调频谐振法在我厂110KV电缆试验上的应用作者：中国石化总公司安庆分公司戴金刚摘要：对比了110KV交联聚乙烯电缆现场直流耐压试验和交流耐压试验几种方法的优缺点；分析了调频谐振试验原理、标准的选择、试验设备如何组合等内容；提出了我厂电力网架改造llOkV下地电缆现场交流耐压试验所采用的并联补偿串联谐振的方法关键词：110KV电缆下地改造；交联聚乙烯电缆；调频谐振；现场交流耐压试验0 引言为满足安庆石化800 万吨/年炼化一体化项目的建设总体布置和装置新区负荷用电的需要,以及保证供电系统安全可靠运行，我厂将投资改造电力网架，并提前实施了其中的部分内容：将热电厂至腈纶厂原453、454两回路110kV架空线路改造为2回110kV电缆入地，全线3.268公里，同时新增热电至炼油新区总降变2回110KV电缆入地,全线2.948公里。110KV交联电缆在安装、敷设过程中可能会遇到电缆终端头及中间接头的制作、安装工艺差，导致绝缘偏低，以及电缆在运输、搬运、存放和放线过程中，可能会受到意外的机械损害，为及时发现这些缺陷和损害，现场耐压试验是最为有效的方法之一。现行的高压电缆电气试验方法有多种，不同电压等级、不同类型的电力电缆有不同的现场试验方法。1 电缆试验方法的比较直流耐压具有试验设备重量轻，可移动性好，容量低等优点，对于油纸绝缘电缆应用效果很好。但对于高压交联电缆投运前的试验来说，由于被试容量大和试验设备限制等原因，很长时间以来都沿袭使用直流耐压的试验方法。大量理论和实践表明，直流耐压试验不能模拟高压交联的运行工况，试验效果差，并且有一定的危害性，不宜采用直流耐压的方法，在现场竣工验收时已逐渐被淘汰使用。目前交联电缆主要有采用交流试验的方法来考核交联电缆的敷设和附件的安装质量,交流试验方法有：1）超低频0.1Hz耐压试验，此种方法主要应用于中低压电缆的试验，由于电压等级偏低，还不能用于110kV及以上的高压电缆试验。2）振荡电压试验，此种方法比直流耐压试验方法有效，但仍不如工频试验有效。3）谐振耐压试验，分可调电感型和可调频型谐振试验系统，前者可以满足耐压要求，但由于重量大，可移动性差，主要用于试验室。后者不但能满足高压交联电缆的耐压要求，而且具有重量轻、可移动性好的优点，适宜现场试验，并已被证明是最有效的方法。2调频谐振耐压试验原理 调频谐振试验方法是采用固定电抗器作为谐振电抗器，以调频的方式实现谐振，频率的调节范围为30-300Hz，符合CIGRE WG21.09高压挤包绝缘电缆竣工试验建议导则中推荐使用工频及近似工频（30300Hz）的交流电压。这种交流电压可以重现与运行工况下相同的场强，试验效果较为理想。 2.1调频串联谐振 调频串联谐振是采用固定电感电抗器，通过调节激励电源的频率使其与试验回路的固有频率相同，串联回路达到谐振状态，从而在被试品上产生高电压，实现对被试品耐压试验的目的。其特点是试验设备体积小、重量轻，品质因数高，使用方便。这已经成为当前高电压试验的新的方向和潮流，在国内外得到了广泛应用。图1 串联谐振等值电路信息来源:http:/tede.cn信息来源:www.tede.cnL为电感，C为电容（包括被试电容、电容分压器、高压试验回路电容） 由图1可得 UC=IsXC=UsXC/ 当串联谐振时，XL=XC 即：1/2fC=2fL UC=UsXC/R=UsXL/R 谐振频率f=1/2 谐振回路电流，即试品电流为：Is=Us/ =Us/R 谐振回路的品质因数为Q： Q= XL/R=L/R=1/CR 则UC=QUs，即被试品上的电压为励磁电压的Q倍。 