高压电缆调频串联谐振交流耐压试验分析

杨建民

【摘要】本文针对《GB 50150-2016电气装置安装工程电气设备交接试验规程》中橡塑绝缘电力电缆优先采用交流耐压的要求，对电缆进行现场交流耐压试验的必要性和有效性进行分析，并简单介绍调频式串联谐振耐压试验装置现场试验的原理和分析。

【关键词】串联谐振；调频电源；橡塑绝缘电缆；交流耐压试验

1概述：

随着我国的电力事业的迅速发展，橡塑绝缘高压电力电缆中的交联聚乙烯电缆使用的数量越来越多。由于交流耐压试验的耐压时间加长，耐压电压值较低，能更好地反映电缆绝缘的状况以及发现绝缘中的缺陷。因此，《GB 50150-2016电气装置安装工程电气设备交接试验规程》第18.0.3条规定，橡塑绝缘电缆要优先采用20 ~ 300HZ交流耐压试验，取代原来的直流耐压试验。本文介绍如何利用调频电源装置，采用带补偿电抗器的串联谐振方式对电缆进行交流耐压试验方法。

2交流耐压代替直流耐压的必要性分析：

近年来，国际、国内很多研究机构的研究成果表明：直流耐压试验不适合用于交联聚乙烯电缆试验。一些电缆即使通过了直流耐压试验，投运后不久仍然发生绝缘击穿事故。直流耐压试验时对绝缘的影响主要表现在：直流电压与实际运行的交流电压作用不同。直流电压作用下，只有绝缘材料的电阻率决定绝缘中的电场分布，而交流下的电场分布则由电阻率和介质常数两者决定。因此经常发生直流耐压试验合格的电缆，投入运行后，在正常工作电压作用下，也会发生绝缘故障。

为了检验和保证电缆的安装质量，在送电投运前进行现场交流耐压试验十分必要；出台的国标《GB 50150-2016电气装置安装工程电气设备交接试验标准》也要求采用交流耐压的方法进行橡塑绝缘电缆的耐压试验。但是，由于电力电缆对地电容量很大，需要较大容量的试验设备和电源，在现场采用50HZ工频进行交流耐压试验条件难以具备。

3变频串联谐振交流耐压的原理与试验方法：

(1)串联谐振耐压的原理

如果被试品的试验电压较高，而电容量较小，一般可采用串联谐振方法,其等效电路图如图一所示。

        

图一  串联谐振等效电路图

当试验回路中ωXL=ωXC （C包含CX  、C1 、C2）时，试验回路产生串联谐振，此时能在试品上产生较高的试验电压(试验电压高低与回路品质因数有关)。对于电力电缆来说，电容量较大，采用传统的工频试验变压器很笨重，且大电流的工作电源在现场不易取得。被试设备的电容量C是固定的，要使试验回路产生谐振就要改变试验回路的电感L或频率ω。

(2)调频式串联谐振耐压试验方法

高压电缆的现场交流耐压一般采用的调频式(25 ~ 300Hz)串联谐振试验设备，可以得到更有较高的品质因数Q值，并具有自动调谐、多重保护，以及低噪音、灵活的组合方式等优点。

图二为调频式串联谐振试验回路的原理图，试品上电压UC和电源电压Ue的关系如下式：图二

              

C=被试品电容   L=高压电抗器   R=回路中等值电阻 

Ue =电源电压    Uc =试品上电压

Uc=-j XC UC  ／［R +j(XL - XC) ］                                  当调节电源频率达到谐振状态时，即XL = XC  时

Uc=-j XC UC  ／R =-j Q Uc        (公式中Q= XC ／R ,Q为谐振中回路的品质因数)

（3）橡塑绝缘电缆交流耐压的试验标准

根据国标《GB 50150-2016电气装置安装工程电气设备交接试验标准》的要求，橡塑绝缘电缆优先采用20 ~ 300HZ交流耐压试验。

4现场使用调频串联谐振装置进行电缆交流耐压分析及其注意事项：以某电厂10kV电缆交流耐压试验为例：

电缆参数：

电缆型号：ZRC-YJV-8.7/10 额定电压(U0/U)：8.7/10 kV

电缆长度： 217 m              电缆截面积：150mm2  

试验设备参数：

DK型高压电抗器：L1=L2=18kV/2A/42H

HV型电容分压器：300Pf

首先根据电缆的参数，计算出试验电压：2.5U0=2.5×8.7=21.75 kV

由于DK型额定电压为18kV,单台电抗器不能满足21.75kV试验电压的要求，这就需要2台此型号的电抗器串联使用。

截面积为150mm2的10kV电缆的每千米电容量为0.28。

根据试验回路中的电感、电容参数计算出谐振点的频率：

f=1/2π√LC=1/(2×3.14√0.217×0.28×10-6×84)=70.42Hz

根据所得到的谐振点频率和试验所需电压，计算出所需的最大电流，以核对试验设备能否满足要求：

Ｉ= Uc2πfC=21.75×2×3.14×70.42×0.217×0.28×10-6=0.58A<2A

由以上计算数据可知，试验采用两台额定参数为18kV/2A/42H的电抗器串联组成，能够通过的最大电流为2A。该设备完全符合试验要求。

5试验分析：

在交流耐压中，绝缘良好的被试品是不易被击穿的，是否击穿可根据下述现象来分析：

（1）对试验回路接入表计的数值指示进行分析。如果电流表数值突然上升，一般则说明被试品已击穿。

（2）根据被试品的状况进行分析。被试品是不容许发出击穿响声(或断续放电声）、冒烟、出气、焦臭、闪弧、燃烧等现象的。这些现象如果确定是绝缘部分出现的，则认为是被试品存在缺陷或击穿，应及时查明原因并妥善处理。

6注意事项：

（1）被试设备的等效电容包括被试设备电容及试验引线和被试设备对地的杂散电容。设备的一次接线和设备两端所连引线对地电容引起的，引线越长，C值越大，Q值越小。因此，我们必须尽量让一次引线短些。另外，电抗器、旁路电容安装均压环，减少线路电晕损耗引起的等效电阻，也是提高Q值，降占空比的有效方法。

（2）现场试验时电抗器放置必须与周围物件保持一定安全距离；电抗器严禁放置在铁板上，因为放置在铁板上将产生涡流，影响谐振试验；电抗器串联平铺放置使用时，第1节电抗器可直接放置在地上（输入电压低通常才几千伏，并且设备配置了可拖地的高压引线不存在高压危险），第2节电抗器必须在底部放置专门的绝缘筒上。因为此时在第2节电抗器的低压端电压为第1节电抗器高压端输出的电压，根据电抗器型号不同，变频电源输出电压不同，产生的高压通常都在几万伏。

7小结

根据现场试验的实践证明，调频式串联谐振耐压试验装置与工频试验变压器相比，具有运输方便，所需电源容量小，输出电压波形好，被试品击穿闪络时对被试品损伤小等优点，在现场试验中将会得到越来越多的运用。

参考文献：

[1]GB 50150-2016 《电气设备安装工程电气设备交接试验标准》　主编单位：国网北京电力建设研究院

[2]《HVFRF型自动调频串联谐振系统》说明书　                　编制单位：苏州工业园区海沃科技有限公司