中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東火電工程有限公司 葉國文

高壓長電纜交流耐壓試驗方法

中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東火電工程有限公司 葉國文

由于電纜的電容量較大，采用傳統(tǒng)的工頻試驗變壓器很笨重、龐大，且大電流的工作電源在現(xiàn)場不易取得，因此一般都采用串聯(lián)諧振交流耐壓試驗設(shè)備，為進(jìn)一步提高試驗效率，在變頻串聯(lián)諧振耐壓方式的基礎(chǔ)上，在多個工程項目耐壓試驗過程中，將不同類型的高壓諧振電抗器組合起來使用，采用串并聯(lián)補(bǔ)償?shù)脑囼灧椒?，能靈活整定試驗電壓、調(diào)頻范圍、加壓時間、保護(hù)電流，結(jié)構(gòu)簡單、降低能耗、安全可靠。

高壓長電纜；串并聯(lián)；諧振耐壓；試驗方法

前言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)工程建設(shè)的電壓等級及規(guī)模不斷增大，高壓線路走廊規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市化的飛速發(fā)展和規(guī)劃，土地資源緊缺及空中走線的限制，超高電壓等級的電纜也被廣泛應(yīng)用，大截面、長距離的高壓電力電纜線路工程日漸增多，根據(jù)電纜交接試驗規(guī)范規(guī)定，需進(jìn)行電纜交流耐壓試驗，避免投運后發(fā)生故障的損失，有效地保證電纜的可靠投運和安全運行。串聯(lián)調(diào)頻諧振耐壓試驗方法，已廣泛應(yīng)用于高壓大容量耐壓試驗，特別適用于高壓長電纜交流耐壓試驗。

近年來，隨著國內(nèi)電網(wǎng)工程建設(shè)的電壓等級及規(guī)模不斷增大，高電壓等級的電纜線路也被廣泛應(yīng)用，電纜線路的運行和研究表明，電纜的絕緣在運行中易產(chǎn)生樹枝化放電，造成絕緣老化破壞，嚴(yán)重地影響了電力電纜的使用壽命。因此，電纜運行前通過交流耐壓試驗方法檢驗其絕緣特性，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)防絕緣中存在的某些缺陷，對保障設(shè)備乃至電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行具有十分重要的意義。國標(biāo)GB50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》［1］推薦采用變頻串聯(lián)諧振耐壓方式，針對上述電纜耐壓試驗特點，展開電纜交流耐壓試驗方法的技術(shù)專題研究，在多個工程項目耐壓試驗方法中，在變頻串聯(lián)諧振耐壓方式的基礎(chǔ)上，將不同類型的高壓諧振電抗器組合起來使用，采用串并聯(lián)補(bǔ)償?shù)脑囼灧椒?，能靈活整定試驗電壓、調(diào)頻范圍、加壓時間、保護(hù)電流，結(jié)構(gòu)簡單、降低能耗、安全可靠。

1. 變頻諧振耐壓試驗方法的特點

1.1變頻諧振交流耐壓試驗儀器結(jié)構(gòu)簡單

試驗儀器由變頻電源、勵磁變壓器、高壓電抗器、高壓分壓器、補(bǔ)償電容器（選配）等組成，由于電纜的電容量較大，采用傳統(tǒng)的工頻試驗變壓器很笨重、龐大，且大電流的工作電源在現(xiàn)場不易取得。因此一般都采用串聯(lián)諧振交流耐壓試驗設(shè)備，用在高電壓等級電纜時，電抗器采用串并聯(lián)組合的結(jié)構(gòu)，同時便于運輸和現(xiàn)場安裝。

1.2降低系統(tǒng)能耗、提升綜合試驗?zāi)芰?/p>

變頻諧振交流耐壓試驗中使用串并聯(lián)補(bǔ)償法進(jìn)行試驗，將不同類型電抗器組合使用，并聯(lián)接地補(bǔ)償?shù)碾娍蛊髌鸬綗o功補(bǔ)償?shù)淖饔茫档徒涣髂蛪涸囼炏到y(tǒng)的整體電流，在低電壓下調(diào)諧振點，然后再升高電壓幅值達(dá)到試驗所需電壓，且能保持諧振點，安全可靠。該方法應(yīng)用于高壓長電纜試驗中達(dá)到不同類型電抗器資源整合使用，共同配合完成交流耐壓試驗，提升各協(xié)作單位的綜合試驗?zāi)芰Α?/p>

1.3變頻諧振交流耐壓試驗安全可靠

串并聯(lián)諧振交流耐壓試驗?zāi)莒`活整定試驗電壓、調(diào)頻范圍、加壓時間、保護(hù)電流，不僅可以在穩(wěn)態(tài)下使放電或擊穿電流小，而且還使暫態(tài)（瞬時）電流的破壞減小，從而保證設(shè)備和人身的安全。在試品擊穿時，諧振條件破壞，短路電流小，只有試品額定電流的1/10以下，對試品的危害性小。

