多約束條件下110kV長(zhǎng)電纜交流耐壓試驗(yàn)研究

劉海龍 萬(wàn)亦農(nóng) 周多思

（國(guó)網(wǎng)湘潭供電公司，湖南 湘潭 411100）

多約束條件下110kV長(zhǎng)電纜交流耐壓試驗(yàn)研究

劉海龍 萬(wàn)亦農(nóng) 周多思

（國(guó)網(wǎng)湘潭供電公司，湖南 湘潭 411100）

介紹了串聯(lián)諧振并聯(lián)補(bǔ)償耐壓試驗(yàn)基本原理，電纜耐壓時(shí)試驗(yàn)設(shè)備受到試驗(yàn)電壓、電流、頻率及品質(zhì)因素的約束，根據(jù)約束條件對(duì)現(xiàn)有電抗器組合設(shè)計(jì)出了一種最優(yōu)算法，為電纜交流耐壓試驗(yàn)電抗器組合設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。利用該算法根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備對(duì)某長(zhǎng)電纜設(shè)計(jì)出了一種試驗(yàn)方案，并通過(guò)仿真和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施進(jìn)行了驗(yàn)證。

串聯(lián)諧振；交流耐壓；電纜；交接試驗(yàn)；電抗器

隨著城市的快速發(fā)展，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜在城市電網(wǎng)中使用越來(lái)越廣泛［1-2］。電纜質(zhì)量及投運(yùn)前施工工藝優(yōu)劣是電纜運(yùn)行過(guò)程中故障率高低的決定性因素［3］。交流耐壓試驗(yàn)?zāi)苡行У陌l(fā)現(xiàn)絕緣缺陷及隱患［4］，是電力電纜交接試驗(yàn)項(xiàng)目中最重要的項(xiàng)目之一［5］，同時(shí)也是檢驗(yàn)電纜質(zhì)量及施工工藝優(yōu)劣最有效、最直接的手段［6-7］。電纜的交流耐壓試驗(yàn)通常采用諧振耐壓的方法，而長(zhǎng)電纜在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行諧振耐壓時(shí)也會(huì)遇到很多問(wèn)題，如設(shè)備容量、電壓、電流、頻率等各方面的約束。本文主要針對(duì)某供電公司現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備對(duì)110kV長(zhǎng)電纜串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)遇到的問(wèn)題進(jìn)行研究，從容量、電壓、電流、頻率等方面的約束條件下，求解出最優(yōu)的電抗器組合方式對(duì)110kV電纜進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原理及電抗器組合設(shè)計(jì)約束條件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

調(diào)頻諧振方式對(duì)電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，諧振電抗器通常采用積木式結(jié)構(gòu)［8］，在試驗(yàn)之前，根據(jù)電力電纜的長(zhǎng)度，計(jì)算出電纜的電容量，根據(jù)電容量選擇合適的電抗器進(jìn)行試驗(yàn)，在選取電抗器時(shí)需根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的限制設(shè)計(jì)出最優(yōu)的電抗器選擇方案。某公司現(xiàn)有海沃科技變頻電源一臺(tái)（HVFP-75kW，輸出 20～300Hz），BPDY-5型電抗器兩臺(tái)（20kV/60H/2A）、HVDK電抗器10臺(tái)（40kV/110H/2A），KZZ-220型諧振電抗器兩臺(tái)（220kV/200H/4A、），電抗器工作頻率均為 30～300Hz；試驗(yàn)變壓器容量為150kVA，多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)計(jì)算，試驗(yàn)變壓器等效電抗約為30H。

1.2 試驗(yàn)原理及電抗器組合設(shè)計(jì)最優(yōu)方法計(jì)算

串聯(lián)諧振試驗(yàn)主要有調(diào)感、調(diào)容、調(diào)頻三種方式，電力電纜耐壓試驗(yàn)，一般采用變頻串聯(lián)諧振法，變頻串聯(lián)諧振原理如圖1所示。其試驗(yàn)頻率可描述為：試驗(yàn)電壓（Q值亦可用表達(dá)），試驗(yàn)電源容量可估算為

