——利用有限試驗(yàn)設(shè)備對(duì)1.5km35KV電纜進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)

摘要：近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力設(shè)備絕緣材料性能的不斷提高，在電力系統(tǒng)大量采用高壓交聯(lián)聚乙烯電纜作為傳送電能的主要材料。隨著電纜的絕緣等級(jí)越來(lái)越高，其耐壓試驗(yàn)就顯得尤為重要，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用傳統(tǒng)直流耐壓試驗(yàn)方法檢測(cè)電纜頭制作及電纜絕緣抗電強(qiáng)度的試驗(yàn)，很難發(fā)現(xiàn)潛在性缺陷和局部缺陷及絕緣受潮等缺陷，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析難、不好判斷、運(yùn)行周期短，也對(duì)電力安全生產(chǎn)造成極大危害。但是，工頻交流耐壓需要的試驗(yàn)設(shè)備容量大、體積大、提供的電源容量大，重量動(dòng)輒好幾噸，因此不適合在現(xiàn)場(chǎng)使用。而使用變頻諧振技術(shù)可以解決這類問(wèn)題，本文在實(shí)踐中進(jìn)行分析與探討。

關(guān)鍵詞：交流耐壓試驗(yàn);串聯(lián)變頻諧振補(bǔ)償法;交聯(lián)聚乙烯電纜

甘肅省敦煌市35KV光伏發(fā)電廠5條長(zhǎng)度約800—1500米橡塑電纜需要進(jìn)行投運(yùn)前的交接耐壓試驗(yàn)。由于電纜比較長(zhǎng)，需要充分計(jì)算電纜容量，選擇合理的試驗(yàn)設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)竣工交接試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)電纜的質(zhì)量、電纜附件的質(zhì)量以及電纜敷設(shè)和安裝是否正確，電纜在運(yùn)輸、搬運(yùn)、存放、敷設(shè)和回填過(guò)程中是否有受到意外損害。因此，投運(yùn)前對(duì)交聯(lián)電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)是十分必要的。

1.串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)及其設(shè)備

在現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)中，當(dāng)被試品的試驗(yàn)電壓較高或電容值較大，試驗(yàn)變壓器的額定電壓或容量不能滿足要求時(shí)，可采用串聯(lián)諧振設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置具有試驗(yàn)設(shè)備體積小，試驗(yàn)電源電壓低、功率小(僅需提供試驗(yàn)回路中的有功功率)，試驗(yàn)電壓波形好的特點(diǎn)。因此，串聯(lián)諧振廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)橡塑電纜，氣體絕緣組合電器(GIS)，大型發(fā)電機(jī)組，大型電力變壓器，耦合電容器等高電壓，大容量電力設(shè)備的交流耐壓、感應(yīng)耐壓、局部放電等試驗(yàn)。

優(yōu)點(diǎn)：變頻串聯(lián)諧振是諧振式電流濾波電路，能改善電源波形畸變，獲得較好的正弦電壓波形，有效防止諧波峰值對(duì)被試品的誤擊穿。變頻串聯(lián)諧振工作在諧振狀態(tài)，當(dāng)被試品的絕緣點(diǎn)被擊穿時(shí)，電流立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗(yàn)電流的數(shù)十分之一。發(fā)生閃絡(luò)擊穿時(shí)，因失去諧振條件，除短路電流立即下降外，高電壓也立即消失，電弧即可熄滅。其恢復(fù)電壓的再建立過(guò)程長(zhǎng)，很容易在再次達(dá)到閃絡(luò)電壓斷開(kāi)電源，所以適用于高電壓、大容量的電力設(shè)備的絕緣耐壓試驗(yàn)。

原理：利用勵(lì)磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，通過(guò)調(diào)節(jié)電感或改變電源的輸出頻率，使回路中的感抗和容抗相等，回路呈諧振狀態(tài)，回路中無(wú)功趨于零。此時(shí)回路電流最大，即：

式中：Im ——諧振時(shí)回路最大電流，A;R——回路等效電阻(一般主要為電抗器的內(nèi)阻)，Ω; U——勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)的輸出電壓，V;XL——回路中的感抗，Ω; XC­——回路中的容抗，Ω。

