對變頻串聯(lián)諧振技術(shù)在電纜高壓試驗中的探討

變頻串聯(lián)諧振裝置耐壓試驗是利用電抗器的電感與被試品電容實(shí)現電容諧振，在被試品上獲得高電壓、大電流，是當前高電壓試驗的一種新的方法與潮流，在國內外已經(jīng)得到廣泛的應用。本文就變頻串聯(lián)諧振技術(shù)在電纜高壓試驗進(jìn)行相關(guān)探討。  
隨著(zhù)電力發(fā)展，高壓交聯(lián)電纜特別110kVXLPE電纜在各地市供電系統開(kāi)始大量使用。而現場(chǎng)竣工交接試驗的目的是檢查電纜的敷設及附件安裝是否正確，電纜在運輸、搬運、存放、敷設和回填的過(guò)程中是否受到意外損害。檢查的重要方法是電纜主絕緣耐壓?，F就廣東輸變電工程公司常采用的一種變頻串聯(lián)諧振技術(shù)在高壓電纜交接試驗中的應用進(jìn)行分析與探討。  
2.電力電纜現場(chǎng)交接試驗  
2.1試驗項目及設備接線(xiàn)  
1)電纜芯線(xiàn)對外護套的絕緣電阻測量選用量程為2500V的兆歐表進(jìn)行電纜絕緣電阻測量，絕緣電阻值應符合設計要求。  
2)電纜芯線(xiàn)對護套及地交流耐壓試驗交流耐壓試驗參照GB50160-2006《電氣安裝工程電氣設備交接試驗標準》進(jìn)行，試驗電壓為2U060min。  
VF—變頻電源；T—調壓器；B—中間變壓器；L—高壓電抗器；  
V—電壓表；Cx—被試電纜；C1,C2—分壓器電容。  
2.2試驗前準備  
1)被試電纜所有安裝工作全部完成，電纜終端接頭、中間接頭安裝完畢，電纜外護套絕緣正常，至少保持一個(gè)可靠接地點(diǎn)；電纜護套保護器短接。  
2)電纜終端側若有GIS間隔避雷器，請確定已經(jīng)拆離相應導體并補充SF6氣體，待相關(guān)間隔電纜高壓試驗完畢后再行恢復接入。  
3)GIS該進(jìn)線(xiàn)氣隔已充SF6氣體至額定壓力，氣體泄漏及微水試驗合格。  
4)電流互感器(CT)二次繞組側必須短路并接地，不得開(kāi)路。  
5)試驗前被試電纜兩側狀態(tài)為：電纜戶(hù)外終端的塔上架空線(xiàn)與電纜頭之間的連接線(xiàn)處于斷開(kāi)狀態(tài)，使電纜頭與線(xiàn)路導線(xiàn)斷開(kāi)。  
如果在GIS電纜終端側加壓，那么必須拆除GIS出線(xiàn)套管與主變間的連線(xiàn)，并且確認該側的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘都處在電纜試驗系統所要求的試驗狀態(tài)。  
如果在電纜戶(hù)外終端進(jìn)行試驗，對側的線(xiàn)路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘需要處于試驗所要求的狀態(tài)。  
2.3現場(chǎng)試驗工作程序  
1）將試驗設備安裝在電纜終端相應套管位置，調試好設備。試驗場(chǎng)地四周裝設圍欄，懸掛“止步，高壓危險！”標示牌。  
2）測量被試電纜一相電纜的絕緣電阻，確認絕緣電阻合格。  
3）將試驗引線(xiàn)接上被試電纜終端接頭的一相。  
4）檢查試驗回路所有接線(xiàn)，檢查測量?jì)x表，準備開(kāi)始試驗。  
5）合上試驗電源，調整變頻電源的頻率，將試驗回路調至諧振，此時(shí)調壓器置于初始位置。  
6）將輸出電壓逐漸升至試驗電壓，保持試驗電壓60min，然后快速降壓至零，斷開(kāi)試驗電源，高壓端掛接地線(xiàn)。  
7）復測被試電纜A相的絕緣電阻。  
8）試驗過(guò)程中如發(fā)生閃絡(luò )、擊穿或異常情況，應立即暫停試驗。委托方應安排人員檢查電纜是否需要處理，確定能否再次進(jìn)行耐壓試驗。試驗方應檢查試驗設備是否損壞，如有損壞須立即檢修。  
9）重新試驗時(shí)如再次發(fā)生閃絡(luò )或擊穿，委托方必須確認電纜經(jīng)檢查處理后符合耐壓試驗要求，如符合要求則重復執行“第6步驟”，直至試驗完成。  
10）重復“第2～9步驟”完成被試電纜其它二相試驗。  
11）完成三相電纜試驗。  
3.串聯(lián)諧振高壓試驗設備技術(shù)分析  
3.1串聯(lián)諧振的產(chǎn)生  
R.L.C串聯(lián)回路  
所示為R、L、C串聯(lián)電路，在正弦電壓U作用下，其復阻抗為：  
式中，電抗X＝XLXC，是角頻率ω的函數，L隨ω變化的情況如圖4所示。當ω從零開(kāi)始向變化時(shí)，X從–∞向+∞變化，在ω＜ω0時(shí)，X＜0，電路為容性；在ω＞ω時(shí)，X＞0，電路為感性；  
