变频谐振在高压电缆耐压试验中的应用

【摘要】本文介绍了变频谐振试验系统的基本原理和优点，并根据现有的试验设备和应用实例，总结了变频试验系统在高压电缆交流耐压试验中的经验。

【关键词】变频谐振交流耐压

This article describes the basic principles of variable frequency resonant test system and benefits, and in accordance with existing test equipment and application examples, summed up the experience of the frequency test system in the high voltage cable in the AC voltage test.

Variable frequencyresonance AC voltage withstand

中图分类号：TN830.2文献标识码： A 文章编号：

1引言

随着电力事业的快速发展，特别是近几年来“城市电网改造”，交联聚乙烯高压电缆在城市已经成熟推广使用，高压电缆现场竣工验收试验的目的是检查电缆的敷设、附件的安装是否正确及电缆在运输、搬运、存放、敷设和回填的过程中，是否有受到意外损害。但是电缆的运行电压等级不断升高且电缆电容大，容量迅速扩大。对于交联电缆大容量试品的交流耐压试验，普通工频试验设备在大容量的情况不适合现场使用。而变频谐振系统试验装置，就能解决以较小的电源容量试验较大电容并且获得较高试验电压，是当前高压电缆交流耐压试验的主流方法，在国内外已经得到广泛的应用。

2变频谐振试验系统原理

目前已研制出谐振成套试验装置。根据调节方式的不同，谐振装置分为工频串联谐振装置（带可调电抗器、或带固定电抗器和调谐用电容器组，工作频率50Hz）和变频串联谐振装置（带固定电抗器，工作频率一般为30～300Hz）两大类。

广东电网公司江门供电局试验研究所使用的VFSR-W型无局放变频谐振试验系统是运用串联谐振原理，采用几个固定电抗器组合使用（包括电抗器串联、并联、串并联等）、通过调频方式，使回路达到谐振状态，最后再调变频电源电压、励磁变压器升压，试品最终达到我们理想的试验电压。如图1所示

图1耐压试验原理接线图

VF:变频电源T:励磁变压器 L:试验电抗器 Cx: 试品

C1、C2:分压器 其中C1为分压器高压臂、C2为分压器低压臂

交流电源送入变频电源，经整流转换为幅值恒定的直流电压,直流电压经变频电源逆变器调制变为频率脉宽 (或称占空比)可调的方波，整个控制过程由计算机完成。方波电压经滤波环节等处理后由变频电源的变频输出口输出，输出电压经电缆送励磁变压器T的低压侧，经励磁变压器T升压后送由高压电抗器L、负载CX和分压器（C1、C2）构成的串联谐振回路，谐振频率由电抗器电感及负载CX和分压器的电容共同决定。通过调节变频电源输出频率使串联谐振回路发生串联谐振，在回路谐振的条件下再调节变频电源输出电压使试品电压到达试验值。由于回路的谐振，变频电源较小的输出电压就可在试品CX上产生较高的试验电压。等值电路如下图2:

图2串联谐振回路等值电路图

其中：U为励磁变压器高压绕组的输出电压，受变频电源控制可以由0到Umax （Umax为励磁变压器高压绕组串并联后的额定输出电压）连续变化，频率30～300Hz连续变化；

R为串联谐振回路的等值电阻；

L为串联谐振回路的等值电感；

C为串联谐振回路总的等效电容；

。

根据电工原理可知：励磁变高压侧系统高压电流:

试品电容上电压：

调节变频电源的输出频率，当满足 =时，即 ，这时系统发生谐振，励磁变高压侧电流最大值: ，

此时试品电容上电压：，其中。

励磁变压器输出容量：

试品试验容量：

从以上公式可知：试品电容上电压为励磁变压器输出电压的Q倍，试品试验容量为励磁变压器输出容量的Q倍（Q：系统品质因数，通常远大于R，故Q值很大，达30～150）。

3变频谐振试验系统的优点

（1）试品试验容量为励磁变压器输出容量的Q倍（Q：系统品质因数，通常远大于R，故Q值很大，达30～150）。也就说试验电源容量为试品试验容量的1/Q，大大减少试验电源的容量。

（2）适合现场试验。多节电抗器的串、并联和混合串并联使用，以及变频电源的电子调压功能，可以使系统满足不同电压等级的要求。

（3）安全可靠性高。采用一点接地、进线保护、低通滤波器、放电保护不仅可以在稳态下使放电或击穿电流小，而且使暂态（瞬时）电流的破坏减小，从而保证设备和人身的安全。保护功能有：试品过压保护、试品放电保护、变频电源输出过流保护、变频电源IGBT保护等，当出现试品过压、试品放电、变频电源输出过流等情况，系统立即封锁试验电压输出，切断主回路电源，确保试验人员、试品及试验系统安全。