串聯(lián)諧振分為調(diào)感式和調(diào)頻式兩種。

調(diào)感式串聯(lián)諧振：調(diào)感式串聯(lián)諧振采用鐵芯氣隙可調(diào)節(jié)的高壓串聯(lián)電抗器，由于被試品的電容量是一定的，通過(guò)調(diào)節(jié)電感使回路發(fā)生工頻串聯(lián)諧振。諧振時(shí)，回路呈純阻性，回路電流等于勵(lì)磁電壓U除以回路的等效電阻R，此時(shí)回路電流最大，電感和電容兩端的電壓為：

式中：U0 ——諧振時(shí)被試品的兩端的電壓，V; L ——可調(diào)電抗器電感，H; CX ——被試品電容量，F(xiàn);ω——角頻率。 Im ，U ,R同前式

原理圖：

圖中：T—勵(lì)磁變壓器;L—可調(diào)電感;CX—被試品;U—勵(lì)磁電壓;R—回路等效電阻;

U0—諧振時(shí)被試品兩端電壓

電路諧振后電感或電容兩端的電壓U0 等于Q倍的勵(lì)磁電壓U。

即U0 =QU Q——回路品質(zhì)因數(shù)

調(diào)感式諧振時(shí)，Q一般可達(dá)40～80，其計(jì)算式為：Q=100πL/R;

諧振時(shí)串聯(lián)電抗器的電感計(jì)算式為：

由于此方法較難控制調(diào)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)不常采用，應(yīng)用性不佳，所以這里我們不做過(guò)多的闡述討論。

變頻(調(diào)頻)式串聯(lián)諧振：運(yùn)用串聯(lián)諧振原理，采用調(diào)頻調(diào)壓方式，當(dāng)交流電壓的頻率改變時(shí)，電路中的感抗、容抗隨之而改變，電路中的電流也隨之改變，通過(guò)調(diào)節(jié)電源的頻率使感抗等于容抗，電路發(fā)生串聯(lián)諧振，回路中的無(wú)功幾乎為零。此時(shí)，電流最大，且與輸入電壓同相位，使電感或電容兩端獲得一個(gè)高于勵(lì)磁電壓Q倍的電壓。

變頻式諧振時(shí)，Q一般可達(dá)50～150，則：

Q=ωL/R=UL/U=UC/U UL ——諧振時(shí)電感兩端電壓，V;UC ——諧振時(shí)電容兩端電壓，V。

原理圖：

圖中：FC—變頻電源;T—勵(lì)磁變壓器;L—電感; R—回路等效電阻;CX—被試品;U—勵(lì)磁電壓;U0—諧振時(shí)被試品兩端電壓。

l 諧振頻率計(jì)算：根據(jù)電感和電容計(jì)算頻率，計(jì)算式為：

式中：f0 ——諧振頻率，Hz;L——電抗器電感量，H; C——被試品和分壓器電容，μF.

l 電感和電容中的電流計(jì)算：串聯(lián)諧振電路中流過(guò)電感的電流等于流過(guò)電容的電流，電流計(jì)算式為： 

       式中：IC 、IL ——流過(guò)電感和電容的電流，A。

串聯(lián)諧振系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：適用范圍廣，體積小、質(zhì)量輕，試驗(yàn)容量大、試驗(yàn)電壓高。安全可靠性高，操作簡(jiǎn)潔方便，試驗(yàn)等效性好。串聯(lián)諧振裝置對(duì)高次諧波分量回路阻抗很大，所以試品上的電壓波形好;同時(shí)若在耐壓試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生閃絡(luò)、擊穿、因失去了諧振條件，高電壓立即消失，從而使電弧立即熄滅?；謴?fù)電壓建立過(guò)程較長(zhǎng)，很容易在再次達(dá)到閃絡(luò)電壓之前控制電源跳閘，避免重復(fù)擊穿，恢復(fù)電壓并不產(chǎn)生任何過(guò)沖所引起的過(guò)電壓。根據(jù)當(dāng)前被試品，我們確定選擇變頻(調(diào)頻)式串聯(lián)諧振方法來(lái)進(jìn)行交聯(lián)聚乙烯高壓電纜的交流耐壓試驗(yàn)。

現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備：型號(hào)：HVFS-6型/100KV(5KVA)調(diào)頻式串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置;

