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技術文章

談談串聯諧振裝置在電纜耐壓試驗中的應用
談談串聯諧振裝置在電纜耐壓試驗中的應用
如何運用變頻串聯諧振試驗裝置給高壓交聯電纜現場做交流耐壓試驗？ 首先我們要從電纜構造說起。當前在國際和國內已有越來越多的XLPE交聯聚乙烯絕緣的電力電纜替代原有的充油油紙絕緣的電力電纜。但在交聯電纜投運前的試驗手段上由于被試容量大和試驗設備的原因，幾十年以來，電力系統仍沿襲使用直流耐壓的試驗方法。近年來國際、國內的很多研究機構的研究成果表明直流試驗對XLPE交聯聚乙烯電纜有不同程度的損害。有的研究觀點認為XLPE結構具有存儲積累單極性殘余電荷的能力，當在直流試驗后，如不能有效的釋放掉直流殘余電荷，投運后在直流殘余電荷加上交流電壓峰值將可能致使電纜發生擊穿。國內一些研究機構認為，交聯聚乙烯電纜的直流耐壓試驗中，由于空間電荷效應，絕緣中的實際電場強度可比電纜絕緣的工作電場強度高達11倍。交聯聚乙烯絕緣電纜即使通過了直流試驗不發生擊穿，也會引起絕緣的嚴重損傷。其次，由于施加的直流電壓場強分布與運行的交流電壓場強分布不同。直流試驗也不能真實模擬運行狀態下電纜承受的過電壓，并有效的發現電纜及電纜接頭本身和施工工藝上的缺陷。因此，使用非直流的方法對交聯電纜進行耐壓試驗就越來越受到重視。目前，在中低壓電纜上國外已使用超低頻電源（VLF）進行耐壓試驗。但由于此類VLF的電壓等級偏低，尚不能用于110kV及以上的高壓電纜試驗。在國內，對于低壓電纜,這種方法也使用過，但由于試驗設備的原因，沒能得到大面積的推廣。而近些年由于城網農網建設改造的進行， XLPE交聯電纜越來越多，僅僅靠直流耐壓試驗后就將電纜投入運行，而在運行電壓下發生電纜或電纜頭擊穿的事例也時有發生。所以，大家都在探索新的試驗方法。
1、問題及現狀
近年來隨著城網改造工程的實施，高壓交聯電纜開始大量使用。按照IEC840或CIGRE WG21.0 3建議規程，現場試驗的目的不是為了檢驗電纜的制造質量或電纜附件的制造質量的好壞，其制造質量已在型式試驗和出廠試驗中證實。現場竣工驗收試驗的目的是檢查電纜的敷設、附件的安裝是否正確及電纜在運輸、搬運、存放、敷設和回填的過程中，是否有受到意外損害。在交聯電纜投運前的試驗手段上由于被試容量大和試驗設備的原因，很長時間以來，仍沿襲使用直流耐壓的試驗方法，但存在很多缺陷。因此，使用非直流的方法對交聯電纜進行耐壓試驗就越來越受到人們的重視。
2、電纜耐壓試驗標準問題
由于設備容量和體積等問題，目前國家尚無高壓電力電纜敷設后在現場進行交流耐壓試驗的相應標準。CIGRI國際大電網工作會議21工作組的《高壓擠包絕緣電纜竣工驗收試驗建議導則》中對目前采用的直流耐壓試驗方法提出疑議，并推薦使用工頻及近似工頻(30～300Hz)的交流試驗方法。IEC60840標準中在45～150kV敷設后電纜試驗標準中除原直流試驗標準外，增加了1.7U0 5min或1 U0 24h的交流試驗標準。而在220kV等級中IEC 62067/CD草案中則取消了電纜敷設后試驗中直流試驗的標準，只有交流試驗的要求，即20～300Hz
1.4 U0 60min。南方電網公司2004年發布的企業標準之《電力設備預防性試驗規程》內容中在XLPE電纜主絕緣耐壓試驗一項中規定了電纜的交流耐壓試驗標準，其試驗頻率推薦為20～300Hz，35kV及以下電纜試驗電壓為1.6倍的相電壓，110kV電纜試驗電壓為1.36倍的相電壓，220kV及以上電纜試驗電壓為1.12倍的相電壓。
