工頻交流耐壓試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及計(jì)算驗(yàn)證

聶衛(wèi)兵

（晉城乾泰安全技術(shù)有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048000）

引言

近年來隨著人民生活水平的日益提升，城鎮(zhèn)電力消耗急速增大，城市供電網(wǎng)絡(luò)電壓等級(jí)也大幅提高，對(duì)輸電電纜的電氣性能、可靠性等的要求越來越嚴(yán)苛。交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜在供電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，其制作工藝優(yōu)良，結(jié)構(gòu)合理，特別是在高壓輸電領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是在長(zhǎng)期的應(yīng)用過程中，也出現(xiàn)了因樹枝化放電而造成的絕緣老化破損的問題，大大減少了其使用壽命。因此，需要對(duì)其絕緣強(qiáng)度進(jìn)行耐壓試驗(yàn)[1]。以保障其可靠使用。

1 直流耐壓試驗(yàn)和交流耐壓試驗(yàn)對(duì)比分析

電氣設(shè)備絕緣耐壓試驗(yàn)有直流耐壓試驗(yàn)[2]和交流耐壓試驗(yàn)[3-4]兩種，國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員采用兩種耐壓試驗(yàn)進(jìn)行了多次的試驗(yàn)和運(yùn)行，取得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量直流耐壓試驗(yàn)和運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直流耐壓試驗(yàn)在交聯(lián)電纜的絕緣檢測(cè)中效果不佳，對(duì)于交聯(lián)電纜的絕緣問題不能準(zhǔn)確檢測(cè)，易形成絕緣隱患。不管是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)的XLPE電纜在運(yùn)行過程中，均發(fā)生過多次的故障，對(duì)其出現(xiàn)的故障原因進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，直流耐壓試驗(yàn)產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)是引起XLPE電纜出現(xiàn)大量故障的重要原因。

目前我國(guó)主要采用交流電，電纜均在交流電壓下運(yùn)行，因此交流耐壓試驗(yàn)相比于直流耐壓試驗(yàn)，其在電壓、波形、頻率以及在被試品絕緣內(nèi)部電壓低的分布等方面，均與電纜的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)相符，其能夠充分檢測(cè)交聯(lián)電纜的絕緣隱患，有效維護(hù)設(shè)備乃至供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，且具有自動(dòng)調(diào)諧、多重保護(hù)，以及低噪音、靈活的組合方式等優(yōu)點(diǎn)。

因此，通過對(duì)交聯(lián)電纜的交接試驗(yàn)原理和絕緣影響因素的分析可知，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)交聯(lián)電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)是可行且必要的。

2 串聯(lián)諧振的試驗(yàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)需要試驗(yàn)變壓器、調(diào)壓器及電源等相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)輸、安裝調(diào)試等的原因，現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)往往僅適用于小型設(shè)備；對(duì)于大型發(fā)電機(jī)、變壓器、GIS、交聯(lián)電纜等電容量大的設(shè)備則難以進(jìn)行。因此，對(duì)于大型設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)則需要采取串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)諧振的方法進(jìn)行代替試驗(yàn)。由于串聯(lián)諧振的試驗(yàn)方法，在固定電容設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)大電容設(shè)備往往采用此種方法，并通過調(diào)感或調(diào)頻來進(jìn)行諧振補(bǔ)償。

串聯(lián)諧振原理如圖1所示，變頻電源、勵(lì)磁變壓器、電抗器、分壓器等是變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的主要組成部分。電抗器與被試品的電容之間采用串聯(lián)諧振方式進(jìn)行連接；而分壓器與被試品之間采用并聯(lián)連接，其不僅可檢測(cè)被試品上的諧振電壓，同時(shí)可以作為過壓保護(hù)信號(hào)；串聯(lián)諧振的激勵(lì)功率的實(shí)現(xiàn)方式是調(diào)頻功率輸出通過激勵(lì)變壓器耦合給串聯(lián)諧振回路來實(shí)現(xiàn)的。

圖1 串聯(lián)諧振原理

2.1 總體技術(shù)規(guī)范

串聯(lián)諧振的技術(shù)規(guī)范如下：輸出試驗(yàn)電壓為0～1 000 kV交流有效值；輸出頻率為20～300 Hz；輸出試驗(yàn)電流為1～10 A交流有效值；諧振電壓波形為正弦波；波形畸變率＜1%；工作制為滿功率輸出下，連續(xù)工作時(shí)間30 min；被試品種類為各種電力變壓器、電力電纜、發(fā)電機(jī)、GIS等設(shè)備；品質(zhì)因數(shù)為20～80，視不同的負(fù)載條件而不同；輸入工作電源為220V，50 Hz；環(huán)境溫度為 0～ 40℃ ；相對(duì)濕度（RH）＜95%，無凝露；海拔高度在2 000 m以下。

