朱世榮,張光武
(1.福建南平市中心檢驗(yàn)所,福建南平353000;2.浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測研究院,浙江杭州310013)
工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備是電力電纜局部放電試驗(yàn)和交流電壓試驗(yàn)的高壓主設(shè)備,在GB12706—2008標(biāo)準(zhǔn)中[1],局部放電試驗(yàn)和交流電壓試驗(yàn)作為成品電纜的重要檢驗(yàn)項(xiàng)目,其最高試驗(yàn)電壓為104 kV,因此,試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)要求高,制造工藝復(fù)雜,其價(jià)格十分昂貴。目前,常用的工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備有變壓器式和串聯(lián)諧振兩種,由于兩種變壓方式各有其技術(shù)特點(diǎn),因此,應(yīng)根據(jù)自身試品需要,選擇不同的試驗(yàn)設(shè)備。
變壓器式工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備常見結(jié)構(gòu)見圖1,其中,試驗(yàn)高壓由試驗(yàn)變壓器升壓實(shí)現(xiàn),調(diào)壓設(shè)備調(diào)節(jié)試驗(yàn)電壓的大小。
串聯(lián)諧振工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備常見結(jié)構(gòu)見圖2,其中,試驗(yàn)高壓由勵(lì)磁變壓器和串聯(lián)諧振兩級(jí)升壓實(shí)現(xiàn)。
圖1 變壓器式工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖
圖2 串聯(lián)諧振工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖
以上兩種升壓方式均可根據(jù)試驗(yàn)需要,通過測量和控制儀器的工作狀態(tài)選擇進(jìn)行局部放電試驗(yàn)或交流電壓試驗(yàn),工作頻率為工頻50 Hz。
電纜在局部放電試驗(yàn)和交流電壓試驗(yàn)時(shí)為容性負(fù)載,因此以下工作原理以容性負(fù)載分析。
(1)變壓器式工作原理。采用一次線圈與二次線圈間電磁感應(yīng)或同線圈帶抽頭自感來變換電壓,電路模型見圖3。其電壓、電流、容量的計(jì)算式為:
式中,Uc為試驗(yàn)電壓(即輸出電壓);Us為試驗(yàn)變壓器的輸入電壓;k為一次線圈與二次線圈的匝數(shù)比(即變壓器的變比);Ic為輸出電流;R為高壓回路保護(hù)電阻值;ω 為角頻率,ω =2πf,f=50 Hz;Cx為被測試樣電容量;Ss為輸入容量;Sc為輸出容量。
圖3 變壓器式電路模型
(2)串聯(lián)諧振工作原理。串聯(lián)諧振又稱電壓諧振,它是RLC串聯(lián)電路,其電路模型見圖4。當(dāng)調(diào)節(jié)電抗器電感與回路容抗相等時(shí),電路將產(chǎn)生諧振,此時(shí):
式中,L為電抗器電感。
在諧振狀態(tài)下:
式中,R′為回路有功損耗的等效電阻,其阻值很小;Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù),Q=ωL/R′。
由Sc=QSs可知,輸出容量為輸入容量的Q倍,從而實(shí)現(xiàn)較小電源輸入容量獲得較大的試驗(yàn)容量。
圖4 串聯(lián)諧振電路模型
從資料中查閱所得的交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜(以下簡稱交聯(lián)電纜)電容標(biāo)準(zhǔn)值,見表1。
GB/T 3048—2007 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[2],電纜的型式試驗(yàn)應(yīng)按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取短段電纜試樣,例行試驗(yàn)應(yīng)在制造長度的電纜產(chǎn)品上進(jìn)行。電纜電容量Cx隨電纜規(guī)格和長度的增大而增大,規(guī)格和長度不同,電纜的無功功率差別也很大。
例1,額定電壓26/35 kV,630mm2的交聯(lián)電纜,當(dāng)長度為2 km,試驗(yàn)電壓為2.5 U0其無功功率W為:
W=2.5U0Ic=(2.5U0)2ωCx=(2.5 ×26)2×2 ×3.14×50×0.2533×2=672.1 kVA
表1 交聯(lián)電纜電容Cx標(biāo)準(zhǔn)值
例2,與上述同規(guī)格的額定電壓26/35 kV,630mm2的交聯(lián)電纜,當(dāng)電纜試樣長度為15 m,試驗(yàn)電壓為4 U0,其無功功率W為:
由此可知,同規(guī)格的電纜試樣長度不同,其無功功率相差很大。
受電源容量和設(shè)備造價(jià)等因素限制,35 kV交聯(lián)電纜的工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)額定容量一般不超過100 kVA,設(shè)計(jì)額定電壓一般為120~150 kV,此外,為了防止外部(如無線電、雜波等)干擾和保證試驗(yàn)安全,設(shè)備安裝時(shí)還應(yīng)配套建造屏蔽房、絕緣地坪和不大于1 Ω的接地裝置等設(shè)施。
(1)變壓器式工頻電壓設(shè)備。由于設(shè)計(jì)的額定容量一般不超過100 kVA,其試驗(yàn)時(shí)的額定輸出容量更小,對(duì)于長電纜試樣,由于輸出容量和回路電流要求很大,因此,必須增大回路導(dǎo)線和變壓器線圈的導(dǎo)體截面積,以及增大電源、保護(hù)電阻等其它元件的額定容量,這將導(dǎo)致試驗(yàn)變壓器和其它元件的體積十分龐大,設(shè)備造價(jià)也將成倍增長。
此外,大電流工作時(shí)升壓起始階段會(huì)導(dǎo)致波形畸變和三次、五次諧波的產(chǎn)生,這些均對(duì)電壓測量帶來困難。因此,變壓器式工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備并不適用于長電纜試樣的測試。
對(duì)于短段試樣這種試驗(yàn)輸出容量要求較小時(shí),變壓器式電壓試驗(yàn)設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn):1)結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)備造價(jià)低;2)調(diào)壓方便,容易控制,調(diào)壓過程簡單直觀;3)試驗(yàn)電壓波形與電源基本一致。
(2)串聯(lián)諧振工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備。通常在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí),諧振品質(zhì)因數(shù)Q一般為40~80,電源額定容量30~60 kVA,可提供的試驗(yàn)額定容量在1200 kVA以上。串聯(lián)諧振電壓試驗(yàn)設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn):1)對(duì)電源容量的要求僅為額定輸出容量的1/Q;2)試樣擊穿時(shí)會(huì)有過電壓、過電流發(fā)生,即失諧,不需使用保護(hù)電阻;3)工頻正弦波諧振時(shí),由于諧波頻率與諧振頻率不一致,諧波在串聯(lián)諧振回路中不產(chǎn)生諧振,因此,回路對(duì)諧波具有阻塞作用,輸出電壓正弦波波形較好;4)多極運(yùn)行很方便,串聯(lián)時(shí)電壓分布均勻;5)試樣擊穿時(shí)痕跡很小,可供分析研究。
其在長、短樣電纜的試驗(yàn)中均適用,但造價(jià)高于變壓器式,調(diào)壓過程需調(diào)諧后才能升壓,過程較復(fù)雜,且被測電纜電容量與電抗不匹配時(shí)無法調(diào)諧,測量無法進(jìn)行,因此,串聯(lián)諧振電壓設(shè)備更多使用于長電纜試樣。
由于檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在電纜檢驗(yàn)中主要進(jìn)行短段試樣的型式試驗(yàn),且受試驗(yàn)室場地的局限,通常很少配備長電纜試樣搬運(yùn)安裝所需的龍門吊、叉車等設(shè)備,因此,檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)適合選擇價(jià)格較低的變壓器式工頻電壓試驗(yàn)設(shè)備。電纜生產(chǎn)企業(yè)更多的是進(jìn)行成圈電纜的出廠例行試驗(yàn),因此應(yīng)選擇串聯(lián)諧振電壓試驗(yàn)設(shè)備。
[1]GB 12706—2008額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件[S].
[2]GB/T 3048—2007電線電纜電性能試驗(yàn)方法[S].