3、試驗標準問題的探討
由于設備容量和體積等問題，目前國家尚無高壓電力電纜敷設后在現場進行交流耐壓試驗的相應標準。但對直流耐壓試驗的標準,由于前面所述原因人們也產生了一些疑問。CIGRI國際大電網工作會議21工作組的《高壓擠包絕緣電纜竣工驗收試驗建議導則》中對目前采用的直流耐壓試驗方法提出疑議，并推薦使用工頻及近似工頻（30-300Hz）的交流試驗方法。IEC 60840標準中在45-150kV敷設后電纜試驗標準中除原直流試驗標準外，增加了1.7U0 5分鐘或1U0 24小時的交流試驗標準。而在220kV等級中IEC 62067/CD草案中則取消了電纜敷設后試驗中直流試驗的標準，只有交流試驗的要求，即 20-300Hz 1.4U0 60分鐘。為了更有效的對施工后的交聯電纜進行交接試驗,華北電力集團公司在《電力設備交接和預防性試驗規程》修訂內容中在電纜主絕緣耐壓試驗一項中增加了電纜的交流耐壓試驗標準。之后，國內很多地方也相應的出臺了地方性試驗標準，其試驗頻率大多都在30-300Hz，中低壓電纜試驗電壓為1.6-2.0倍的相電壓，高壓電纜試驗電壓一般都在1.4-1.7倍的相電壓，具體根據各個地方略有不同，浙江推薦中低壓電纜試驗頻率為45-65 Hz，高壓電纜試驗頻率為35-75 Hz。
4、電纜耐壓試驗頻率爭議
由于電纜的電容量較大，采用傳統的工頻試驗變壓器很笨重，龐大，且大電流的工作電源在現場不易取得。因此一般都采用串聯諧振交流耐壓試驗設備。其輸入電源的容量能顯著降低，重量減輕，便于使用和運輸。初期多采用調感式串聯諧振設備（50Hz），但存在自動化程度差、噪音大等缺點。因此現在大都采用TPXZB系列調頻式（30-300Hz）串聯諧振試驗設備，可以得到更高的品質數（Q值），并具有自動調諧、多重保護，以及低噪音、靈活的組合方式（單件重量大為下降）等優點。
綜合國內外有關技術資料，選擇合適的試驗頻率范圍是個比較重要的問題。在這方面，有一些不同的觀點和提法。就目前的國內外的提法來看，我們總結可分成3類：第1類為較寬頻率范圍30-300Hz、20-300Hz、1-300Hz；第2類為工頻范圍，45-65Hz，45-55Hz；第3類為接近工頻，35-75Hz。
1）第1類較寬頻率范圍
國際大電網會議第21、09工作組發布的《試驗導則》，建議頻率范圍為30-300Hz。但實際上更低一些頻率也具有較好地等效性。IEC60840和IEC62067標準草案（2001年和2000年）就規定可采用20-300Hz。
國外有些廠家設計串聯諧用電抗器，在特殊情況下也有采用*低頻率為25Hz或20Hz的。當然頻率愈低，被試電纜的長度（電容量）可增大。但是電抗器鐵心因此放大，使重量增加。個別資料顯示, 1-300Hz的交流試驗也具有與工頻交流試驗的等效性，這說明實際應用中頻率下限有可能取得更低，例如小于20Hz甚至到0.1Hz也是可行的。進一步表明在這樣的頻率范圍內，絕緣內部各介質的電壓分布及介質特性仍基本相同。
工作頻率超過300Hz是否適當？有資料報導說，隨頻率增高，串諧電抗器及勵磁變壓器的損耗降低，但是要考慮被試品電容介質的極化發熱問題，因此頻率高于300Hz是不可取的。
2）第2類為工頻范圍
