串联变频谐振补偿法在35KV长电缆交流耐压试验中的应用

串联变频谐振补偿法在35KV长电缆交流耐压试验中的应用——利用有限试验设备对1.5km35KV电缆进行交流耐压试验骆慧（甘肃省嘉峪关、酒泉供电公司甘肃酒泉735000）【摘要】近年来，随着科学技术的发展，电力设备绝缘材料性能的不断提高，在电力系统大量采用高压交联聚乙烯电缆作为传送电能的主要材料。随着电缆的绝缘等级越来越高，其耐压试验就显得尤为重要，在生产现场采用传统直流耐压试验方法检测电缆头制作及电缆绝缘抗电强度的试验，很难发现潜在性缺陷和局部缺陷及绝缘受潮等缺陷，而且试验数据分析难、不好判断、运行周期短，也对电力安全生产造成极大危害。但是，工频交流耐压需要的试验设备容量大、体积大、提供的电源容量大，重量动辄好几吨，因此不适合在现场使用。而使用变频谐振技术可以解决这类问题，本文在实践中进行分析与探讨。【关键词】：交流耐压试验串联变频谐振补偿法交联聚乙烯电缆甘肃省敦煌市35KV光伏发电厂5条长度约800—1500米橡塑电缆需要进行投运前的交接耐压试验。由于电缆比较长，需要充分计算电缆容量，选择合理的试验设备。现场竣工交接试验的目的是检验电缆的质量、电缆附件的质量以及电缆敷设和安装是否正确，电缆在运输、搬运、存放、敷设和回填过程中是否有受到意外损害。因此，投运前对交联电缆进行耐压试验是十分必要的。一、串联谐振耐压试验及其设备在现场耐压试验中，当被试品的试验电压较高或电容值较大，试验变压器的额定电压或容量不能满足要求时，可采用串联谐振设备进行耐压试验。串联谐振试验装置具有试验设备体积小，试验电源电压低、功率小（仅需提供试验回路中的有功功率），试验电压波形好的特点。因此，串联谐振广泛应用于现场橡塑电缆，气体绝缘组合电器（GIS），大型发电机组，大型电力变压器，耦合电容器等高电压，大容量电力设备的交流耐压、感应耐压、局部放电等试验。优点：变频串联谐振是谐振式电流滤波电路，能改善电源波形畸变，获得较好的正弦电压波形，有效防止谐波峰值对被试品的误击穿。变频串联谐振工作在谐振状态，当被试品的绝缘点被击穿时，电流立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的数十分之一。发生闪络击穿时，因失去谐振条件，除短路电流立即下降外，高电压也立即消失，电弧即可熄灭。其恢复电压的再建立过程长，很容易在再次达到闪络电压断开电源，所以适用于高电压、大容量的电力设备的绝缘耐压试验。(1)、原理，利用励磁变压器激发串联谐振回路，通过调节电感或改变电源的输出频率，使回路中的感抗和容抗相等，回路呈谐振状态，回路中无功趋于零。此时回路电流最大，即：Im=U/√R2+(XL-XC)2=U/R式中：Im——谐振时回路最大电流，A；R——回路等效电阻（一般主要为电抗器的内阻），Ω；U——励磁变压器高压侧的输出电压，V；XL——回路中的感抗，Ω；XC——回路中的容抗，Ω。串联谐振分为调感式和调频式两种。a、调感式串联谐振调感式串联谐振采用铁芯气隙可调节的高压串联电抗器，由于被试品的电容量是一定的，通过调节电感使回路发生工频串联谐振。谐振时，回路呈纯阻性，回路电流等于励磁电压U除以回路的等效电阻R，此时回路电流最大，电感和电容两端的电压为：U0=Im(1/ωCX)=Im（ωL）=(U/R)Ωl式中：U0——谐振时被试品的两端的电压，V；L——可调电抗器电感，H；CX——被试品电容量，F；ω——角频率。Im，U,R同前式原理图：调感式串联谐振原理接线图图中：T—励磁变压器；L—可调电感；CX—被试品；U—励磁电压；R—回路等效电阻；U0—谐振时被试品两端电压电路谐振后电感或电容两端的电压U0等于Q倍的励磁电压U。即U0=QUQ——回路品质因数调感式谐振时，Q一般可达40～80，其计算式为：Q=100πL/R;谐振时串联电抗器的电感计算式为：L=1/（100π）2C由于此方法较难控制调节，现场不常采用，应用性不佳，所以这里我们不做过多的阐述讨论。