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对变频串联谐振技术在电缆高压试验中的探讨
日期：2024-04-26 15:18
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摘要：变频串联谐振装置耐压试验是利用电抗器的电感与被试品电容实现电容谐振，在被试品上获得高电压、大电流，是当前高电压试验的一种新的方法与潮流，在国内外已经得到广泛的应用。本文就变频串联谐振技术在电缆高压试验进行相关探讨。
随着电力发展，高压交联电缆特别110kVXLPE电缆在各地市供电系统开始大量使用。而现场竣工交接试验的目的是检查电缆的敷设及附件安装是否正确，电缆在运输、搬运、存放、敷设和回填的过程中是否受到意外损害。检查的重要方法是电缆主绝缘耐压。现就广东输变电工程公司常采用的一种变频串联谐振技术在高压...
变频串联谐振装置耐压试验是利用电抗器的电感与被试品电容实现电容谐振，在被试品上获得高电压、大电流，是当前高电压试验的一种新的方法与潮流，在国内外已经得到广泛的应用。本文就变频串联谐振技术在电缆高压试验进行相关探讨。
随着电力发展，高压交联电缆特别110kVXLPE电缆在各地市供电系统开始大量使用。而现场竣工交接试验的目的是检查电缆的敷设及附件安装是否正确，电缆在运输、搬运、存放、敷设和回填的过程中是否受到意外损害。检查的重要方法是电缆主绝缘耐压。现就广东输变电工程公司常采用的一种变频串联谐振技术在高压电缆交接试验中的应用进行分析与探讨。
2.电力电缆现场交接试验
2.1试验项目及设备接线
1)电缆芯线对外护套的绝缘电阻测量选用量程为2500V的兆欧表进行电缆绝缘电阻测量，绝缘电阻值应符合设计要求。
2)电缆芯线对护套及地交流耐压试验交流耐压试验参照GB50160-2006《电气安装工程电气设备交接试验标准》进行，试验电压为2U060min。
VF—变频电源；T—调压器；B—中间变压器；L—高压电抗器；
V—电压表；Cx—被试电缆；C1,C2—分压器电容。
2.2试验前准备
1)被试电缆所有安装工作全部完成，电缆终端接头、中间接头安装完毕，电缆外护套绝缘正常，至少保持一个可靠接地点；电缆护套保护器短接。
2)电缆终端侧若有GIS间隔避雷器，请确定已经拆离相应导体并补充SF6气体，待相关间隔电缆高压试验完毕后再行恢复接入。
3)GIS该进线气隔已充SF6气体至额定压力，气体泄漏及微水试验合格。
4)电流互感器(CT)二次绕组侧必须短路并接地，不得开路。
5)试验前被试电缆两侧状态为：电缆户外终端的塔上架空线与电缆头之间的连接线处于断开状态，使电缆头与线路导线断开。
如果在GIS电缆终端侧加压，那么必须拆除GIS出线套管与主变间的连线，并且确认该侧的断路器、隔离开关、接地刀闸都处在电缆试验系统所要求的试验状态。
如果在电缆户外终端进行试验，对侧的线路断路器、隔离开关、接地刀闸需要处于试验所要求的状态。
2.3现场试验工作程序
1）将试验设备安装在电缆终端相应套管位置，调试好设备。试验场地四周装设围栏，悬挂“止步，高压危险！”标示牌。
2）测量被试电缆一相电缆的绝缘电阻，确认绝缘电阻合格。
3）将试验引线接上被试电缆终端接头的一相。
4）检查试验回路所有接线，检查测量仪表，准备开始试验。
5）合上试验电源，调整变频电源的频率，将试验回路调至谐振，此时调压器置于初始位置。
6）将输出电压逐渐升至试验电压，保持试验电压60min，然后快速降压至零，断开试验电源，高压端挂接地线。
7）复测被试电缆A相的绝缘电阻。
8）试验过程中如发生闪络、击穿或异常情况，应立即暂停试验。委托方应安排人员检查电缆是否需要处理，确定能否再次进行耐压试验。试验方应检查试验设备是否损坏，如有损坏须立即检修。
