110kV~220kV电缆试验中的电压试验技术研究

摘 要：本文研究了110kV～220kV电缆试验中的电压试验技术，以提升电缆的质量水平。以杭州市萧山区110kV宁达线路的电缆为例，采用变频串联谐振技术进行耐压试验，有效评估了电缆综合性能与耐压强度。分析3种变频串联谐振技术工作原理，将变频并联补偿串联谐振交流耐压试验技术作为电缆试验中的电压试验的主要技术，进行变频并联补偿串联谐振应用计算和试验分析。实际应用表明，该技术优化了谐振回路的设计与参数匹配，将回路电流控制在较低水平，从而降低了对试验电源和辅助设备容量的要求。同时该技术能准确测量出电缆的耐压情况，该110 kV电缆交流耐压试验合格，提升了电缆的质量水平。

关键词：110kV～220kV高压电缆；电缆试验；电压试验技术；串联谐振；交流耐压试验

中图分类号：TM 247" " " " " " " " 文献标志码：A

在高压输电领域，110kV～220kV电力电缆的应用日益广泛，其性能稳定性和可靠性对整个电力系统的运行至关重要。因此，对这类电缆进行严格的电压试验技术研究尤为重要。电压试验是电缆试验中的关键环节，能够模拟电缆在实际运行中的电压环境，全面检测电缆的绝缘强度、耐压能力等各项性能指标。这不仅有助于及时发现电缆存在的缺陷和隐患，避免电网因电缆故障而发生停电和事故，还能提高电缆的运行可靠性和使用寿命。在110kV～220kV电缆的电压试验中，常用的试验方法包括交流耐压试验和直流耐压试验。交流耐压试验能够模拟电缆在电网中的实际运行环境，有效检测电缆的绝缘性能；直流耐压试验可施加直流电压，评估电缆的绝缘强度和泄漏电流情况[1]。这些试验方法的选择和应用，需要根据电缆的具体类型、规格和运行条件进行综合考虑。此外，随着电力技术不断发展，一些新的电压试验技术也在不断涌现。例如，变频串联谐振耐压试验技术，可灵活调整供电频率，促使电抗器与待测电容器形成共振状态，在被测对象上产生高电压与强电流，降低试验所需的电源功率[2]。对110kV～220kV电缆进行电压试验技术研究，不仅有助于提高电缆的质量和安全性，还能为电力系统的稳定运行提供有力保障。因此需要不断探索和完善电压试验技术，以满足电力系统发展的需求。

1 110kV～220kV电缆试验中的电压试验技术

110kV～220kV电力电缆主要包括油浸纸绝缘电缆、塑料绝缘电缆和交联聚乙烯（XLPE）电缆。不同类型的电缆在绝缘层材料、结构设计和电气性能上存在差异，因此其试验方法也有所不同。直流耐压试验技术优点包括设备轻便、适合现场使用、能避免绝缘永久性损坏以及能同时测量泄漏电流等。然而，直流耐压试验可能会加速XLPE电缆绝缘老化，因此不推荐使用。交流耐压试验最能反映电缆在实际运行中的绝缘状况。由于电缆长度和电压等级较高，因此需要大容量试验设备。变频串联谐振技术是解决这一问题的有效方法。变频交流耐压试验技术主要包括以下3种技术。

1.1 变频并联谐振交流耐压试验技术

变频并联谐振交流耐压试验技术原理如图1所示。

当出现并联谐振时，，ω为谐振角频率，电容C包括被试品电容器Cx、分压器C1和分压器C2的电容，通过这些参数可求解线路电流I，如公式（1）所示。

（1）

式中：IL为并联电抗器电流；IC为待试品电流；U0为试品两端电压；L为并联电抗器电感量。

由于线路电流近似于0，因此励磁变压器两端电压Us等于试品两端电压U0。在此状态下，主回路中的电流也几乎为0，电容器与电抗器间实现了能量交换[3]。这种特定的试验电路设计尤其适用于测试电容量大、所需电压不高的样品。同时，此方案还有效降低了对变压器功率的需求。

1.2 变频串联谐振交流耐压试验技术

灵活调整5组电抗器的串联数量，可精确控制变频串联谐振交流耐压试验回路中的电感值。其中励磁变压器的漏抗影响较小，可忽略不计[4]。回路电感的最大值为317.5H（将每组电抗器的电感（18.5H+45H）乘以5组）；最小值为63.5H，即单组电抗器电感之和。这样的设计允许在广泛的电感范围内进行灵活调节，以满足不同试验需求。在试验回路出现谐振情况下，谐振频率f0如公式（2）所示。

（2）

式中：C为电缆电容量；L为电抗器电感量。

在仅串联一组电抗器的配置下，试验回路达到电感值的最小参数，此时测得的谐振频率为16.65Hz，明显低于预期的30Hz下限。由进一步分析可知，随着串联电抗器数量增加，即电感值参数增大，谐振频率会相应降低。鉴于当前设备的实际情况，传统串联谐振方式的谐振频率无法满足既定的试验要求[5]。

1.3 变频并联补偿串联谐振交流耐压试验技术

在变频并联补偿串联谐振交流耐压试验技术中，串联谐振电路在其中起到了电压补偿的关键作用，它能够在特定频率下使电路中的电感与电容发生谐振。此时电路呈现高阻抗特性，但是电压却在谐振元件上得到显著放大，从而以较小的电流源实现了较高的试验电压。并联谐振具有电流分流特性，合理分配了电路中的电流，进一步减轻了主电源的负担，提高了整个系统的功率因数和经济性。变频并联补偿与串联谐振相结合的技术方案在交流耐压试验领域具有独特优势，可精准控制谐振频率、优化电流电压分布，有效降低了电源输出功率，提高了试验效率和安全性[6]。并联补偿串联谐振等效电路如图2所示。