國際上工業頻率主要指50Hz和60Hz兩種，故IEC標準規定對高壓絕緣的工業試驗頻率范圍為45-65Hz，在我國額定工頻為50Hz。GB/T16927.1-1997規定工頻試驗頻率范圍為45-55Hz。
認為工頻電力電纜的試驗電壓也必須是工頻，這是趨于比較保守的觀點。針對此問題應該著重說明交接和預防性試驗的目的在于發現絕緣缺陷的能力來定的。在不同的頻率下只要絕緣內部介質電壓分布相同，又有基本相同的檢出絕緣故障的能力，就能達到試驗的目的。因此即使選用比工頻范圍更寬的頻率也是可以接受的。
在90年代中期為了選擇適當的交流耐壓試驗的頻率范圍，做了大量、仔細的基礎研究工作。得出頻率在30-300Hz范圍內，橡塑電纜內部幾種典型絕緣缺陷的擊穿特性沒有明顯差別。這應該是可信的，也得到普遍采用。分析形成這種在不同頻率下良好的擊穿特性，主要原因是優良的同軸絕緣結構，單一的絕緣介質，材質相對純潔、電場分布合理、規則。因此，在不同頻率下結構內部電壓分布相同，形成寬頻率范圍試驗的條件。
油紙絕緣電纜一直采用頻率等于零的直流電壓進行耐壓試驗，其實際效果很好，數十年來未受到置疑。
3）第3類為接近工頻頻率，35-75Hz
國外曾對正常XLPE（交聯聚乙烯）絕緣電纜樣品，在不同頻率下進行擊穿試驗。結果表明在頻率為35-75Hz時擊穿電壓均落在可置信度95%之內。因此有觀點贊成試驗電壓頻率*好選在35-75Hz,也較為靠近運行電壓頻率50Hz。值得注意的是，上述測試結果是對正常絕緣做的擊穿試驗。而交接和預防性試驗所采用的試驗電壓值是偏低的，它只能擊穿有缺陷的絕緣弱點（機械損傷、水樹枝、終端頭或接頭盒應力鐵錐施工或用料錯誤，等等），完全不足以擊穿電纜本體的正常絕緣。可見兩種試驗的目的和工作機理均不相同。似乎沒有必要將正常絕緣35-75Hz的擊穿特性“延伸”應用到檢測絕緣缺陷方面。
5、 交流耐壓試驗方法的選擇
1）超低頻0.1Hz耐壓試驗
因被試XLPE電纜的電容量很大，工頻試驗時所需試驗變壓器的容量也要很大，導致試驗設備笨重而不適于現場使用。采用0.1Hz作為試驗電源，理論上可以將試驗變壓器的容量降低到1/500，試驗變壓器的重量可大大降低，可以較容易地移動到現場進行試驗。目前，此種方法主要應用于中低壓電纜的試驗，由于試驗條件的真實性畢竟不如近工頻交流電壓，電壓等級偏低，還不能用于110kV及以上的高壓電纜試驗。
2）振蕩電壓試驗
振蕩電壓試驗是用直流電源給電纜充電，當達到試驗電壓后使放電間隙擊穿而通過電感線圈放電，對電纜施加一定電壓幅位、頻率為kHz級的衰減振蕩波電壓作為擠包絕緣電纜線路的竣工試驗方法的另一種途徑。此種方法比直流耐壓試驗方法有效，但與工頻電壓試驗相比， 其檢查電纜主絕緣和附件缺陷的效果仍不理想， 一是波的衰減厲害，難以滿足長電纜的需要；二是使局放增大，對電纜有較大傷害。
3）諧振耐壓試驗
諧振耐壓試驗方法是通過改變試驗系統的電感量和試驗頻率，使回路處于諧振狀態，這樣試驗回路中試品上的大部分容性電流與電抗器上的感性電流相抵消，電源供給的能量僅為回路中消耗的用功功率，為試品容量的1/Q(Q為系統的諧振倍數)；因此試驗電源的容量在降低，重量大大減輕。諧振耐壓試驗系統按調節方式分為調感式(VISR)和調頻式(VFSR)兩種。
可調電感型諧振試驗系統可以滿足耐壓要求，但由于重量大，可移動性差，主要用于試驗室。變頻串聯諧振耐壓試驗是利用電抗器的電感與被試品電容實現電容諧振，在被試品上獲得高電壓、大電流，是當前高電壓試驗的一種新的方法與潮流，在國內外已經得到廣泛的應用。