9）重新试验时如再次发生闪络或击穿，委托方必须确认电缆经检查处理后符合耐压试验要求，如符合要求则重复执行“第6步骤”，直至试验完成。
10）重复“第2～9步骤”完成被试电缆其它二相试验。
11）完成三相电缆试验。
3.串联谐振高压试验设备技术分析
3.1串联谐振的产生
R.L.C串联回路
所示为R、L、C串联电路，在正弦电压U作用下，其复阻抗为：
式中，电抗X＝XLXC，是角频率ω的函数，L随ω变化的情况如图4所示。当ω从零开始向变化时，X从–∞向+∞变化，在ω＜ω0时，X＜0，电路为容性；在ω＞ω时，X＞0，电路为感性；
在此时电路阻抗Z(ω0)＝R为纯阻性，电压和电流同相。将电路此时的工作状态称为串联谐振。
阻抗X随ω变化而变的函数图象
式(就是串联电路发生谐振的条件。由此式可求得谐振角频率ω0如下：
谐振频率为：
由此可知，串联谐振装置的谐振频率是由电路自身参数L、C决定的，与外部条件无关，故又称电路的固有频率。当电源频率一定时，可以调节电路参数L或C，使电路固有频率与电源频率一致而发生谐振；在电路参数一定时，可以改变电源频率使之与电路固有频率一致而发生谐振。
3.2串联谐振高压试品电源的优点
1)所需电源容量
下面以额定电压为110kV，电缆长度为2500m，截面积为630mm2的XLPE电缆为例，查表1数据得到该电缆的电容为0.188μF/km，其试验参数估算如下。
试验电压：
高压电抗器电感值：L=40H
试验电压频率：f=36.6Hz
高压试验电流：I=14A
电源电流：I0≈50A
上述电缆如果用常规的交流高压试验设备进行耐压试验时，所需试品容量为P=14A×128kV=1792kVA，采用串联谐振方法所需试验电源的功率仅为P=50A×380V=19kW。串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品的电容通过调频发生谐振而产生高电压和大电流的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分。
2)设备的重量和体积串联谐振电源中，省去了笨重的大功率调压装置和工频试验变压器，使得试验设备的重量和体积大大减少，一般为普通试验装置的1/3-1/5。
3)改善输出电压的波形
谐振电源是谐振式滤波电路，能改善输出电压的波形畸变，获得很好的正弦波形，有效的防止了谐波峰值对试品的误击穿。
4)防止大的短路电流**故障点。
在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，由于回路的电容值改变，电路立即脱谐，回路电流迅速下降；而并联谐振或者试验变压器方式做耐压试验时，击穿电流立即上升几十倍。两者相比在被试品被击穿时，二者的短路电流相差数百倍。所以，串联谐振能有效的找到绝缘弱点，又不存在大的短路电流**故障点的忧患。
5)不会出现任何恢复过电压试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧瞬时熄灭，且恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪络电压前断开电源，这种电压的恢复过程是一种能量积累的间歇振荡过程，其过程长，而且不会出现任何恢复过电压。
3.3关于试验的频率
由于电缆的电容量较大，采用传统的工频试验变压器很笨重、庞大，且大电流的工作电源在现场不易取得，因此一般都采用串联谐振交流耐压试验设备。其输入电源的容量能显著降低，重量减轻，便于使用和运输。初期多采用调感式串联谐振设备(50Hz)，但存在自动化程度差、噪音大等缺点。因此现在大都采用调频式(30-300Hz)串联谐振试验设备，可以得到更高的品质数，并具有自动调谐、多重保护，以及低噪音、灵活的组合方式(单件重量大为下降)等优点。
