变频谐振耐压在110kV~220kV交联聚乙烯电力电缆交流耐压试验中的应用

韩乃强 安玉军

【摘要】文章提出了在XLPE交联电缆交接耐压试验中存在的问题。论述了变频谐振设备在进行110kV、220kV电力电缆现场交流耐压的可行性。并通过采用变频谐振振耐设备在工程的应用，讨论了变频串联谐振设备在XLPE交联电缆交流耐压试验中的效果和一些应注意的问题。

【关键词】：交流耐压 变频谐振 电缆试验 注意的问题

中图分类号：TM247 文献标识码： A 文章编号：

1 问题的提出

1.1 问题及现状

随着天津地区经济的快速发展110kV及220 kV的XLPE交联聚乙烯绝缘的电力电缆大量使用，其交流耐压试验问题就显得非常突出。在2006年之前天津地区110kV及220 kV交联电缆因无试验设备而无法对其进行交流耐压试验。因此只能使用直流耐压的试验方法。但近年来国际、国内的很多研究机构的研究成果表明直流耐压试验对XLPE交联聚乙烯电缆有不同程度的损害。有的研究观点认为XLPE结构具有存储积累单极性残余电荷的能力，当在直流试验后，如不能有效的释放掉直流残余电荷，投运后在直流残余电荷加上交流电压峰值将可能致使电缆发生击穿。国内一些研究机构认为，交联聚乙烯电缆的直流耐压试验中，由于空间电荷效应，绝缘中的实际电场强度可比电缆绝缘的工作电场强度高达11倍。交联聚乙烯绝缘电缆即使通过了直流耐压试验不发生击穿，也会引起绝缘的严重损伤。其次，由于施加的直流电压场强分布与运行的交流电压场强分布不同，直流耐压试验也不能真实模拟运行状态下的电缆承受的过电压，不能有效的发现电缆及电缆接头本身和施工工艺上的缺陷。因此， XLPE交联电缆投入运行前有效的耐压试验成为了人们越来越关注的焦点。

1.2现行采用的交流耐压试验频率

（1）0.1 Hz超低频频率交流耐压试验在目前仅能满足中压电缆的试验要求。国内该设备还不完善有待进一步的开发。

（2）试验频率采用20～300Hz的交流耐压试验，该频率使用范围较宽。在这个频率范围内的变频串联谐振耐压试验设备容易实现，而且具有低噪音、体积小和灵活的组合方式而被优先采用。

1.3 试验标准

天津市电力公司在《电力设备交接试验规程》2007版中,电缆主绝缘耐压试验一项中增加了电缆的20～300Hz交流耐压试验标准。

20～300Hz谐振耐压试验

2 试验设备

2.1简介

由于交联聚乙烯电力电缆容量大，因此在进行交流耐压试验时相应的需要试验设备容量也大。对于采用50Hz的工频试验设备来讲，在现场进行较大容量的电力电缆交流耐压试验在现有技术条件下几乎是不可能的。而采用30-300Hz的变频串联谐振系统用于现场交流耐压试验是一个比较好的办法。天津送变电工程公司于2005年底订购了一套国产的变频串联谐振交流耐压设备。通过一年来的试用，现已成功的进行了吴八、吴海等多条220kV交联聚乙烯电缆线路和多条110 kV交联聚乙烯电缆线路的交接及预试工作以及部分220 kV GIS的现场交流耐压试验。并取得了一些比较好的经验。

2.2设备基本参数介绍

30～300Hz变频串联谐振试验装置相对于常规的50Hz工频交流耐压试验设备和调感调容谐振系统来说具有品质因数高、需用功率小、体积小、重量轻的突出优点而被广泛推广使用。实践证明这种试验方法是最有效的方法。

CHX（f）-8000kVA/440kV变频串联谐振试验装置参数如下：

（1） 额定容量：8000kVA；

（2） 额定电压：110kV，220kV，440kV；

（3） 额定电流：（组合）72.7A，54.6A，36.4A，18.2A；

（4） 输入电源：三相380V；

（5） 工作频率范围：30～300Hz

（6） 装置品质因数 Q>90

（7） 额定容量下允许连续试验时间60min

（8） 单节电抗器L=26H

该变频串联谐振试验装置是我们综合电力电缆和220kVGIS设备的具体情况而设计订做的。220kV如按1.4U0试验标准最长可试验0.2μf/km的220kV的电力电缆约10 km。其他试验电力电缆系统部分的主要性能参数见表1。