（4）变频串联谐振是谐振式电流滤波电路，能改善电源波形畸变，获得较好的正弦电压波形，有效防止谐波峰值对被试品的误击穿。变频串联谐振工作在谐振状态，当被试品的绝缘点被击穿时，电流立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的数十分之一。发生闪络击穿时，因失去谐振条件，除短路电流立即下降外，高电压也立即消失，电弧即可熄灭。其恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪络电压断开电源，所以适用于高电压、大容量的电力设备的绝缘耐压试验。

（5）体积小、重量轻，适（5）合于现场使用。

（6）操作简单方便。先在低的电压下调到谐振点，然后再升高电压幅值达到试验所需电压，且能保持谐振点，操作安全可靠。品质因数高，电源输出为正弦波,串联谐振时波形失真度极小，耐压效果好。

4. 电力电缆交流耐压试验举例

2011年7月，为检验江门新会供电局北区变电站110kV电缆新建线路，竣工后，能否投入运行，对其作交流耐压试验。

（1）试品主要参数。型号：YJLW03-Z-64/110- 500mm2；额定电压：64/110kV；电缆长度：5.2m，电容量：0.169uF/km。

（2）电缆芯线和金属屏蔽层组成一个电容，电缆耐压试验相当于对这个电容负载进行耐压试验。试验原理图如下：

图3电缆试验原理图

（3）参数估算，设备配置。

试验电压：根据 GB 50150-2006 《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》进行，Ux = 2Uo = 2×64 = 128kV，试验时间1h。

电缆电容量：Cx = 0.169×5.2 = 0.8788uF。

满足试验电压128kV需要配置现在电抗器（750kVA/125kV，95H）两台、1500kVA/160kV，84H）两台、变频电源VF-3/P-300一台、励磁变YDW-300/10一台、分压电容250kV/0.004一台，具体参数如下：

电抗器接线方式：串入电抗器（YDTK-1500/160一台）产生串联谐振来提高被试品试验电压,在被试品两端并联电抗器（YDTK-750/125两台和YDTK-1500/160一台）使被试品电容电流大部份由电抗器来补偿,从而使通过串联电路中电抗器的电流大为减少,从而降低试验对电抗器、试验变压器的要求。

试验频率：=1/6.28√22.29×（0.8788+0.004）×10-6 = 35.90 Hz

试品电流：x=6.28×35.90×0.8788×128000=28.86A；

I并联95=128000/（6.28×35.90×95）=5.97 A

I并联84=128000/（6.28×35.90×84）=6.75 A

I串联84=28.86-5.97-5.97-6.75=10.17 A（注意，略大额定电流9.3A，工程允许）

=35.90×80/50=57.44（80为50Hz频率下单节电抗器容量1500kVA系统Q值）

50Hz频率下系统Q值表

电源容量S=U×I/Q=128×28.86/57.44=64.31kVA

（4）试验结果

试品通过交流耐压，实际谐振频率为35.5Hz，试品上的电压Cx是电源输入电压U的Q倍。

5应用中的注意事项

（1）电缆交流耐压试验是破坏性试验。在试验之前必须对电缆先进行绝缘电阻等项目的试验，若试验结果正常方能进行交流耐压试验，若发现设备的绝缘情况不良（如受潮和局部缺陷等），通常应先进行处理后再做耐压试验，避免造成不应有的绝缘击穿，电缆交流耐压试验后还要进行绝缘电阻等项目的试验。

（2）变频谐振系统在实际使用时，试验回路调谐必须在很低的励磁电压下进行，调节变频电源输出频率，使试品端的电压达到最大，这时，回路达到谐振状态，再按规定的升压速度升高励磁电压，电缆达到试验电压后，设定耐压时间。耐压完毕，均匀、快速降压后，切断电源。

（3）本装置使用时，输出的是高电压，必须可靠接地，各联接线不能接错，注意安全距离。电缆屏蔽层保护器接头短接，并套临时接地，保护电缆。如果电缆头是与GIS直接连接，在试验时断开避雷器、内部PT，应使GIS符合运行条件。如果电缆头安装在杆塔上，电缆的屏蔽层和非试相连接接地，该接地需要采用铜箔或裸铜线与串谐系统连成回路。

（4）变频谐振试验系统是利用谐振电抗器与被试品谐振产生高电压的，做好是在试验前谐振需要的设备和相关参数计算好。也就是说，能不能产生高电压主要是看试品与谐振电抗器是否谐振，所以，试验人员在分析现场不能够产生所需高电压时，应该分析什么破坏了谐振条件，回路是否接通等。

（5）断开电源后，使用接地棒放电。

（6）当供电电源离试验现场较远时，要考虑到线路电压降的问题，选择适合的电缆、保证我们电源电压质量合格。

6结束语

交流耐压试验是鉴定高压电缆耐压试验最直接的方法，它对于判断高压电缆能否投入运行具有决定性的意义，也是保证高压电缆绝缘水平、避免发生绝缘事故的重要手段、在工程中应用广泛。

参考文献：

[1] GB 50150-2006 《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》.2006

[2] 陈化钢.电气设备预防性试验方法[M].水利电力出版社.1997