串联谐振在XLPE电缆耐压试验中的应用

【摘 要】随着城市化建设的不断发展，交联聚乙烯绝缘电力电缆（XLPE）以其合理的工艺和结构，优良的电气性能和安全可靠的运行特点，在国内外获得越来越广泛的使用，XLPE交联电缆越来越多，但是仅仅靠直流耐压试验后就将电缆投入运行，而在运行电压下发生电缆或电缆头击穿的事例时有发生，国标GB50150-2006 《电气装置安装工程 电气设备交接试验标准》推荐采用变频串联谐振耐压方式。本文将结合现场试验实际情况，介绍变频串联谐振耐压方式在XLPE交联电缆耐压试验中的应用。

【关键词】XLPE电缆；交流耐压；串联谐振

1 概述

近年来的运行和研究表明，交联聚乙烯电缆的绝缘在运行中易产生树枝化放电，造成绝缘老化破坏，严重地影响了交联聚乙烯绝缘电力电缆的使用寿命。为了检验和保证电缆的安装质量，在送电投运前，对电缆进行现场耐压试验十分必要。但是近年来国内外的试验和运行经验证明：直流耐压试验不能有效地发现交联电缆中的绝缘缺陷，甚至造成电缆的绝缘隐患。德国Sechiswag公司在1978～1980年41个回路的10kV电压等级的XLPE电缆中，发生故障87次；瑞典的3kV～24.5kV电压等级XLPE电缆投运超出9000km，发生故障107次，国内也曾多次发生电缆事故，相当数量的电缆故障是由于经常性的直流耐压试验产生的负面效应引起。以下针对变频串联谐振耐压试验进行说明探讨。

2 直流耐压与变频串联谐振耐压试验的优缺点分析

工作中遇到最多的就是10kV电压等级的交联聚乙烯绝缘电缆，下面对直流耐压对电缆的危害进行说明：

（1）交联聚乙烯绝缘电缆在交、直流电压下的电场分布不同交，联聚乙烯绝缘层是采用聚乙烯经化学交联而成，属整体型绝缘结构，其介电常数为2.1―2.3，受温度变化的影响较小。在交流电压下，交联聚乙烯电缆绝缘层内的电场分布是由介电常数决定的，这种分布比较稳定。在直流电压作用下其绝缘层中的电场强度是按绝缘电阻系数正比例分配的。直流电压下交联聚乙烯电缆绝缘层中的电场分布不同于理想的圆柱体绝缘结构，与材料的不均匀性有关。

（2）交联聚乙烯绝缘电缆在直流电压下会积累单极性电荷，一旦有了由于直流耐压试验引起的单极性空间电荷需要很长时间才能将这种电荷释放，电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行，直流电压便会叠加在工频电压峰值上，使得电缆上的电压值远远超过其额定电压，它将加速绝缘老化缩短使用寿命，严重的会发生绝缘击穿。

（3）交联聚乙烯绝缘电缆的半导体凸出处和污秽点等处容易产生空间电荷，但如果在试验时电缆终端头发生表面闪络或电缆附件击穿，会造成电缆芯线中产生波振荡，对其他正常的电缆和接头的绝缘造成危害。交联聚乙烯绝缘电缆一个致命弱点是绝缘内容易产生水树枝，一旦产生水树枝在直流电压下，会迅速转变为电树枝，并形成放电，加速了绝缘水劣化，以至于在运行工频电压作用下形成击穿。

（4）直流耐压试验不能有效发现交流电压作用下的某些缺陷，如在电缆附件内，绝缘若有机械损伤等缺陷在交流电压下绝缘最易发生击穿的部位，在直流电压下往往不能发生击穿。直流电压下绝缘击穿处往往发生在交流工作条件下绝缘平时不发生击穿的部位。因此直流耐压试验不能模拟高压交联电缆的运行工况，试验效果差，并且有一定的危害性，所以直流耐压试验对检测交联聚乙烯绝缘电缆缺陷有明显的不足。

（5）串联谐振耐压方式所需电源容量大大减小。串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品电容谐振产生高电压和大电流的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q。

（6）串联谐振耐压方式能防止大的短路电流烧伤故障点。在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，电路立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q，不会出现任何恢复过电压。试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭，且恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪络电压前断开电源，这种电压的恢复过程是一种能量积累的间歇振荡过程，其过程长，而且，不会出现任何恢复过电压。

3 串联谐振耐压的原理

在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗X 与感抗X 相等时，即X =X ，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振。当电路发生串联谐振时，电路的阻抗Z= ，电路中总阻抗最小，电流将达到最大值。

首先，我们来分析R、L、C串联电路发生谐振的条件和谐振时电路的特性。R、L、C串联电路，在正弦电压U 作用下，其复阻抗为：Z= 。

4 串联谐振的实际应用方法与分析

随州供电公司配电中心有一条敷设于2003年的电缆，电缆长度420M，型号YJV-3*300，该电缆有中间接头一个，2003年敷设时并未投运，直到2006年10KV随擂I回线改造时，该条电缆才投运。投运前，根据相关规程要求，对该条电缆进行了变频串联谐振耐压试验：

首先在耐压试验前，我们要根据电缆型号和长度选配试验设备，其中控制箱（2.5kW）一台，电抗器（22kV/1A，90H）4台，励磁变（3kVA）一台，分压器（30kV）一台，0.01uf补偿电容一台，设备连接线若干，一点接地式试验接地线组一副，具体接线方式可参照图1。

（1）试验设备（谐振电抗器、分压器、励磁变压器等）应尽量靠近被试电缆头，减少试验地线的长度，即减少接地线的电感量。

（2）固定电抗器应放置在绝缘底座上，根据试验电压的大小最后一级的电抗器应尽可能垫高（试验电压大于36kV时，建议最后一级电抗器底座下加绝缘块垫高）。固定电抗器平行放置的间距不应小于200mm，以尽可能拉直随机配的连接线为准。

当将频率从237HZ调到220HZ的过程中，电压逐渐升高，并在230HZ时达到最大值，当频率从230HZ降到220HZ时，电压又逐渐下降，故判断230HZ即为系统谐振频率。确定了谐振频率后，将电压升到17.4KV，开始计时，当计时到2min后，电压突然降低，此时迅速切断电源，经检查该电缆中间接头被击穿。

通过此次试验，成功的发现了该电缆缺陷，避免了电缆投运后因故障造成停电事故。

5 结束语

XLPE绝缘电缆在日常工作中必不可少，电缆耐压试验是不可或缺的一部分，上面已经对对交直流耐压的利弊做了比较并详细介绍了串联谐振试验原理和方法，随着硬件设备的提高，串联谐振设备重量越来越轻、体积越来越小、自动化程度越来越高，有些设备已经能完成自动调谐、自动升压过程，本着对电缆运行安全及可靠性的考虑，以后的工作中在条件允许的情况下，尽可能多的采用交流耐压，安全顺利的完成工作。