在此時(shí)電路阻抗Z(ω0)＝R為純阻性，電壓和電流同相。將電路此時(shí)的工作狀態(tài)稱(chēng)為串聯(lián)諧振。  
阻抗X隨ω變化而變的函數圖象  
式(就是串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件。由此式可求得諧振角頻率ω0如下：  
諧振頻率為：  
由此可知，串聯(lián)諧振裝置的諧振頻率是由電路自身參數L、C決定的，與外部條件無(wú)關(guān)，故又稱(chēng)電路的固有頻率。當電源頻率一定時(shí)，可以調節電路參數L或C，使電路固有頻率與電源頻率一致而發(fā)生諧振；在電路參數一定時(shí)，可以改變電源頻率使之與電路固有頻率一致而發(fā)生諧振。  
3.2串聯(lián)諧振高壓試品電源的優(yōu)點(diǎn)  
1)所需電源容量  
下面以額定電壓為110kV，電纜長(cháng)度為2500m，截面積為630mm2的XLPE電纜為例，查表1數據得到該電纜的電容為0.188μF/km，其試驗參數估算如下。  
試驗電壓：  
高壓電抗器電感值：L=40H  
試驗電壓頻率：f=36.6Hz  
高壓試驗電流：I=14A  
電源電流：I0≈50A  
上述電纜如果用常規的交流高壓試驗設備進(jìn)行耐壓試驗時(shí)，所需試品容量為P=14A×128kV=1792kVA，采用串聯(lián)諧振方法所需試驗電源的功率僅為P=50A×380V=19kW。串聯(lián)諧振電源是利用諧振電抗器和被試品的電容通過(guò)調頻發(fā)生諧振而產(chǎn)生高電壓和大電流的，在整個(gè)系統中，電源只需要提供系統中有功消耗的部分。  
2)設備的重量和體積串聯(lián)諧振電源中，省去了笨重的大功率調壓裝置和工頻試驗變壓器，使得試驗設備的重量和體積大大減少，一般為普通試驗裝置的1/3-1/5。  
3)改善輸出電壓的波形  
諧振電源是諧振式濾波電路，能改善輸出電壓的波形畸變，獲得很好的正弦波形，有效的防止了諧波峰值對試品的誤擊穿。  
4)防止大的短路電流**故障點(diǎn)。  
在串聯(lián)諧振狀態(tài)，當試品的絕緣弱點(diǎn)被擊穿時(shí)，由于回路的電容值改變，電路立即脫諧，回路電流迅速下降；而并聯(lián)諧振或者試驗變壓器方式做耐壓試驗時(shí)，擊穿電流立即上升幾十倍。兩者相比在被試品被擊穿時(shí)，二者的短路電流相差數百倍。所以，串聯(lián)諧振能有效的找到絕緣弱點(diǎn)，又不存在大的短路電流**故障點(diǎn)的憂(yōu)患。  
5)不會(huì )出現任何恢復過(guò)電壓試品發(fā)生擊穿時(shí)，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧瞬時(shí)熄滅，且恢復電壓的再建立過(guò)程很長(cháng)，很容易在再次達到閃絡(luò )電壓前斷開(kāi)電源，這種電壓的恢復過(guò)程是一種能量積累的間歇振蕩過(guò)程，其過(guò)程長(cháng)，而且不會(huì )出現任何恢復過(guò)電壓。  
3.3關(guān)于試驗的頻率  
由于電纜的電容量較大，采用傳統的工頻試驗變壓器很笨重、龐大，且大電流的工作電源在現場(chǎng)不易取得，因此一般都采用串聯(lián)諧振交流耐壓試驗設備。其輸入電源的容量能顯著(zhù)降低，重量減輕，便于使用和運輸。初期多采用調感式串聯(lián)諧振設備(50Hz)，但存在自動(dòng)化程度差、噪音大等缺點(diǎn)。因此現在大都采用調頻式(30-300Hz)串聯(lián)諧振試驗設備，可以得到更高的品質(zhì)數，并具有自動(dòng)調諧、多重保護，以及低噪音、靈活的組合方式(單件重量大為下降)等優(yōu)點(diǎn)。  
綜合國內外有關(guān)技術(shù)資料，選擇合適的試驗頻率范圍是個(gè)比較重要的問(wèn)題。在這方面，有一些不同的觀(guān)點(diǎn)和提法。就目前國內外的提法來(lái)看，大概可分成3類(lèi)：第1類(lèi)為較寬頻率范圍30-300Hz、20-300Hz、1-300Hz；第2類(lèi)為工頻范圍45-65Hz，45-55Hz；第3類(lèi)為接近工頻35-75Hz。  
3.4交聯(lián)聚乙烯電纜單位長(cháng)度電容量  
使用串聯(lián)諧振方法對被試品進(jìn)行高壓試驗時(shí)，必須知道被試品的電容量。表1提供了各種規格的交聯(lián)聚乙烯電力電纜單位長(cháng)度的電容量值。