生產(chǎn)廠家：長(zhǎng)沙海沃科技有限公司。額定容量：5KVA，最高試驗(yàn)電壓：100KV

電抗器：電壓27KV/節(jié)，電流1.0A/節(jié)，電感130H/節(jié)，工作頻率30—300HZ.共4節(jié)。

型號(hào)：HDSR-F100/104KV(5KVA)串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置;

生產(chǎn)廠家：蘇州華電。額定容量：5KVA，最高試驗(yàn)電壓：104KV

電抗器：電壓26KV/節(jié)，電流1.0A/節(jié)，電感129.3H/節(jié),工作頻率30—300HZ.允許運(yùn)行時(shí)間：5min，共4節(jié)。

以當(dāng)前被試品：1500m長(zhǎng)35KV橡塑電纜，電纜型號(hào)： ZR-YJV22-26/35 KV，導(dǎo)體截面積95mm2為例，按照《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，橡塑電纜采用20～300Hz交流耐壓試驗(yàn)，根據(jù)型號(hào)和電壓等級(jí)可得電纜試驗(yàn)電壓為2U0 ，試驗(yàn)時(shí)間為60min。

經(jīng)計(jì)算得知，很明顯，以上任何一套試驗(yàn)設(shè)備均無(wú)法滿足該試驗(yàn)要求，因此我們大膽嘗試將兩套試驗(yàn)設(shè)備混合使用，也就是使用串聯(lián)變頻諧振并聯(lián)補(bǔ)償法進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.運(yùn)用串聯(lián)變頻諧振并聯(lián)補(bǔ)償法的計(jì)算分析

根據(jù)當(dāng)前被試品，我們確定選擇變頻(調(diào)頻)式串聯(lián)諧振方法來(lái)進(jìn)行交聯(lián)聚乙烯高壓電纜的交流耐壓試驗(yàn)。

變頻式串聯(lián)諧振試驗(yàn)接線：如下圖所示

圖中：FC—變頻電源;T—勵(lì)磁變壓器;L—諧振電抗器; CX—被試品;C1,C2—電容分壓器高、低壓臂電容

試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算如下：

交聯(lián)電纜等效電容量參數(shù)數(shù)據(jù)得：ZR-YJV22-26/35 KV，導(dǎo)體截面積95mm2 的電纜的電容值為0.135μf/km。則：

電纜電容量為：

此時(shí)，選型時(shí)要考慮串聯(lián)電抗器的電感量，我們一般把諧振頻率設(shè)定在50HZ來(lái)計(jì)算所需的電感量，根據(jù)上式計(jì)算得出，大概需要的電感是50H;此時(shí)，我們可以選擇用兩節(jié)額定容量為130H的電抗器并聯(lián)來(lái)減小電感量。

L=L1//L2=(L1*L2)/(L1+L2)=(130*130)/(130+130)=65(H)

但是，此時(shí)試驗(yàn)電壓為52KV的條件無(wú)法滿足，每節(jié)電抗器的額定電壓為26KV(電抗器串聯(lián)時(shí)電壓升高，并聯(lián)時(shí)不改變電壓)。此時(shí)，一套設(shè)備無(wú)法同時(shí)滿足電壓和電流的試驗(yàn)要求。所以，我們決定將兩套串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備混合使用，已達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹＜矗嚎梢詫?節(jié)電抗器3并3串進(jìn)行試驗(yàn)。

注意：雖然用4節(jié)電抗器(2并2串)能夠達(dá)到52KV的電壓要求，但是沒(méi)有預(yù)留電壓余度，長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行會(huì)對(duì)設(shè)備造成損傷，為防止損傷試驗(yàn)設(shè)備，需增加電抗器數(shù)量。

此時(shí)，計(jì)算諧振頻率為：

此時(shí)，現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備可以滿足計(jì)算試驗(yàn)條件的要求，可以進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)注意事項(xiàng)：

l 試驗(yàn)電源的容量必須滿足試驗(yàn)要求。

l 為減小電暈損失，提高Q值，高壓引線宜采用大直徑金屬軟管，并盡量短。

l 試驗(yàn)裝置的過(guò)電流、過(guò)壓保護(hù)必須靈敏可靠，勵(lì)磁變高壓側(cè)應(yīng)裝避雷器。

l 試驗(yàn)時(shí)必須在較低電壓下調(diào)整諧振頻率，然后才可以升壓進(jìn)行試驗(yàn)。

l 濕度對(duì)品質(zhì)因數(shù)值影響很大，因此試驗(yàn)應(yīng)在干燥的天氣情況下進(jìn)行。

現(xiàn)場(chǎng)接線注意事項(xiàng)：

l 應(yīng)用專配接地線將各需接地部件連接，使得其中僅一點(diǎn)接到接地母線。特別注意控制箱、勵(lì)磁變、分壓器的接地端至地線組的O點(diǎn)(如現(xiàn)場(chǎng)接線圖)應(yīng)盡可能的短，不要任意延長(zhǎng)接地線的長(zhǎng)度。