2.2 主要部件的技術(shù)規(guī)范

2.2.1 變頻控制單元

將220 V、50 Hz的電源變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓連續(xù)可調(diào)的控制、操作、檢測(cè)功能單元。輸入工作電源為220 V、50 Hz，電流5～250 A；輸出頻率為20～300 Hz；輸出電壓和電流為0～250 V，電流5～250A；頻率調(diào)節(jié)細(xì)度為0.1 Hz；最大輸出功率為5～10 000 kVA。

2.2.2 勵(lì)磁變壓器

將變頻電源輸出的電壓升高，同時(shí)隔離高壓和低壓。輸入工作電源為250 V電流5～250 A；額定容量為5～50 000 kVA；輸出電壓和電流為0～10 kV，電流1～10 A。

2.2.3 諧振電抗器

與容性試品發(fā)生串聯(lián)諧振。單臺(tái)電抗器額定工作電壓的有效值為20 kV、40 kV、60 kV；單臺(tái)額定工作電流的有效值為1～10 A。

2.2.4 電容分壓器

調(diào)節(jié)高壓電壓值。工作方式為純電容式；工作頻率為30～300 Hz；電容1 000 pF±5 pF；額定電壓的有效值為 20 kV、60 kV、100 kV、200 kV、500 kV、1 000kV；測(cè)量誤差＜1%；分壓器低壓臂電壓100 V。根據(jù)圖1，其等效電路如圖2所示。

圖2 等效電路

此時(shí)，電路中的電流為：

式中：R、XL分別為電抗器的等效電阻及感抗；XC為試品容抗。

當(dāng)采用可調(diào)式電抗器進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，可調(diào)節(jié)XL，當(dāng)XL=XC時(shí)，此時(shí)回路發(fā)生串聯(lián)諧振，電壓提供較小的勵(lì)磁電壓，試品能得到很高的電壓，電路中電流為:

式中：Q為電抗器的品值因數(shù)。

由上式可看出，由于試驗(yàn)回路中電阻R很小，故Q很大，一般正常時(shí)可達(dá)50以上，由此可見，按照換算的方式，采用串聯(lián)諧振的方式可在試品上產(chǎn)生數(shù)十倍于試驗(yàn)變壓器輸出電壓的電壓，從而可大大地降低試驗(yàn)變壓器額定電壓及容量。

3 串聯(lián)諧振試驗(yàn)方法的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4 串聯(lián)諧振試驗(yàn)方法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的新計(jì)算方式

對(duì)于串聯(lián)諧振現(xiàn)場(chǎng)所采用的代入式方法，計(jì)算量比較大，查找頻率比較麻煩，且精確度低。鑒于此，現(xiàn)將代入式轉(zhuǎn)化成求值式，如下。

根據(jù)等效電路圖2得：

當(dāng)XL=XC時(shí)，電路發(fā)生諧振，則：

式中f為（20～ 300）Hz，由此可得

由于

計(jì)算可得到：

當(dāng)f=50 Hz時(shí)，帶入式（6）得

由于式（11）∈ 式（7），又f=50 Hz時(shí)，為最理想工頻值，因此可以得到最理想的L值。

5 串聯(lián)諧振試驗(yàn)新計(jì)算方式的應(yīng)用實(shí)例

采用串聯(lián)諧振試驗(yàn)法，對(duì)電纜進(jìn)行試驗(yàn)，電纜型號(hào)為 YJV22-8.7/10 kV-3×70 mm2，長(zhǎng)度 800 m。試驗(yàn)步驟如下：

1）通過查說明書得電纜容量為C=0.173 6 μ F，UC=2UO=17.4 kV，其中UO為被測(cè)電纜的線電壓。

2）測(cè)量被測(cè)電纜的絕緣電阻及吸收比，合格。

3）將C=0.173 6 μ F，UC=17.4 kV帶入下式：

計(jì)算可以得到L為58.4 H，即所需電抗器電抗L2=L-L1=58.4 H-10 H=48.4 H，其中L1為勵(lì)磁變壓器的電抗，為設(shè)備固定值。則電路中串聯(lián)一個(gè)50 H的電抗器即為最理想電抗器。

通過采用新計(jì)算方法，大大縮短了原計(jì)算時(shí)間，提升了工作效率，同時(shí)也不用專門調(diào)節(jié)頻率，即可滿足要求。在試驗(yàn)過程中，如果試品出現(xiàn)絕緣擊穿的現(xiàn)象，電路的電容量出現(xiàn)變化，回路中的電流大幅降低，為正常試驗(yàn)電流的1/Q，從而可以準(zhǔn)確找到試品的絕緣弱點(diǎn)，保護(hù)試品不被短路電流燒傷。

6 結(jié)語(yǔ)

通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析可知，采用新的串聯(lián)諧振法進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，便于操作，而且試驗(yàn)效果穩(wěn)定、可靠，不僅可以準(zhǔn)確找到試品的絕緣弱點(diǎn)，而且能夠保護(hù)試品不被短路電流燒傷。該方法可被廣泛運(yùn)用于大型設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)交流電耐壓試驗(yàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。