圖1 變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)原理圖

對(duì)于長(zhǎng)電纜，單臺(tái)電抗器難以滿足試驗(yàn)要求，這就需要多臺(tái)電抗器進(jìn)行串并聯(lián)組合，尋找最優(yōu)組合方式。考慮到試驗(yàn)變壓器的等效電抗，經(jīng)大量計(jì)算與分析，在相同條件下，串聯(lián)諧振并聯(lián)補(bǔ)償試驗(yàn)方案試驗(yàn)?zāi)芰ψ顝?qiáng)，原理如圖2所示。

圖2 并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振原理圖

在L1不能滿足諧振條件時(shí)，利用L2補(bǔ)償一部分電容電流來(lái)滿足諧振的條件。經(jīng)計(jì)算，串聯(lián)諧振并聯(lián)補(bǔ)償方式試驗(yàn)頻率可表述為

當(dāng)頻率f為30Hz時(shí)，此時(shí)匹配的參數(shù)試驗(yàn)?zāi)芰ψ顝?qiáng)，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，電抗器的組合設(shè)計(jì)可以列出以下約束方程：

因此在電抗器的組合設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為式（2）求條件極值的二維函數(shù)，求解當(dāng)L1=L2時(shí)，函數(shù)h（L1，L2）取得極小值，表明在組合設(shè)計(jì)現(xiàn)有電抗器時(shí)串聯(lián)或并聯(lián)支路中的L1或L2盡可能小，才能使得盡可能大，即并聯(lián)或串聯(lián)某一個(gè)支路電抗盡可能小，從而提高試驗(yàn)?zāi)芰Α＿@為電纜耐壓試驗(yàn)方案制定時(shí)選擇最優(yōu)電抗器組合設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1.3 約束條件建立

根據(jù)輸變電設(shè)備交接試驗(yàn)規(guī)程，110kV電纜交接試驗(yàn)交流耐壓值為 128kV，試驗(yàn)電壓值及試驗(yàn)電流等因素對(duì)現(xiàn)有設(shè)備提出了諸多約束條件。現(xiàn)有 3種類型的電抗器不能隨意選擇，組合時(shí)必須能滿足以下4個(gè)約束條件：①試驗(yàn)電壓為128kV，說(shuō)明每個(gè)電抗器支路額定電壓應(yīng)大于 128kV，且每臺(tái)電抗器的分壓不能超過(guò)其額定電壓；②為滿足變頻電源及各電抗器、試驗(yàn)變壓器的工作要求，諧振頻率必須在30～300Hz之間；③各回路試驗(yàn)電流不能超過(guò)試驗(yàn)設(shè)備的額定電流；④試驗(yàn)電源容量應(yīng)滿足需求，盡可能提高品質(zhì)因數(shù)Q值。

2 某110kV電纜耐壓試驗(yàn)電抗器最優(yōu)組合

2015年9月，對(duì)湘潭110kV茶菊鋼線電纜進(jìn)行交接試驗(yàn)，電纜型號(hào)為YJLW03-Z-64/110kV，長(zhǎng)度為3180m，截面積為630mm2，電容量0.188μF/km，即總的電容量為0.598μF。

在選擇方案時(shí)，滿足試驗(yàn)電壓的情況下將所有電抗器并聯(lián)起來(lái)，計(jì)算諧振頻率小于30Hz，不滿足約束條件。因此需要采用并聯(lián)補(bǔ)償串聯(lián)諧振的試驗(yàn)方案，在滿足各約束條件的情況下，根據(jù)式（1）及最優(yōu)電抗器組合算法，只有將串聯(lián)支路或并聯(lián)支路盡量減小，才能提高試驗(yàn)頻率，本方案考慮到試驗(yàn)變壓器的等效電抗，因此盡可能的減小并聯(lián)補(bǔ)償支路的電抗值。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件，試驗(yàn)電流等因素后，設(shè)計(jì)了如圖3所示的試驗(yàn)方案。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)，計(jì)算試驗(yàn)頻率及各支路的電氣參數(shù)。

