對(duì)變頻串聯(lián)諧振技術(shù)在電纜高壓試驗(yàn)中的探討
摘要：變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)是利用電抗器的電感與被試品電容實(shí)現(xiàn)電容諧振，在被試品上獲得高電壓、大電流，是當(dāng)前高電壓試驗(yàn)的一種新的方法與潮流，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。本文就變頻串聯(lián)諧振技術(shù)在電纜高壓試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)探討。
關(guān)鍵詞：變頻串聯(lián)諧振；電纜；高壓試驗(yàn)；技術(shù)分析
1引言
隨著電力發(fā)展，高壓交聯(lián)電纜特別110kVXLPE電纜在各地市供電系統(tǒng)開(kāi)始大量使用。而現(xiàn)場(chǎng)竣工交接試驗(yàn)的目的是檢查電纜的敷設(shè)及附件安裝是否正確，電纜在運(yùn)輸、搬運(yùn)、存放、敷設(shè)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。現(xiàn)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(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行分析與探討。
2.電力電纜現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)
2.1試驗(yàn)項(xiàng)目及設(shè)備接線(xiàn)
1)電纜芯線(xiàn)對(duì)外護(hù)套的絕緣電阻測(cè)量選用量程為2500V的兆歐表進(jìn)行電纜絕緣電阻測(cè)量，絕緣電阻值應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。
2)電纜芯線(xiàn)對(duì)護(hù)套及地交流耐壓試驗(yàn)交流耐壓試驗(yàn)參照GB50160-2006《電氣安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試驗(yàn)電壓為2U060min�！�
VF—變頻電源；T—調(diào)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。
圖1電纜交流耐壓試驗(yàn)接線(xiàn)圖
試驗(yàn)接線(xiàn)示意圖如圖1；圖2為常用的電纜交流耐壓試驗(yàn)的設(shè)備�！�
2.2試驗(yàn)前準(zhǔn)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(hù)套絕緣正常，至少保持一個(gè)可靠接地點(diǎn)；電纜護(hù)套保護(hù)器短接。
2)電纜終端側(cè)若有GIS間隔避雷器，請(qǐng)確定已經(jīng)拆離相應(yīng)導(dǎo)體并補(bǔ)充SF6氣體，待相關(guān)間隔電纜高壓試驗(yàn)完畢后再行恢復(fù)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(yàn)合格。
4)電流互感器(CT)二次繞組側(cè)必須短路并接地，不得開(kāi)路。
5)試驗(yàn)前被試電纜兩側(cè)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(dǎo)線(xiàn)斷開(kāi)。
如果在GIS電纜終端側(cè)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(rèn)該側(cè)的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘都處在電纜試驗(yàn)系統(tǒng)所要求的試驗(yàn)狀態(tài)。
如果在電纜戶(hù)外終端進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)側(cè)的線(xiàn)路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘需要處于試驗(yàn)所要求的狀態(tài)。
2.3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作程序
1）將試驗(yàn)設(shè)備安裝在電纜終端相應(yīng)套管位置，調(diào)試好設(shè)備。試驗(yàn)場(chǎng)地四周裝設(shè)圍欄，懸掛“止步，高壓危險(xiǎn)！”標(biāo)示牌。
2）測(cè)量被試電纜一相電纜的絕緣電阻，確認(rèn)絕緣電阻合格。
3）將試驗(yàn)引線(xiàn)接上被試電纜終端接頭的一相。
4）檢查試驗(yàn)回路所有接線(xiàn)，檢查測(cè)量?jī)x表，準(zhǔn)備開(kāi)始試驗(yàn)。
5）合上試驗(yàn)電源，調(diào)整變頻電源的頻率，將試驗(yàn)回路調(diào)至諧振，此時(shí)調(diào)壓器置于初始位置。
6）將輸出電壓逐漸升至試驗(yàn)電壓，保持試驗(yàn)電壓60min，然后快速降壓至零，斷開(kāi)試驗(yàn)電源，高壓端掛接地線(xiàn)。
7）復(fù)測(cè)被試電纜A相的絕緣電阻。
8）試驗(yàn)過(guò)程中如發(fā)生閃絡(luò)、擊穿或異常情況，應(yīng)立即暫停試驗(yàn)。委托方應(yīng)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(yàn)。試驗(yàn)方應(yīng)檢查試驗(yàn)設(shè)備是否損壞，如有損壞須立即檢修。
9）重新試驗(yàn)時(shí)如再次發(fā)生閃絡(luò)或擊穿，委托方必須確認(rèn)電纜經(jīng)檢查處理后符合耐壓試驗(yàn)要求，如符合要求則重復(fù)執(zhí)行“第6步驟”，直至試驗(yàn)完成。
10）重復(fù)“第2～9步驟”完成被試電纜其它二相試驗(yàn)。