综合国内外有关技术资料，选择合适的试验频率范围是个比较重要的问题。在这方面，有一些不同的观点和提法。就目前国内外的提法来看，大概可分成3类：第1类为较宽频率范围30-300Hz、20-300Hz、1-300Hz；第2类为工频范围45-65Hz，45-55Hz；第3类为接近工频35-75Hz。
3.4交联聚乙烯电缆单位长度电容量
使用串联谐振方法对被试品进行高压试验时，必须知道被试品的电容量。表1提供了各种规格的交联聚乙烯电力电缆单位长度的电容量值。
随着电力发展，高压交联电缆特别110kVXLPE电缆在各地市供电系统开始大量使用。而现场竣工交接试验的目的是检查电缆的敷设及附件安装是否正确，电缆在运输、搬运、存放、敷设和回填的过程中是否受到意外损害。检查的重要方法是电缆主绝缘耐压。现就广东输变电工程公司常采用的一种变频串联谐振技术在高压电缆交接试验中的应用进行分析与探讨。
2.电力电缆现场交接试验
2.1试验项目及设备接线
1)电缆芯线对外护套的绝缘电阻测量选用量程为2500V的兆欧表进行电缆绝缘电阻测量，绝缘电阻值应符合设计要求。
2)电缆芯线对护套及地交流耐压试验交流耐压试验参照GB50160-2006《电气安装工程电气设备交接试验标准》进行，试验电压为2U060min。
VF—变频电源；T—调压器；B—中间变压器；L—高压电抗器；
V—电压表；Cx—被试电缆；C1,C2—分压器电容。
2.2试验前准备
1)被试电缆所有安装工作全部完成，电缆终端接头、中间接头安装完毕，电缆外护套绝缘正常，至少保持一个可靠接地点；电缆护套保护器短接。
2)电缆终端侧若有GIS间隔避雷器，请确定已经拆离相应导体并补充SF6气体，待相关间隔电缆高压试验完毕后再行恢复接入。
3)GIS该进线气隔已充SF6气体至额定压力，气体泄漏及微水试验合格。
4)电流互感器(CT)二次绕组侧必须短路并接地，不得开路。
5)试验前被试电缆两侧状态为：电缆户外终端的塔上架空线与电缆头之间的连接线处于断开状态，使电缆头与线路导线断开。
如果在GIS电缆终端侧加压，那么必须拆除GIS出线套管与主变间的连线，并且确认该侧的断路器、隔离开关、接地刀闸都处在电缆试验系统所要求的试验状态。
如果在电缆户外终端进行试验，对侧的线路断路器、隔离开关、接地刀闸需要处于试验所要求的状态。
2.3现场试验工作程序
1）将试验设备安装在电缆终端相应套管位置，调试好设备。试验场地四周装设围栏，悬挂“止步，高压危险！”标示牌。
2）测量被试电缆一相电缆的绝缘电阻，确认绝缘电阻合格。
3）将试验引线接上被试电缆终端接头的一相。
4）检查试验回路所有接线，检查测量仪表，准备开始试验。
5）合上试验电源，调整变频电源的频率，将试验回路调至谐振，此时调压器置于初始位置。
6）将输出电压逐渐升至试验电压，保持试验电压60min，然后快速降压至零，断开试验电源，高压端挂接地线。
7）复测被试电缆A相的绝缘电阻。
8）试验过程中如发生闪络、击穿或异常情况，应立即暂停试验。委托方应安排人员检查电缆是否需要处理，确定能否再次进行耐压试验。试验方应检查试验设备是否损坏，如有损坏须立即检修。
9）重新试验时如再次发生闪络或击穿，委托方必须确认电缆经检查处理后符合耐压试验要求，如符合要求则重复执行“第6步骤”，直至试验完成。
10）重复“第2～9步骤”完成被试电缆其它二相试验。
11）完成三相电缆试验。
3.串联谐振高压试验设备技术分析
3.1串联谐振的产生
R.L.C串联回路
所示为R、L、C串联电路，在正弦电压U作用下，其复阻抗为：
式中，电抗X＝XLXC，是角频率ω的函数，L随ω变化的情况如图4所示。当ω从零开始向变化时，X从–∞向+∞变化，在ω＜ω0时，X＜0，电路为容性；在ω＞ω时，X＞0，电路为感性；