b、变频（调频）式串联谐振运用串联谐振原理，采用调频调压方式，当交流电压的频率改变时，电路中的感抗、容抗随之而改变，电路中的电流也随之改变，通过调节电源的频率使感抗等于容抗，电路发生串联谐振，回路中的无功几乎为零。此时，电流最大，且与输入电压同相位，使电感或电容两端获得一个高于励磁电压Q倍的电压。变频式谐振时，Q一般可达50～150，则：Q=ωL/R=UL/U=UC/UUL——谐振时电感两端电压，V；UC——谐振时电容两端电压，V。原理图：变频式串联谐振原理接线图图中：FC—变频电源；T—励磁变压器；L—电感；R—回路等效电阻；CX—被试品；U—励磁电压；U0—谐振时被试品两端电压谐振频率计算：根据电感和电容计算频率，计算式为：f0=(1/2π√LC)×103式中：f0——谐振频率，Hz；L——电抗器电感量，H；C——被试品和分压器电容，μF.电感和电容中的电流计算：串联谐振电路中流过电感的电流等于流过电容的电流，电流计算式为：IC=IL=ωCXU×10-3式中：IC、IL——流过电感和电容的电流，A。C、串联谐振系统的主要特点：适用范围广，体积小、质量轻，试验容量大、试验电压高。安全可靠性高，操作简洁方便，试验等效性好。串联谐振装置对高次谐波分量回路阻抗很大，所以试品上的电压波形好；同时若在耐压试验过程中发生闪络、击穿、因失去了谐振条件，高电压立即消失，从而使电弧立即熄灭。恢复电压建立过程较长，很容易在再次达到闪络电压之前控制电源跳闸，避免重复击穿，恢复电压并不产生任何过冲所引起的过电压。根据当前被试品，我们确定选择变频（调频）式串联谐振方法来进行交联聚乙烯高压电缆的交流耐压试验。现有试验设备：1、型号：HVFS-6型/100KV（5KVA）调频式串联谐振试验装置；生产厂家：长沙海沃科技有限公司。额定容量：5KVA，最高试验电压：100KV电抗器：电压27KV/节，电流1.0A/节，电感130H/节，工作频率30—300HZ.共4节。2、型号：HDSR-F100/104KV（5KVA）串联谐振试验装置；生产厂家：苏州华电。额定容量：5KVA，最高试验电压：104KV电抗器：电压26KV/节，电流1.0A/节，电感129.3H/节,工作频率30—300HZ.允许运行时间：5min，共4节。以当前被试品：1500m长35KV橡塑电缆，电缆型号：ZR-YJV22-26/35KV，导体截面积95mm2为例，按照《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》规定，橡塑电缆采用20～300Hz交流耐压试验，根据型号和电压等级可得电缆试验电压为2U0，试验时间为60min。经计算得知，很明显，以上任何一套试验设备均无法满足该试验要求，因此我们大胆尝试将两套试验设备混合使用，也就是使用串联变频谐振并联补偿法进行试验分析。二、运用串联变频谐振并联补偿法的计算分析根据当前被试品，我们确定选择变频（调频）式串联谐振方法来进行交联聚乙烯高压电缆的交流耐压试验。（1）、变频式串联谐振试验接线：如下图所示220380输入30-30022变频式串联谐振试验接线图图中：FC—变频电源；T—励磁变压器；L—谐振电抗器；CX—被试品；C1,C2—电容分压器高、低压臂电容试验参数计算如下：交联电缆等效电容量参数数据得：ZR-YJV22-26/35KV，导体截面积95mm2的电缆的电容值为0.135μf/km。则：电缆电容量为：CX=1.5×0.135=0.2025（μf）US=2U0=2×26=52（KV）f0=(1/2π√LCX)×103推出，L=〔1/（2πf0）2CX〕×106=〔1/（2×3.14×50）2×0.2025〕×106=50.08（H）此时，选型时要考虑串联电抗器的电感量，我们一般把谐振频率设定在50HZ来计算所需的电感量，根据上式计算得出，大概需要的电感是50H；此时，我们可以选择用两节额定容量为130H的电抗器并联来减小电感量。