在串联谐振情况下，，这时试品两端电压U0如分别公式（3）、公式（4）所示。

（3）

（4）

这时，能够计算出和等效电容，因此，并联补偿串联谐振品质因数为。

主回路电流如公式（5）所示。

（5）

2 实际应用和分析

在杭州市萧山区，本文使用ZR-YJLW03-Z-64/110-1×800mm2型XLPE电缆，对某110kV线路进行耐压试验，将110kV工频交流作为测试电压。试验主要设备的基本参数见表1。

试验电缆长度为5.8km，其额定电压值为110kV，电缆电容量参考值为0.183μF/km。电缆电容值CX如公式（6）所示。

CX=电缆长度×电缆电容量参考值=1.0614μF （6）

采用图2所示方法实施串联谐振接线。谐振试验中的每项参数值求解流程如下所示。2个32H电感并联后的电感值是16H，按照公式（2）求解出谐振频率f0=38Hz。电缆电容电流如公式（7）所示。

IS=2πf0CXUS （7）

式中：US为电源电压，其值是110kV。

把相关数值带入公式（7），可得IS=27.9A。

将电缆长度设定为5.8km，并运行在110kV电压条件下，如果采取串联接线方式，以期达到谐振状态，理论上所需电流为27.9A。然而，实际可用的变压器输出电流仅限于15A，该数值远低于谐振所需电流。因此，直接应用此方案，将不可避免地造成变压器过载问题，表明变压器在提供谐振电流方面的输出能力不足，即变压器无法满足谐振条件下对电流的需求，需要考虑其他解决方案以避免过载风险。优化串联谐振电路实施改造计划的重点是设计合理的分流电路结构，有效降低串联谐振电路在特定工作条件下的谐振电流，从而避免变压器过载现象。为了实现这一目标，本文选择集成3节高压电抗器的接线方案，这些电抗器每节的额定电感量均为28H。通过精心配置，这些电抗器能够更灵活地调节电路中的电流分布，保证系统稳定运行在安全范围内，同时保持谐振效果。调节方式如图3所示。

引入电抗器L3（其电感量L3'为28H）并以并联方式接入电路后，该电抗器所承担的分流电流大小将基于电路中的总阻抗分布和各并联元件的特性。因此，当该电抗器并联接入后，其分流电流如公式（8）所示。

（8）

把相关数值带入公式（8），可得IL'3=16.5A。因此，变压器输出电流Ib＝27.9-16.5=11.4A，经电抗器调节后，变压器输出电流能够符合谐振电流标准。

经理论计算确立谐振条件的各项参数后，进一步对电缆谐振过程中的实际参数进行精确测量，这是一个验证谐振是否发生的有效手段。如果实测所得变压器高压侧的电压、电流数值与理论计算值高度吻合或处于可接受的误差范围内，就表明在该条件下发生了谐振。理论计算值和实测值对比见表1。

分析表1可知，理论计算值与实测值间的误差处于可接受的低水平范围内，这充分验证了实际操作中的准确性。因此，所得试验结果不仅与理论计算紧密契合，还验证了本文计算方法的高度可靠性，对后续分析与应用具有一定参考价值。

采用本文技术进行电压试验，连接变频电源并尝试进行面板设置，在升压过程中达到谐振点后，手动调整电压至65kV，此时可观察到低压输出端电压出现轻微振荡后趋于稳定，而变频电源低压输入端的电源电压始终保持稳定，排除了电源波动的影响。针对此情况，采取断电、电缆放电和重新寻找谐振点的措施，当再次升压至65kV时，发现低压电压与电流停滞不前，而高压侧则出现显著波动。现场分析认为，问题源于高压试验引线的裸铜线在强风环境下发生了电晕放电和试验引线摆动，共同导致电压不稳定。此外，试品电缆较长的长度（5.8km）及其配备的接地箱、交叉互联箱等装置，均对金属护套电压的急剧上升具有抑制作用，使护层环流减少，从而降低了升压速率。经过一段时间的等待，电压逐步升至75kV后遭遇瓶颈，需要额外等待约10min才能继续升至100kV。再等待5min，确认试品电缆和GIS侧状态正常后，最终升压至110kV。达到预定电压并保持1h后，系统自动执行降压程序并切断电源，标志着试验过程顺利完成。试验结果表明，该110 kV电缆交流耐压试验合格。

3 结论

本文在实践中验证了变频串联谐振技术在高压电缆电压试验中的优越性，揭示了其在提高试验效率、降低设备需求和模拟实际工况方面的显著优势，这一原理具有广泛的适用性和推广价值。尤其在变频技术的应用上，本文研究比传统方法具有更高的灵活性和精准度，但是也存在一定局限性。例如，对于不同类型、不同规格的电缆，其最佳试验参数与谐振条件的确定仍需要大量试验数据的支持。因此，未来的研究应继续聚焦于该问题，以期实现更全面的技术突破。

参考文献

[1]张国龙.串并联谐振法在110kV长距离电缆耐压试验中的应用[J].机械工程与自动化，2024（2）：197-199.

[2]刘凌志.110kV电力电缆耐压试验施工技术研究[J].黑龙江科学，2023，14（4）：144-145，148.

[3]史兴文.110kV电力电缆现场交流耐压试验[J].水电站机电技术，2023，46（1）：22-24，143.

[4]王贤湖，张正，周杰.高压电力电缆试验方法与检测技术分析[J].大众标准化，2022（23）：186-188.

[5]魏子舒，赵昌鹏，杜群，等.高压电力电缆试验方法与检测技术探讨[J].数字通信世界，2021（8）：124-125.

[6]张浩.高压电力电缆试验方法与检测技术分析[J].大众用电，2021，36（10）：52-53.