输入功率P=UsIscos,谐振时，负荷为纯电阻性的，即cos=1,故P=UsIs，而加在被试品上的容量Ps是施加的电压UC和电流I的乘积：Ps=UCIs=QUsIs=QP。也就是在被试品得到的容量为试验电源容量的Q倍。换言之，小容量的试验变压器可以对大容量的试品进行耐压试验。 实际试验回路中的Q值一般可以达到20-70，激励电压仅为试验品谐振电压的1/Q，激励功率亦为谐振功率的1/Q。 采用串联谐振的方法做电缆交流耐压试验，可大幅度的减小试验电源容量，如做2Km长的110kv电缆工频交流耐压试验，至少需要1500kVA以上容量的试验变压器和调压器，而采用变频串联谐振的方法，仅需要30kVA试验电源。 2.2调频并联谐振 ede.c 采访n图2为并联谐振的等值电路L为电感，C为电容（包括被试电容、电容分压器、高压试验回路电容） 一般情况下，试验变压器容量不足（满足试验电压，达不到试验电流），可以采用并联谐振加以补偿。如图（2）所示，并联回路的两个支路感抗XL和容抗XC，当XL=XC，回路产生谐振。此时，IL和Ic都很大，但是总回路的电流I0，XC上的电压等于电源电压。 2.3调频串-并联谐振 当试验变压器的额定电压、额定电流均不能满足试验要求时，可同时运用串并联谐振。 3 调频谐振耐压试验标准的选择3.1耐压试验电压既然调频谐振是交流耐压试验最有效方法,理所当然要遵循一般交流耐压试验标准。在一般交流耐压试验中，为在有限的试验时间内达到一定的击穿概率，使缺陷及早暴露，试验电压必须高于运行电压。习惯上选择试验电压为kU0（额定电压），一般110 kV等级k选择为1.72.0；而对于220 kV及以上交联电缆，由于绝缘裕度逐渐减小，而且质量控制相对于110 kV交联电缆更加严格，因此，随着电压等级增加，k逐级减小。3.2耐压试验时间提高电压、缩短时间是考核电气设备绝缘能力的基本思路。当试验电压按照绝缘水平基本确定后，施加电压的时间就成为考核不同类型电气设备绝缘能力的最为直接和有效的参量。对于交联电缆，20多年来国内外工程技术人员做了大量的探索，积累了不少经验，也存在很多问题，仍需要研究。自20世纪80年代末期开始，IEC、CIGRE推出了交联电缆交流耐压试验的国际标准，如表1所示。标准名称额定电压/kV试验时间/minIEC60840-1988361705IEC60840草案,1997361705CIGRE,WG21.03,高压挤包绝缘绝缘电缆竣工验收建议导则605005IEC60840-20043617060IEC60627-200617055060表1 交流耐压试验的部分国际标准国内电力部门从20世纪90年代末开始进行XLPE电缆的交流耐压试验，国内各电力部门陆续发布了各自的试验标准。目前国内现行的标准对于试验时间的选择还存在争论，大多数标准选择了5 min或60 min，还有极少数的选择了30 min，部分试验标准国内交联电缆试验标准，如表2所示。标准名称额定电压/kV试验时间/minGB50150-2006交接试验标准11050060GB/T 11017.1-20021105Q/CSG12007-2004南网预试规程110、220及以上60上海市电力公司交接和预试规程11030江苏省电力公司预试规程1102205安徽省电力公司预试规程1102205华北电网公司预试规程11022060山东省电力公司预试规程1105 表2 部分国内交联电缆试验标准4 谐振耐压试验设备的组合通常电抗器有12节，励磁变压器高压绕组有12组，面对不同的试验电压、不同试验容量的试品，需要对系统进行不同的组合联结。