变频谐振技术与ＸＬＰＥ电缆试验

刘　剑　张忠魁

[摘要]通过对变频技术的介绍，结合国内的应用及相关变频谐振试验装置特点，阐述在实际操作中应注意并掌握的知识，充分发挥仪器的智能作用为XLPE电缆试验服务，提高工作效率。

[关键词]变频谐振XLPE电缆试验

中图分类号：TM4文献标识码：A文章编号：1671－7597(2009)0210038－01

一、引言

上世纪80年代至90年代中期，加拿大、德国、美国等先进国家制定了相应的交流耐压试验标准并推广应用。从90年代末开始，我国的广东、北京等地出台了对XLPE电缆做交流试验的暂行规定，随着国标GB50150-2006《电气安置安装工程电气设备交接试验标准》及DL/T849.6－2004《电力设备专用测试仪器通用技术条件》的颁布实施，结合各省和地区制定的试验规程，对XLPE电缆进行交流耐压试验已成为共识。

二、变频谐振的主要用途及优越性

变频谐振试验主要用于对大容量的容性电力设备的现场交流耐压试验，如中低压、高压、超高压的交联聚乙烯(xLPE)电缆，全封闭组合电器(GIS)，发电机定子，大型变压器和电力电容器等。

70年代末，国外电力部门发现了直流耐压试验对橡塑绝缘是无效的且具有危害性，所以，目前，国内已不推荐甚至禁用直流法做XLPE电缆试验。因为XLPE电缆致命的一个弱点是绝缘内容易产生水树枝，在直流电压作用下会迅速变为电树枝并形成放电，加速了绝缘劣化：而单纯的水树枝在交流工作电压下还能保持相当的耐压值并能保持一段时间。国内外的调查研究和实践都表明，直流耐压试验不能有效发现交流电压作用下的某些缺陷，如电缆附件内的机械损伤等。而采用超低频(0.1Hz)交流试验方法设备体积虽减小了，但也有其局限性。首先，目前国内产品均采用半电子半机械(大功率开关每5秒切换一次)方式来产生0.1Hz频率，输出波形无法达到等效性好的正弦方波：其次，试验时间通常要求1小时(三相同做时为l小时，若发现有缺陷时再分相做，每相1小时)，工作效率是比较低的；同时，超低频(0.1Hz)耐压试验只适用于中低压、高压XLPE电缆，无法满足超高压电缆主绝缘的试验要求。

国际大电网会议(CIGRE)21－09工作组于1997年发表的《高压挤包绝缘竣工验收试验导则》中指出：30－300Hz交流耐压试验与工频耐压的等效性良好，推荐用此方法进行电缆交流试验并制定了试验电压标准。基于一些高校实验室的理论和模拟试验研究以及国外十几年来采用变频试验的经验，其等效性好，效率高，设备轻便，试品长度几乎不受限制。IEC60840标准中推荐45－150kV电压等级敷设后电缆试验标准中增加了1.7U₀/5min或1υ₀/24h的交流试验标准：IEC62067/CD草案中对220kV等级则只提出了交流试验的要求，频率为：20－300Hz。

三、变频谐振的理论基础及设备的组成

(一)谐振的理论基础

谐振定义：电路输入端电压u与电流同相，称为谐振。通常分串联谐振(电压谐振)和并联谐振(电流谐振)。

谐振频率：fO＝1/2π·1/√LC谐振角频率：ω₀＝1/√LC

电路的品质因数：试品所获得的容量与励磁变压器输出容量之比。在串联谐振回路可用试品上的电压值与励磁变压器的输出电压之比代替，在并联谐振回路可用试品的电流与励磁变压器输出电流之比代替。即：

Q＝ω₀L/R＝1/R×L/√LC＝1/R√L/C

谐振时的电路特点：

1、阻抗最小：z＝RI₀＝υ/R

2、电压一定时电流最大

3、电容两端的电压为电源电压的Q倍：Uc＝Qu

4、源功率P＝UI＝υc/Q·I

可见谐振时源的激励功率仅为C上电功率容量的1/Q，Q越大越好。

(二)串联变频谐振装置的组成

串联变频谐振装置是通过改变系统的电感量和试验频率，使回路处于谐振状态。因为我们讲的试验主要考核试品的耐压程度，故选用串联谐振，亦称电压谐振。采用变频谐振技术使试验电源的容量降低，设备重量大大减轻，便于现场试验。

变频电源：频率在30－300Hz连续可调的功率源。通常规格有5KVA、IOKVA、20KVA、50KVA……。

励磁变压器：用于给电感、电容谐振系统提供能量的变压器，特点是变压器的铁芯特性能适用较宽频率下的电压响应，与变频源配套使用。规格有：5KVA、IOKVA、20KVA、50KVA……。

谐振电抗器：用于同试品电容进行谐振，以获得高电压(或大电流)的电抗器。规格有：30H/20KV/2A 40H/40KV/3A……，一般配1－3个可根据需要串并组合。

电容分压器：用于精确测量试品端所加电压值。规格有：100KV、150KV……。

补偿电容器：因大型变压器及发电机电容量偏小，需补偿以增大电容量(图中虚线部分)保证谐振频率在规程要求的范围内，而做电缆试验时不需要。

四、现场使用注意事项

(一)使用前的准备

1、了解XLPE电缆的电压等级、长度和截面积，查阅该规格电缆电容量(uV/km)，计算总电容量。

2、依据电缆规格，查阅本地区规程要求的试验电压。

3、按谐振在较低频率试验电流小(I＝2 π f Cv)的原则，估算谐振频率。电抗器串联，电感量增大，耐压值升高，适合做短电缆；反之，电抗器并联电感量减小，耐压不变，适合做长电缆。

4、按试验装置所配的电抗器数量(1－3个)及其电感量，估算：

5、估算试验电流值，以判断电抗器及励磁变可否承受

I＝2πf CU＝6.28×64.156×1.85×10^-6×17.4×10³＝12.969A如果都能满足，则试验就可正常进行。

(二)串联变频谐振装置

目前国内大部分厂家提供的设备技术上比较成熟，各种保护及数据存储、打印等功能齐全。有采用菜单式操作大屏幕LCD显示(西安福润德公司)，也有数显及指针表显示，生产厂家一般提供自动／手动两种操作方式供用户使用。

接线方式通常有三种：1、大电容量试品接线，如电缆长＞3km；2、中小电容量试品试验接线，如1km左右电缆；3、小电容量试品(如几十米～几百米电缆)或较高电压试品试验接线(如≥35kV电缆)。

五、结论

相对于传统的工频和调感式谐振(50Hz)试验方法，变频谐振技术在XLPE电缆试验中的应用才刚起步，借鉴国外成功的经验和国内专家们的统一认识，相信它的应用前景非常广阔。