3．变频串联谐振原理

图 1变频串联谐振原理

B-励磁变压器 L-电抗器 Cx-试品 R-回路等效电阻

根据谐振原理可知当改变频率使其：ωL=时电路形成谐振。

此时；

UL=UC=I*ωL= I*

U=I*［R+j（ωL-）］= I*R

则品质因数Q==== (1)

谐振频率f0= （Hz） (2)

UC=UL=QU (3)

4．L、CX、f0对应关系

从上表可以看出110kV电力电缆试验用电抗器可组合电感量为26H、13H、8.67H、6.5H等4种组合，220kV电力电缆试验用电抗器可用电感量为26H、52H等2种组合。根据电抗器的额定电流来考虑，其计算如下：

I=ωCXUC CX=

（1）110kV电力电缆按规程要求耐压为1.7U0=109kV则被试电缆最大电容量为:

单节按f0=30Hz，I=18.2A则CXmax≤0.87μf

两节并按f0=30Hz，I=36.4A则CXmax=≤1.71μf

三节并按f0=30Hz，I=54.5A则CXmax≤2.57μf

四节并按f0=30Hz，I=72.8A则CXmax≤3.42μf

（2）220kV电力电缆按规程要求耐压为1.4U0=178kV

两节串按f0=30Hz，I=18.2A则CXmax≤0.87μf

两串两并按f0=30Hz，I=36.4A则CXmax≤1.71μf

根据上述计算结果即可求出被试电缆长度：L=CXmax/单位长度

电容量计算结果见表1：

表1

上表的计算电缆长度为本设备极限值，当考虑6000Pf的电容分压器时被试电缆长度还应适当的减少一点。因此试验时应尽量避免使用到极限值，并保留一定的余度。

5．现场试验中应注意的几个问题

5．1试验电压升不上去

我们在试验过程中发现被试品上的电压上不去，达不到规程要求值。经分析其原因有以下几个方面原因：（1）电抗器到被试品的引线过长，造成谐振回路等效电阻R增大，致使Q值降低造成的。解决办法就是尽量减少引线长度，用截面积大的导线即可解决。（2）用一般的试验引线在较高电压下会产生电晕效应，当天气情况较差时电晕效应会更严重。由于电晕放电会产生能量损耗，能量损耗加大也可使Q值降低。造成升压困难。因此当试验电压较高时宜采用管状试验线或截面较大的试验线。

5．2试验频率问题

变频电源频率为30～300Hz，试验频率可选范围较宽，当试验频率较低时即接近30Hz时励磁变压器损耗增大温升较快，因此选择电抗器时应该考虑这一点，尽量避免试验频率太低接近30Hz的频率。建议使用频率为35～75Hz之间为好，使其频率比较接近工频50Hz，这样试验更接近实际运行情况，试验结果更有实际意义。

5．3电缆的接地问题

试验前应检查全部交叉互联箱临时接地线是否可靠接地，防止没接地或接地不良造成的互联箱放电击穿问题。试验完毕后应仔细检查临时接地线是否拆除，交叉互联箱是否恢复正常的连接方式。

5．4试验中其他应注意的问题

由于试验设备低端螺栓带电，其电压最高可达25kV，因此在地面情况较差情况下电抗器下面应垫上厂家提供的垫圈，使之与地面保持足够的安全距离。在不使用大垫圈时应注意电抗器底面带电螺栓与地面保持足够的安全距离。防止放电或接地短路。

6、结束语

采用变频串联谐振耐压试验装置进行电力电缆试验对于我们试验人员来说是一个新的试验课题。我们要善于在试验中发现问题，并研究、分析并解决问题。这一点是非常重要的。通过解决问题能使我们逐步提高我们的理论水平和现场的实践水平，积累更多的实际经验。通过这一年来的试验来看我们对该试验还有许多要探讨和解决的问题，由于我们对此项工作认识比较浅，希望和同行们进行广泛的交流和合作。