變頻串聯諧振試驗裝置是諧振式電流濾波電路，能改善電源波形畸變，獲得較好的正弦電壓波形，有效防止諧波峰值對被試品的誤擊穿。變頻串聯諧振工作在諧振狀態，當被試品的絕緣點被擊穿時，電流立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗電流的數十分之一。發生閃絡擊穿時，因失去諧振條件，除短路電流立即下降外，高電壓也立即消失，電弧即可熄滅。其恢復電壓的再建立過程很長，很容易在再次達到閃絡電壓斷開電源，所以適用于高電壓、大容量的電力設備的絕緣耐壓試驗。
變頻串聯諧振試驗裝置不但能滿足高壓XLPE電纜的耐壓要求，而且具有重量輕、可移動性好的優點，適宜現場試驗。經分析比較，采用拓普電氣生產的TPXZB系列變頻串聯諧振試驗成套裝置，該裝置采用固定電抗器作為諧振電抗器，以調頻的方式實現諧振，頻率的調節范圍為30～300Hz，符合國家電網公司2004年發布的企業標準之《電力設備預防性試驗規程》內容中推薦使用頻率20～300Hz的諧振耐壓試驗。
6、變頻串聯諧振試驗裝置的選型
35kV及以下電壓等級的電纜使用數量多，實驗工作量大，所以此類耐壓試驗裝置應該體積小，重量輕，揚州拓普電氣科技有限公司生產的變頻串聯諧振試驗裝置由此誕生。本裝置設計要求單個人能現場搬動的部件重量不超過30kg，要求兩人能現場搬動的部件不超過60kg，適合現場搬動，電抗器部分采用干式環氧澆注，美觀可靠，適合各類電纜的要求。本裝置具有以下特點：
1）操作簡便
具有自動/手動調諧功能；大屏幕顯示電壓、電流和頻率等參數；具有過壓過流整定與保護功能；具有失諧保護功能；具有自動記時和時間到關閉功能；電壓調節具有零位啟動功能，以保證調諧的**性和高壓回路的零起升壓；
2）配置靈活
電抗器采用多臺式，試被試設備可串可并使用，而且可以根據被試設備確定帶到現場區的電抗器的個數；
3）重量輕、體積小
以一套2kM長的10kV電纜（高壓電流2.5A）為例，單臺電抗器重量35kg（2臺），變頻控制箱重量12kg，勵磁變壓器重量15kg。
7、變頻串聯諧振試驗裝置使用中的注意事項
1）諧振電源產品大多都是高壓試驗設備，要求由高壓試驗**人員使用，使用前應仔細閱讀使用說明書， 并經反復操作訓練。
2）操作人員應不少于2人。使用時應嚴格遵守本單位有關高壓試驗的**作業規程。
3）為了保證試驗的**正確，除必須熟悉本產品說明書外，還必須嚴格按國家有關標準和規程進行試驗操作。
4）各聯接線不能接錯，特別是接地線不能接錯，否則可導致試驗裝置損壞。
5）本裝置使用時，輸出的是高電壓或超高電壓，必須可靠接地，注意操作**距離。
6）串聯諧振試驗系統是利用諧振電抗器與被試品諧振產生高電壓的，也就是說，能不能產生高電壓主要是看試品與諧振電抗器是否諧振，所以，試驗人員在分析現場不能夠產生所需高電壓時，應該分析什么破壞了諧振條件，回路是否接通等。
7）變頻串聯諧振試驗裝置的激磁變壓器有特定的電壓和電流要求，在選用代替品時，一定要考慮電壓和電流， 不能采用只是容量相同的普通的試驗變壓器。
8、文章結語
直流耐壓試驗不能模擬高壓交聯電纜的運行工況，試驗效果差，并且有一定的危害性，在現場竣工驗收試驗時，不宜再采用直流耐壓的方法。交流耐壓試驗是現場檢驗交聯電纜的敷設和附件安裝質量*有效的手段。我們所用的變頻串聯諧振試驗裝置符合國家電網公司企業標準、IEC和國標的有關要求，通過電抗器串并聯的方式可以滿足高壓交聯電纜現場交流耐壓的要求。