L=L1//L2=(L1*L2)/(L1+L2)=(130*130)/(130+130)=65(H)但是，此时试验电压为52KV的条件无法满足，每节电抗器的额定电压为26KV（电抗器串联时电压升高，并联时不改变电压）。此时，一套设备无法同时满足电压和电流的试验要求。所以，我们决定将两套串联谐振试验设备混合使用，已达到试验目的。即：可以将6节电抗器3并3串进行试验。注意：虽然用4节电抗器（2并2串）能够达到52KV的电压要求，但是没有预留电压余度，长时间满负荷运行会对设备造成损伤，为防止损伤试验设备，需增加电抗器数量。此时，计算谐振频率为：L=3L1//3L2=(3L1×3L2)/(3L1+3L2)=195（H）f0=(1/2π√LCX)×103=〔1/（2×3.14×√195×0.2025）〕×103=25.34（Hz）此时，回路中的电流为:IS=ωCXUS×10-3=2πf0CXUS×10-3=2×3.14×25.34×0.2025×52×10-3=1675.69×10-3=1.675（A）Q取一个较低值40，则U励=US/Q=52/40=1.3计算励磁容量，P励=U励×IS=1.3×1.675=2.1775(kw)此时，现有试验设备可以满足计算试验条件的要求，可以进行试验。（2）、试验注意事项：试验电源的容量必须满足试验要求。为减小电晕损失，提高Q值，高压引线宜采用大直径金属软管，并尽量短。试验装置的过电流、过压保护必须灵敏可靠，励磁变高压侧应装避雷器。试验时必须在较低电压下调整谐振频率，然后才可以升压进行试验。湿度对品质因数值影响很大，因此试验应在干燥的天气情况下进行。（3）、现场接线注意事项：应用专配接地线将各需接地部件连接，使得其中仅一点接到接地母线。特别注意控制箱、励磁变、分压器的接地端至地线组的O点（如现场接线图）应尽可能的短，不要任意延长接地线的长度。为减小电抗器漏磁的干扰，应将接地线组与高压取样信号线（即分压器输出线）尽可能的并行放置，布线要集中不分散，且远离电抗器，绝对避免接地线组和高压取样信号线穿梭于电抗器之间。高压设备应尽量靠近被试品，并与周围其它物体保持应有的空间距离。励磁变压器在电抗器与控制箱之间。小容量试品试验时，应尽可能使高压引线等固定，减小分布电容的变化，有利于试验电压的稳定。高压引线宜采用大直径金属软管，并要求尽量短。注意：试验电压大于26kv时，务必多个电抗器串联，若横向并列串联，则后一级电抗器底部必须加专用绝缘底座！（4）、对试验结果的分析判断a、试验中如无破坏性放电发生，则认为通过耐压试验。在升压和耐压过程中，如发现电压表指针摆动很大，电流表指示急剧增加，电压往上升方向调节，电流上升、电压基本不变甚至有下降趋势，被试品冒烟、出气、焦臭、闪络、燃烧或发出击穿响声（或断续放电声），应立即停止升压，降压停电后查明原因。这些现象如查明是绝缘部分出现的，则认为被试品交流耐压试验不合格。如确定被试品的表面闪络是由于空气湿度或表面脏污等所致，应将被试品清洁干燥处理后，再进行试验。b、被试品为有机绝缘材料时，试验后应立即触摸表面，如出现普遍或局部发热，则认为绝缘不良，应立即处理后，再做耐压试验。如果此次试验成功，以此类推，我们就可以用不同厂家，甚至不同电感量的电抗器进行混合使用（只要调压器、励磁变能够满足试验要求），来达到完成试验的目的。三、试验接线与试验数据1、组合谐振电抗器进行试验，接线如图所示：变频串联谐振试验实操接线图（6个电抗器3串3并）被试品电容分压器谐振电抗器励磁变控制箱电源输入2、组合谐振电抗器现场试验照片：3、计算值与实测值对比项目数值计算值实测值变压器高压侧电压/kv5252变压器高压侧电流/A1.6752.1谐振频率/HZ25.3423品质因数4045四、结论从计算值与实测值的对比看，数值非常接近。串联谐振并联补偿法可以扩展现有试验设备的能力，实现长距离交联聚乙烯电缆的交流耐压试验。被试的电缆越长，需要并联的电抗器越多，但也不能无限的增加。因为增加了并联电抗器，会降低整个试验系统的品质因数。若想成功实施试验，关键在于合理的配置和选择现有试验设备，