圖3 電抗器組合最優(yōu)方案

試驗(yàn)頻率為

各支路電流計(jì)算為

式中，IC為電纜對(duì)地電容電流，IL1為流過(guò)電抗器L1的電流，IL2為流過(guò)電抗器 L2的電流，IL3為流過(guò)虛線框內(nèi)每個(gè)支路電抗器的電流。

虛線框內(nèi)每個(gè)電抗器承受的電壓計(jì)算：

分析電抗器的組合設(shè)計(jì)方案，KZZ-220諧振電抗器可單獨(dú)構(gòu)成串、并電抗回路；根據(jù)試驗(yàn)電壓的要求和參數(shù)匹配情況，3臺(tái)HVDK型與1臺(tái)BPDY-5型電抗器串聯(lián)額定電壓可達(dá)140kV，既能組成5組單獨(dú)串、并電抗回路，經(jīng)計(jì)算各試驗(yàn)設(shè)備上的電壓降也不會(huì)超過(guò)其額定電壓。比較試驗(yàn)設(shè)備的各參數(shù)，試驗(yàn)頻率、每個(gè)元件承受的電流、電壓均在額定參數(shù)以內(nèi)，因此該方案電抗器的組合可以滿足茶菊鋼線電纜的耐壓試驗(yàn)。

3 仿真驗(yàn)證與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了確保方案的可行性，利用專業(yè)仿真軟件PSCAD搭建仿真模型，進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖4所示。為了模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，仿真模型中的電阻為對(duì)應(yīng)電抗的直流電阻。仿真得到試驗(yàn)頻率為30.65Hz，與計(jì)算值基本一致。從試驗(yàn)電壓波形、電流波形可以分析出，利用約束條件得出110kV茶菊鋼線電纜試驗(yàn)電抗器最優(yōu)組合，能完成3.18km電纜耐壓試驗(yàn)要求。仿真電壓、電流波形分別如圖 5、圖6所示。

圖4 試驗(yàn)仿真模型

圖5 試驗(yàn)電壓仿真結(jié)果

圖6 試驗(yàn)電流仿真結(jié)果

按照該方案，對(duì)110kV茶菊鋼電纜現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，表1為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)參數(shù)。

表1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)監(jiān)測(cè)情況

4 結(jié)論

在多約束條件下，110kV長(zhǎng)電纜耐壓試驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行，跟電抗器的組合方式有很大的關(guān)系，且電抗器的組合受到試驗(yàn)電壓、回路電流，頻率及試驗(yàn)電源容量等方面的制約。本文在多約束條件下對(duì)現(xiàn)有電抗器進(jìn)行最優(yōu)組合設(shè)計(jì)，得出了一種電抗器組合的最優(yōu)算法，一定程度上擴(kuò)展了試驗(yàn)設(shè)備對(duì)110kV電纜的耐壓能力，完成了110kV茶菊鋼線電纜交流耐壓試驗(yàn)。但該試驗(yàn)方案使得試驗(yàn)參數(shù)復(fù)雜，同時(shí)會(huì)增加回路有功損耗，因此在設(shè)計(jì)方案時(shí)，要盡可能提高試驗(yàn)回路品質(zhì)因數(shù)。

［1］趙金明，段肖華.變頻串聯(lián)諧振技術(shù)在高壓電纜交接試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（4）：23-25.

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Research on 110kV Long Cable AC Voltage Withstand Test Under Multi-constrained Condition

Liu Hailong Wan Yinong Zhou Duosi
（State Grid of Xiangtan Power Supply Company，Xiangtan，Hu'nan 411100）

Introduces the basic principle of series resonance parallel compensation voltage withstand test.When the cable is withstanding voltage the tested equipment is constrained by voltage，current，frequency and quality.In accordance with the constraint condition designed an optimal algorithm to the existing reactor combination，which gave guide to cable AC voltage withstand test reactor combination.Through the algorithm and according to the existing equipment，designed a test plan to a certain long cable and verified by simulation and field implementation.

series resonance； AC voltage withstand； cable； acceptance trial； reactor

劉海龍（1986-），男，湖南邵陽(yáng)人，工程師，碩士研究生，主要從事電氣試驗(yàn)與電力設(shè)備故障診斷的研究工作。