l 為減小電抗器漏磁的干擾，應(yīng)將接地線組與高壓取樣信號(hào)線(即分壓器輸出線)盡可能的并行放置，布線要集中不分散，且遠(yuǎn)離電抗器，絕對(duì)避免接地線組和高壓取樣信號(hào)線穿梭于電抗器之間。

l 高壓設(shè)備應(yīng)盡量靠近被試品，并與周圍其它物體保持應(yīng)有的空間距離。勵(lì)磁變壓器在電抗器與控制箱之間。小容量試品試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡可能使高壓引線等固定，減小分布電容的變化，有利于試驗(yàn)電壓的穩(wěn)定。

l 高壓引線宜采用大直徑金屬軟管，并要求盡量短。

l 注意：試驗(yàn)電壓大于26kv時(shí)，務(wù)必多個(gè)電抗器串聯(lián)，若橫向并列串聯(lián)，則后一級(jí)電抗器底部必須加專用絕緣底座!

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析判斷：

試驗(yàn)中如無(wú)破壞性放電發(fā)生，則認(rèn)為通過(guò)耐壓試驗(yàn)。 在升壓和耐壓過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)電壓表指針擺動(dòng)很大，電流表指示急劇增加，電壓往上升方向調(diào)節(jié)，電流上升、電壓基本不變甚至有下降趨勢(shì)，被試品冒煙、出氣、焦臭、閃絡(luò)、燃燒或發(fā)出擊穿響聲(或斷續(xù)放電聲)，應(yīng)立即停止升壓，降壓停電后查明原因。這些現(xiàn)象如查明是絕緣部分出現(xiàn)的，則認(rèn)為被試品交流耐壓試驗(yàn)不合格。如確定被試品的表面閃絡(luò)是由于空氣濕度或表面臟污等所致，應(yīng)將被試品清潔干燥處理后，再進(jìn)行試驗(yàn)。

被試品為有機(jī)絕緣材料時(shí)，試驗(yàn)后應(yīng)立即觸摸表面，如出現(xiàn)普遍或局部發(fā)熱，則認(rèn)為絕緣不良，應(yīng)立即處理后，再做耐壓試驗(yàn)。如果此次試驗(yàn)成功，以此類推，我們就可以用不同廠家，甚至不同電感量的電抗器進(jìn)行混合使用(只要調(diào)壓器、勵(lì)磁變能夠滿足試驗(yàn)要求)，來(lái)達(dá)到完成試驗(yàn)的目的。

3.試驗(yàn)接線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

組合諧振電抗器進(jìn)行試驗(yàn)，接線如圖所示：

組合諧振電抗器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片：

計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比看，數(shù)值非常接近。串聯(lián)諧振并聯(lián)補(bǔ)償法可以擴(kuò)展現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備的能力，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離交聯(lián)聚乙烯電纜的交流耐壓試驗(yàn)。被試的電纜越長(zhǎng)，需要并聯(lián)的電抗器越多，但也不能無(wú)限的增加。因?yàn)樵黾恿瞬⒙?lián)電抗器，會(huì)降低整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)。若想成功實(shí)施試驗(yàn)，關(guān)鍵在于合理的配置和選擇現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備，以期達(dá)到最佳的試驗(yàn)參數(shù)，提高試驗(yàn)系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)。通過(guò)這次實(shí)踐，我們積累了給長(zhǎng)交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，為今后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

【1】《電氣裝置安裝工程 電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50150-2006)

【2】《現(xiàn)場(chǎng)絕緣試驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則》(DL/T 474-2006)

【3】《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 596-1996)

【4】陳天翔，王寅仲編著.電氣試驗(yàn).中國(guó)電力出版社，2005

駱 慧(甘肅省嘉峪關(guān)/酒泉供電公司 甘肅酒泉 735000)