4.1电抗器的组合方法 不同的试品电抗器组合主要由试验电压确定电抗器是否串联组合，同时必须要满足以下条件: 1）试品试验电压必须保证小于或等于电抗器的额定电压，若单台电抗器不能满足电压要求，可采用两台或两台以上的电抗器串联来满足试验电压。 2）电抗器的联接方式必须保流过试品的电流小于或等于电抗器的电流。若试品电容过大则采用电抗器并联的方式来满足，若试品电容过小则通过对试品进行电容补偿（若配备补偿电容）的方式来满足。特别注意：并联后电抗器组的电压等级及补偿电容电压等级必须大于或等于试品电压。 3）公式f=1/（2LC），中L应为电抗器的等值电感。等值电感按以下方法来计算： a、串联时：设每一个电抗器的电感为L，则两串等值电感为L=2L 1.1；三串时等值电感为L=3L1.15；四串时等值电感为L=4L1.2;其余类推。1.1、1.15、1.2为互感系数,是经验值。 b、并联时：设每一个电抗器的电感为L，则两并等值电感为L=L/2; 三并时等值电感为L=L/3；四并时等值电感为L=L/4; 其余类推。 c、混联时依上述计算。 总之,串联时主要用于提高电压，并联时主要用于增大电流，具体地说，就是由被试品的电压决定电抗器串联的个数，由被试品的电流决定电抗器并联的组数。若组合后电抗器组同时满足上述条件后，则组合确定完毕。4.2励磁变压器高压绕组的组合方法变压器的联接也分为串联和并联，正常为串联方式使用，当负载电流比较大超过其参数时(需计算)，用并联。一般情况下，当电抗器采用了并联或并联组合方式时也采用并联方式。5 我厂110KV下地电缆的调频谐振试验5.1 设备参数(1)阻燃单芯交联聚乙烯绝缘皱纹铝护套电缆(青岛汉缆股份有限公司供货)，型号ZC-YJLW03-64110KV，1500mm2，电容量0167Fkm，单根电缆长度约3.5km; (2) VF-2B(20kVA)变频电源(上海思源电气公司)额定输入电压:三相380V交流 单相输出电压: 0350V,标准正弦波 额定输出电流: 0800A频率调节范围: 30300Hz（3）YDTK-1700/200电抗器单节电感量L=142.17H，单节或2节电抗器串并联使用；额定频率：30300HZ；单节额定电流：8.5A;单节额定电压：200KV；单节额定容量：3400KVA；单节电容：0.20050.002005F。(4) YDC-100/10励磁变压器 额定容量：高压 100KVA 低压 100KVA ；额定电压：高压 500V/组 低压 350V；额定电流：高压 10A /组 低压 285.9A；高压两并联接 电压5KV 电流 20A；两串联接 电压10KV 电流 10A；联结组标号 110单相 50HZ。5.2 调频谐振耐压试验采取的标准 按照IEC60840或 CIGRE,WG21.03高压挤包绝缘绝缘电缆竣工验收建议导则,在电缆芯和金属铠装层之间施加30300HZ交流电压110KV（1.764），保持5min。5.3 调频谐振耐压试验参数计算根据被试电缆的电容量和电抗器的电感量计算谐振频率，该谐振频率应大于30HZ，因为上海思源变频调速器的只有在频率大于30HZ时才能输出恒定的电压，同时考虑试验谐振频率应尽量接近50HZ。谐振频率计算公式：f0=1/2*。根据谐振频率，试品的电容量及施加的电压计算高压电流，应考虑满足串联和并联电抗器的试验电流不超过8.5 A。否则整套串联谐振装置将过载。电抗器串、并联的接入方式分四种情况加以计算，结果(见表3)。 接线方式电缆单位长度电容/F.km长度/km截面/mm2试验电压/kv电容量/F电抗器电抗感量/H电抗器接入方式谐振频率/HZ电抗器电流