11）完成三相電纜試驗(yàn)。
3.串聯(lián)諧振高壓試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)分析
3.1串聯(lián)諧振的產(chǎn)生
圖3R.L.C串聯(lián)回路圖
圖3所示為R、L、C串聯(lián)電路，在正弦電壓U作用下，其復(fù)阻抗為：
式中，電抗X＝XLXC，是角頻率ω的函數(shù)，L隨ω變化的情況如圖4所示。當(dāng)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。
圖4阻抗X隨ω變化而變的函數(shù)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)電路的諧振頻率是由電路自身參數(shù)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(dāng)電源頻率一定時(shí)，可以調(diào)節(jié)電路參數(shù)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(shù)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(zhǎng)度為2500m，截面積為630mm2的XLPE電纜為例，查表1數(shù)據(jù)得到該電纜的電容為0.188μF/km，其試驗(yàn)參數(shù)估算如下。
試驗(yàn)電壓：
高壓電抗器電感值：L=40H
試驗(yàn)電壓頻率：f=36.6Hz
高壓試驗(yàn)電流：I=14A
電源電流：I0≈50A
上述電纜如果用常規(guī)的交流高壓試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)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(yàn)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(diào)頻發(fā)生諧振而產(chǎn)生高電壓和大電流的，在整個(gè)系統(tǒng)中，電源只需要提供系統(tǒng)中有功消耗的部分。
2)設(shè)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(diào)壓裝置和工頻試驗(yàn)變壓器，使得試驗(yàn)設(shè)備的重量和體積大大減少，一般為普通試驗(yàn)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(duì)試品的誤擊穿。
4)防止大的短路電流燒傷故障點(diǎn)。
在串聯(lián)諧振狀態(tài)，當(dāng)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(yàn)變壓器方式做耐壓試驗(yàn)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(shù)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燒傷故障點(diǎn)的憂(yōu)患。
5)不會(huì)出現(xiàn)任何恢復(fù)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(fù)電壓的再建立過(guò)程很長(zhǎng)，很容易在再次達(dá)到閃絡(luò)電壓前斷開(kāi)電源，這種電壓的恢復(fù)過(guò)程是一種能量積累的間歇振蕩過(guò)程，其過(guò)程長(zhǎng)，而且不會(huì)出現(xiàn)任何恢復(fù)過(guò)電壓。
3.3關(guān)于試驗(yàn)的頻率
由于電纜的電容量較大，采用傳統(tǒng)的工頻試驗(yàn)變壓器很笨重、龐大，且大電流的工作電源在現(xiàn)場(chǎng)不易取得，因此一般都采用串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備。其輸入電源的容量能顯著降低，重量減輕，便于使用和運(yùn)輸。初期多采用調(diào)感式串聯(lián)諧振設(shè)備(50Hz)，但存在自動(dòng)化程度差、噪音大等缺點(diǎn)。因此現(xiàn)在大都采用調(diào)頻式(30-300Hz)串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備，可以得到更高的品質(zhì)數(shù)，并具有自動(dòng)調(diào)諧、多重保護(hù)，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(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料，選擇合適的試驗(yàn)頻率范圍是個(gè)比較重要的問(wèn)題。在這方面，有一些不同的觀點(diǎn)和提法。就目前國(guó)內(nèi)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(zhǎng)度電容量
使用串聯(lián)諧振方法對(duì)被試品進(jìn)行高壓試驗(yàn)時(shí)，必須知道被試品的電容量。表1提供了各種規(guī)格的交聯(lián)聚乙烯電力電纜單位長(zhǎng)度的電容量值�！�
4.結(jié)束語(yǔ)
將架空輸電線(xiàn)路改為高壓電纜線(xiàn)路進(jìn)行輸電，是城市發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措和趨勢(shì)，交聯(lián)聚乙烯電纜以其優(yōu)良穩(wěn)定的性能已被廣泛的應(yīng)用。交流耐壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)交聯(lián)電纜敷設(shè)和附件安裝質(zhì)量最有效的手段之一。而在施工現(xiàn)場(chǎng)利用變頻串聯(lián)諧振技術(shù)對(duì)電纜進(jìn)行高壓試驗(yàn)的方法是科學(xué)、實(shí)用、高效的。
