UAX的Q倍，即UCX＝QUAX。其中,Q為系統的諧振倍數，即電路的品質因數。

2 變頻串聯諧振技術在高壓電纜交接試驗中的應用

2011年8月24日，清澗110 kV清楊線電纜出線，電纜長240 m、電纜導體截面積500 mm2、YJLV 64/110 kV型電纜。

2.1 計算

1）根據電纜規格、查閱規范規程要求試驗電壓

2）根據電纜規格及長度計算試品電容量為0.169μF/km的0.24 km電纜電容量

3）據已有電抗量計算f0

4）在估算試驗電流值，以判斷電抗器及勵磁變可否承受

以上滿足設備和試品要求。

2.2 電力電纜的變頻串聯諧振耐壓試驗

1）電力電纜試品接線圖如圖3所示（電抗器放置時紅面朝上白面朝下）。

圖3 電纜試品接線圖Fig.3 The wiring diagram of cable samplings

2）電纜芯線對外護套的絕緣電阻測量選用量程為5 000 V的兆歐表進行電纜絕緣電阻測量，絕緣電阻值應符合設計或規程要求。

3）電纜芯線對護套及地交流耐壓試驗，交流耐壓試驗參照GB50160-2006《電氣安裝工程電氣設備交接試驗標準》進行，試驗電壓為2U0=2×64 kV=128 kV。

2.3 電力電纜試驗電抗器選配

本實驗選3H電抗器。3H電抗器串并聯的電感量選配如表1（主要用于長電纜，可兼顧發電機、變壓器、GIS但要配大容量補償容）。

3 串聯諧振高壓試品電源的優點分析

1）所需電源容量

高壓電抗器電感值為L＝156 H；試驗電壓頻率為f＝63.3 Hz；高壓試驗電流I＝2.063A；電源電流為I0≈27 A

上述電纜如果用常規的交流高壓試驗設備進行耐壓試驗，所需試品容量為P＝2.063 A×128 kV＝264 kV·A，采用串聯諧振方法所需試驗電源的功率僅為P＝27 A×220 V＝6 kW。通過以上分析計算，可以看出，串聯諧振電源是利用諧振電抗器和被試品的電容通過調頻發生諧振而產生高電壓和大電流的，在整個系統中，電源只需要提供系統中有功消耗的部分。

2）在串聯諧振電源中省去了笨重的大功率調壓裝置和工頻試驗變壓器，使得試驗設備的重量和體積大大減少。

表1 3H電抗器串并聯的電感量Tab.1 Inductance of 3H shunt reactors H

3）由于諧振電源是諧振式濾波電路，使得電壓輸出波形畸變改善為較好的正弦波形，從而能有效防止諧波峰值對試品的誤擊穿。

4）在串聯諧振狀態時，試品的絕緣弱點一旦被擊穿，由于回路的電容值改變，使得電路立即脫諧，回路中的電流也迅速下降；從而使在被試品被擊穿時串聯諧振能有效地找到絕緣弱點，又不存在大的短路電流燒傷故障點的隱患。

4 結語

XLPE電纜交流耐壓試驗是現場電纜竣工交接試驗的主要內容；目的是檢查電纜的敷設及附件安裝是否正確，電纜在運輸、搬運、存放、敷設和回填的過程中是否受到意外損害。2011年2月29日西鄉110 kV葛堯線電纜，2011年8月24日清澗110 kV清楊線電纜，2011年9月16日涇河工業園區孟姬35 kV電纜（YJV22-26/35 kV-3 300×4.2 km）等試驗證明，在施工現場使用變頻串聯諧振技術對電纜進行高壓試驗，是科學、實用、高效的，也易于在實際工作中有效實施。

[1] 陳廣輝，王東芳，岳彩鵬，等.交流電壓下基于空間電荷效應的XLPE電纜絕緣老化研究現狀[J].電網與清潔能源，2011,27（11）：5-8.CHENGuang-hui,WANGDong-fang,YUECai-peng,et al.Research on aging of XLPE cable insulation based on space charge effect under ACvoltage[J].Power System and Clean Energy,2011,27（11）：5-8(in Chinese).

[2] 國電北京電力建設研究所.GB 50150－2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S].北京：國電北京電力建設研究所,2006.

[3] 白乃平.電路基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社,2001.

[4] 福潤德電子科技有限公司.FSS系列智能型變頻串聯諧振耐壓試驗裝置說明書[M].西安：福潤德電子科技有限公司，2009.

[5] 杜榮忠.Q420大截面角鋼在特高壓輸電線路中的應用[J].電網與清潔能源，2011,27（11）：30-34.DU Rong-zhong.Applications of.Q420 large section angle steel in UHV power transmission line[J].Power System and Clean Energy,2011（11）：30-34(in Chinese).