在此时电路阻抗Z(ω0)＝R为纯阻性，电压和电流同相。将电路此时的工作状态称为串联谐振。
阻抗X随ω变化而变的函数图象
式(就是串联电路发生谐振的条件。由此式可求得谐振角频率ω0如下：
谐振频率为：
由此可知，串联谐振装置的谐振频率是由电路自身参数L、C决定的，与外部条件无关，故又称电路的固有频率。当电源频率一定时，可以调节电路参数L或C，使电路固有频率与电源频率一致而发生谐振；在电路参数一定时，可以改变电源频率使之与电路固有频率一致而发生谐振。
3.2串联谐振高压试品电源的优点
1)所需电源容量
下面以额定电压为110kV，电缆长度为2500m，截面积为630mm2的XLPE电缆为例，查表1数据得到该电缆的电容为0.188μF/km，其试验参数估算如下。
试验电压：
高压电抗器电感值：L=40H
试验电压频率：f=36.6Hz
高压试验电流：I=14A
电源电流：I0≈50A
上述电缆如果用常规的交流高压试验设备进行耐压试验时，所需试品容量为P=14A×128kV=1792kVA，采用串联谐振方法所需试验电源的功率仅为P=50A×380V=19kW。串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品的电容通过调频发生谐振而产生高电压和大电流的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分。
2)设备的重量和体积串联谐振电源中，省去了笨重的大功率调压装置和工频试验变压器，使得试验设备的重量和体积大大减少，一般为普通试验装置的1/3-1/5。
3)改善输出电压的波形
谐振电源是谐振式滤波电路，能改善输出电压的波形畸变，获得很好的正弦波形，有效的防止了谐波峰值对试品的误击穿。
4)防止大的短路电流**故障点。
在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，由于回路的电容值改变，电路立即脱谐，回路电流迅速下降；而并联谐振或者试验变压器方式做耐压试验时，击穿电流立即上升几十倍。两者相比在被试品被击穿时，二者的短路电流相差数百倍。所以，串联谐振能有效的找到绝缘弱点，又不存在大的短路电流**故障点的忧患。
5)不会出现任何恢复过电压试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧瞬时熄灭，且恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪络电压前断开电源，这种电压的恢复过程是一种能量积累的间歇振荡过程，其过程长，而且不会出现任何恢复过电压。
3.3关于试验的频率
由于电缆的电容量较大，采用传统的工频试验变压器很笨重、庞大，且大电流的工作电源在现场不易取得，因此一般都采用串联谐振交流耐压试验设备。其输入电源的容量能显著降低，重量减轻，便于使用和运输。初期多采用调感式串联谐振设备(50Hz)，但存在自动化程度差、噪音大等缺点。因此现在大都采用调频式(30-300Hz)串联谐振试验设备，可以得到更高的品质数，并具有自动调谐、多重保护，以及低噪音、灵活的组合方式(单件重量大为下降)等优点。
综合国内外有关技术资料，选择合适的试验频率范围是个比较重要的问题。在这方面，有一些不同的观点和提法。就目前国内外的提法来看，大概可分成3类：第1类为较宽频率范围30-300Hz、20-300Hz、1-300Hz；第2类为工频范围45-65Hz，45-55Hz；第3类为接近工频35-75Hz。
3.4交联聚乙烯电缆单位长度电容量
使用串联谐振方法对被试品进行高压试验时，必须知道被试品的电容量。表1提供了各种规格的交联聚乙烯电力电缆单位长度的电容量值。