2.串聯(lián)諧振耐壓試驗工作原理

2.1變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗原理

變頻串并聯(lián)諧振耐壓試驗設(shè)備由變頻控制電源、勵磁變壓器、高壓電抗器、高壓分壓器四部分組成。變頻電源VF提供頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的電壓，由勵磁變壓器經(jīng)過初步升壓后，通過諧振電抗器L（試驗時所使用的高壓電抗器組，它可以由兩個或者更多個高壓電抗器組成）和回路的電容C（即圖2.1.1中的電容分壓器Cf和試驗Cx）之間發(fā)生諧振，在試品上得到諧振電壓。通過改變變頻電源的輸出頻率，使回路處于串并聯(lián)諧振狀態(tài)；調(diào)節(jié)變頻電源的輸出電壓幅值，使試品上的電壓達(dá)到試驗所要求的電壓。

圖2.1.1 試驗回路示意圖

2.2在工程中串并聯(lián)諧振耐壓實際應(yīng)用

（1）諧振回路的有功損耗還有電暈、電導(dǎo)損耗、頻率損耗等，故有功損耗將會大于I2R。

（2）諧振回路中的電阻是等效出來的，其實際是電抗器的內(nèi)阻rL和電容器的等效損耗電阻rC之和，所以工程中所測電壓和電流之積為電抗器或電容器上的視在功率。

（3）諧振回路中的電源提供容量（有功功率等于視在功率），為電抗器上所產(chǎn)生容量的1/Q倍（Q為諧振回路的品質(zhì)因素）。

（4）諧振條件和試驗電壓的穩(wěn)定性取決于電源頻率和試驗回路特性的穩(wěn)定性，當(dāng)試品放電時，電源輸出的電流較小，從而限制了對試品絕緣的損壞。當(dāng)電纜試品的外絕緣上泄漏電流同流過試品電容電流相比很小或者形成破壞性放電的能量很小時，串并聯(lián)諧振回路特別有用。

圖2.3 變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗工作原理等效回路

2.3串并聯(lián)諧振算術(shù)推論

諧振原理：

圖2.3中R等效為電抗器L的內(nèi)阻。

當(dāng)串聯(lián)回路處于諧振狀態(tài)時，電容上的電壓為：

由上式可以看出在電容上的電壓UC高于電源輸入電壓U的Q倍，在工程應(yīng)用中，電抗器品質(zhì)因素（Q）一般取幾十到幾百。

在串聯(lián)諧振功率如下：

3. 工程實例

某220kV 電纜線路的主要參數(shù)

型 號：YJLW03

規(guī) 格：1×2000mm2

額定電壓：127/220kV

電纜長度：8.2km

電纜試驗電壓值

對采用傳統(tǒng)工頻耐壓試驗、串聯(lián)諧振耐壓試驗和串并聯(lián)諧振耐壓試驗三種試驗方法進(jìn)行計算及數(shù)據(jù)比對。

3.1變頻串并聯(lián)諧振計算參數(shù)

3.1.1電抗器組合

使用三臺250kV/65H/20A電抗器并聯(lián)后，串聯(lián)在試驗回路內(nèi)，使用兩臺230kV/65H/15A電抗器并聯(lián)在試驗回路內(nèi)，補(bǔ)償試驗電流。

高壓電抗器等效電感量：

L總=1/［1/L1+1/L2+1/L3…］=13（H）（其中L1、L2、L3…=65H）

3.1.2諧振頻率

f =1/ （2π×√L×C） ≈33（Hz）（L：13H；C：1.76×10-6F）

計算試驗頻率滿足《GB50150—2006 電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》橡塑電纜優(yōu)先采用20～300Hz交流耐壓試驗的要求。

3.1.3高壓試驗電流

I總=U×ω×C≈65（A） （U：180kV，C：1.76×10-6F，ω=2πf（f=33Hz）

每臺電抗器的分配電流：每臺電抗器承受的電流與電抗器的電感值成反比，而此次每臺電抗器的電感值都是65H，因此每臺承受的電流一樣。

I1=65A/5=13（A）

計算的試驗電流滿足每個電抗器的電流設(shè)計值。試驗變頻電源和試驗變壓器滿足電流、電壓要求。

3.2變頻串聯(lián)諧振計算參數(shù)

3.2.1電抗器組合

使用二臺230kV/23H/35A電抗器并聯(lián)后，串聯(lián)在試驗回路內(nèi)。高壓電抗器等效電感量：

L總=1/［1/L1+1/L2］=11.5（H）（其中L1、L2=23H）

3.2.2諧振頻率

f=1/ （2π×√L×C）≈35（Hz）（L：13H；C：1.76×10-6F）

計算試驗頻率滿足《GB50150—2006 電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》橡塑電纜優(yōu)先采用20～300Hz交流耐壓試驗的要求。

