工频交流耐压试验的现场应用及计算验证

聂卫兵

（晋城乾泰安全技术有限责任公司， 山西 晋城 048000）

引言

近年来随着人民生活水平的日益提升，城镇电力消耗急速增大，城市供电网络电压等级也大幅提高，对输电电缆的电气性能、可靠性等的要求越来越严苛。交联聚乙烯绝缘电力电缆在供电系统中得到广泛的应用，其制作工艺优良，结构合理，特别是在高压输电领域具有明显的优势。但是在长期的应用过程中，也出现了因树枝化放电而造成的绝缘老化破损的问题，大大减少了其使用寿命。因此，需要对其绝缘强度进行耐压试验[1]。以保障其可靠使用。

1 直流耐压试验和交流耐压试验对比分析

电气设备绝缘耐压试验有直流耐压试验[2]和交流耐压试验[3-4]两种，国内外技术人员采用两种耐压试验进行了多次的试验和运行，取得了大量的试验数据。根据国内外大量直流耐压试验和运行结果发现，直流耐压试验在交联电缆的绝缘检测中效果不佳，对于交联电缆的绝缘问题不能准确检测，易形成绝缘隐患。不管是国外还是国内的XLPE电缆在运行过程中，均发生过多次的故障，对其出现的故障原因进行调查发现，直流耐压试验产生的负面效应是引起XLPE电缆出现大量故障的重要原因。

目前我国主要采用交流电，电缆均在交流电压下运行，因此交流耐压试验相比于直流耐压试验，其在电压、波形、频率以及在被试品绝缘内部电压低的分布等方面，均与电缆的实际运行状态相符，其能够充分检测交联电缆的绝缘隐患，有效维护设备乃至供电系统的安全运行，且具有自动调谐、多重保护，以及低噪音、灵活的组合方式等优点。

因此，通过对交联电缆的交接试验原理和绝缘影响因素的分析可知，在现场对交联电缆进行耐压试验是可行且必要的。

2 串联谐振的试验方法

现场交流耐压试验需要试验变压器、调压器及电源等相关实验设备。由于实验设备的运输、安装调试等的原因，现场交流耐压试验往往仅适用于小型设备；对于大型发电机、变压器、GIS、交联电缆等电容量大的设备则难以进行。因此，对于大型设备的现场交流耐压试验则需要采取串联、并联和串并联谐振的方法进行代替试验。由于串联谐振的试验方法，在固定电容设备现场交流耐压试验方面具有明显优势，因此对于现场大电容设备往往采用此种方法，并通过调感或调频来进行谐振补偿。

串联谐振原理如图1所示，变频电源、励磁变压器、电抗器、分压器等是变频串联谐振试验装置的主要组成部分。电抗器与被试品的电容之间采用串联谐振方式进行连接；而分压器与被试品之间采用并联连接，其不仅可检测被试品上的谐振电压，同时可以作为过压保护信号；串联谐振的激励功率的实现方式是调频功率输出通过激励变压器耦合给串联谐振回路来实现的。

图1 串联谐振原理

2.1 总体技术规范

串联谐振的技术规范如下：输出试验电压为0～1 000 kV交流有效值；输出频率为20～300 Hz；输出试验电流为1～10 A交流有效值；谐振电压波形为正弦波；波形畸变率＜1%；工作制为满功率输出下，连续工作时间30 min；被试品种类为各种电力变压器、电力电缆、发电机、GIS等设备；品质因数为20～80，视不同的负载条件而不同；输入工作电源为220V，50 Hz；环境温度为 0～ 40℃ ；相对湿度（RH）＜95%，无凝露；海拔高度在2 000 m以下。

2.2 主要部件的技术规范

2.2.1 变频控制单元

将220 V、50 Hz的电源变为频率可调、电压连续可调的控制、操作、检测功能单元。输入工作电源为220 V、50 Hz，电流5～250 A；输出频率为20～300 Hz；输出电压和电流为0～250 V，电流5～250A；频率调节细度为0.1 Hz；最大输出功率为5～10 000 kVA。

2.2.2 励磁变压器

将变频电源输出的电压升高，同时隔离高压和低压。输入工作电源为250 V电流5～250 A；额定容量为5～50 000 kVA；输出电压和电流为0～10 kV，电流1～10 A。

2.2.3 谐振电抗器

与容性试品发生串联谐振。单台电抗器额定工作电压的有效值为20 kV、40 kV、60 kV；单台额定工作电流的有效值为1～10 A。

2.2.4 电容分压器

调节高压电压值。工作方式为纯电容式；工作频率为30～300 Hz；电容1 000 pF±5 pF；额定电压的有效值为 20 kV、60 kV、100 kV、200 kV、500 kV、1 000kV；测量误差＜1%；分压器低压臂电压100 V。根据图1，其等效电路如图2所示。

图2 等效电路

此时，电路中的电流为：

式中：R、XL分别为电抗器的等效电阻及感抗；XC为试品容抗。

当采用可调式电抗器进行补偿时，可调节XL，当XL=XC时，此时回路发生串联谐振，电压提供较小的励磁电压，试品能得到很高的电压，电路中电流为:

式中：Q为电抗器的品值因数。

由上式可看出，由于试验回路中电阻R很小，故Q很大，一般正常时可达50以上，由此可见，按照换算的方式，采用串联谐振的方式可在试品上产生数十倍于试验变压器输出电压的电压，从而可大大地降低试验变压器额定电压及容量。

3 串联谐振试验方法的现场应用

4 串联谐振试验方法现场应用的新计算方式

对于串联谐振现场所采用的代入式方法，计算量比较大，查找频率比较麻烦，且精确度低。鉴于此，现将代入式转化成求值式，如下。

根据等效电路图2得：

当XL=XC时，电路发生谐振，则：

式中f为（20～ 300）Hz，由此可得

由于

计算可得到：

当f=50 Hz时，带入式（6）得

由于式（11）∈ 式（7），又f=50 Hz时，为最理想工频值，因此可以得到最理想的L值。

5 串联谐振试验新计算方式的应用实例

采用串联谐振试验法，对电缆进行试验，电缆型号为 YJV22-8.7/10 kV-3×70 mm2，长度 800 m。试验步骤如下：

1）通过查说明书得电缆容量为C=0.173 6 μ F，UC=2UO=17.4 kV，其中UO为被测电缆的线电压。

2）测量被测电缆的绝缘电阻及吸收比，合格。

3）将C=0.173 6 μ F，UC=17.4 kV带入下式：

计算可以得到L为58.4 H，即所需电抗器电抗L2=L-L1=58.4 H-10 H=48.4 H，其中L1为励磁变压器的电抗，为设备固定值。则电路中串联一个50 H的电抗器即为最理想电抗器。

通过采用新计算方法，大大缩短了原计算时间，提升了工作效率，同时也不用专门调节频率，即可满足要求。在试验过程中，如果试品出现绝缘击穿的现象，电路的电容量出现变化，回路中的电流大幅降低，为正常试验电流的1/Q，从而可以准确找到试品的绝缘弱点，保护试品不被短路电流烧伤。

6 结语

通过现场应用分析可知，采用新的串联谐振法进行绝缘耐压试验方法简单，便于操作，而且试验效果稳定、可靠，不仅可以准确找到试品的绝缘弱点，而且能够保护试品不被短路电流烧伤。该方法可被广泛运用于大型设备的现场交流电耐压试验，具有广泛的应用前景。