3.2.3高壓試驗電流

I總=U×ω×C≈69（A）（U：180kV，C：1.76×10-6F，ω=2πf（f=35Hz）

每臺電抗器的分配電流：每臺電抗器承受的電流與電抗器的電感值成反比，而此次每臺電抗器的電感值都是23H，因此每臺承受的電流一樣。

I1=65A/5=34.5（A）

計算的試驗電流滿足每個電抗器的電流設(shè)計值。試驗變頻電源和試驗變壓器滿足電流、電壓要求。

3.3使用傳統(tǒng)方法的工頻耐壓設(shè)備參數(shù)計算

試驗頻率：50Hz

3.3.1高壓試驗電流

I總=U×ω×C≈99.5（A）（U：180kV，C：1.76uF，ω=2πf（f=50Hz）

3.3.2試驗功率

p=UI=180000×99=17905kW

3.3.3勵磁變壓器

設(shè)備配置要求：高壓側(cè)電壓大于200kV（180kV×1.1=198kV），高壓側(cè)電流大于110A（99.5×1.1=109.5A），設(shè)備容量須大于18000kVA。

3.3.4試驗調(diào)壓電源要求

試驗電源采用380V，設(shè)備容量配置大于18000kW，設(shè)備進(jìn)線電源電流：

I=P/U=17905000/380=47118（A）

3.4采用變頻串并聯(lián)諧振設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備對比

表 串并聯(lián)諧振設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)實測備數(shù)據(jù)對比表

由此可見，傳統(tǒng)的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變頻串并聯(lián)諧振試驗的損耗。

采用傳統(tǒng)的工頻試驗變壓器很龐大，笨重，且大容量的工作電源在試驗現(xiàn)場不易取得，因此開展現(xiàn)場交流耐壓試驗很不方便。

4. 試驗結(jié)果

電抗器組合：使用三臺250kV/65H/20A電抗器并聯(lián)，串聯(lián)在試驗回路內(nèi)，使用兩臺230kV/65H/15A電抗器并聯(lián)在試驗回路內(nèi)，補(bǔ)償試驗電流。

高壓電抗器等效電感量：

L總=1/［1/L1+1/L2+1/L3…］=13（H）（其中：L1、L2、L3…=65H）

諧振頻率：

f =1/（2π×√L×C）=34.1（Hz）（L：13H；C：1.76×10-6F）

高壓試驗電流：

I總=ω×C×U=67.3（A）（U：180kV，C：1.76uF，ω=2πf（f=34.1Hz））

每臺電抗器的分配電流：每臺電抗器承受的電流與電抗器的電感值成反比，而此次每臺電抗器的電感值都是65H，因此每臺承受的電流一樣。（其中串聯(lián)在試驗回路內(nèi)電抗器的總電流為41.2A，補(bǔ)償電抗器電流為26.1A）。

勵磁變壓器變比選擇：勵磁變壓器變比選擇0.55kV/6.6kV。勵磁變壓器高壓側(cè)電流41.2A。

變頻電源：勵磁強(qiáng)度41%，實測試驗功率：

P=6600×0.41×41.2=111.5（kW）

實測單相電流單相供電電流：

I供=111.5kW/0.75/1.732/0.38=225（A）（實測值）

試驗Q值=180kV/（0.41×6.6kV）=66.5。

1小時耐壓試驗結(jié)束后，電抗器實測溫升，三臺250kV/65H/20A電抗器并聯(lián)后串聯(lián)在試驗回路內(nèi)的溫升小于10K，兩臺230kV/65H/15A電抗器并聯(lián)在試驗回路內(nèi)補(bǔ)償試驗電流的溫升約18K?？蛇B續(xù)工作3小時，滿足對電纜三相不間斷進(jìn)行試驗的要求。（圖4電纜耐壓試驗程序圖）

根據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)，試驗過程中實測結(jié)果符合計算值，發(fā)電車、試驗變頻控制電源、勵磁變壓器和試驗用的電抗器運行數(shù)據(jù)正常，試驗取得成功。

5. 結(jié)束語

變頻諧振耐壓試驗，通過諧振提升了試驗品質(zhì)因素，試驗設(shè)備容量變小，再通過串并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)一步減小了試驗電源的電流，使得現(xiàn)場交流耐壓試驗的總體容量大大減小，有效降低設(shè)備的總體容量和重量，降低了大容量設(shè)備試驗的安全風(fēng)險，可將不同類型的電抗器組合起來使用，充分利用各單位的資源，達(dá)到資源共享的可行性。

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，大截面、長距離的高壓電力電纜線路工程日漸增多。采用串并聯(lián)諧振耐壓試驗方法具有技術(shù)安全、質(zhì)量可靠、方法簡單有效等特點，具有明顯的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。本方法推廣前景巨大、意義深遠(yuǎn)。

［1］ GB 50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》中華人民共和國建設(shè)部、中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布，自2006年11月1日起實施.

［2］邱關(guān)源.電路（第4版）［M］.高等教育出版社，1999.