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串聯(lián)諧振交流耐壓試驗裝置分析與應(yīng)用 程柏超2009年4月 1前言 在供配電系統(tǒng)調(diào)試中 要對交聯(lián)聚乙烯電力電纜 XLPE 高壓開關(guān)柜 GIS 高壓電動機 大型發(fā)電機組 大型電力變壓器 互感器等高電壓 大容量的電力設(shè)備進行絕緣耐壓試驗 絕緣耐壓試驗分為直流耐壓試驗和交流耐壓試驗兩種 過去在進行電纜耐壓試驗時都采用直流耐壓試驗 在1980年左右 國外電力部門發(fā)現(xiàn)直流耐壓試驗對橡塑絕緣是無效的且具有危害性 我國在九十年代開始研究和實踐交流耐壓試驗技術(shù) 經(jīng)過20多年的研究和實踐 世界各國紛紛采用交流耐壓試驗代替直流耐壓試驗 國內(nèi)外有關(guān)標準機構(gòu)也對于高壓交聯(lián)電纜的試驗方法作出了更改和修訂 1997年國際大電網(wǎng)工作會議 CIGRI 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 在全世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用 我國的 電氣設(shè)備交接試驗標準 GB50150 2006已經(jīng)頒布 于2006年11月1日起強制執(zhí)行 該標準規(guī)定35kV及以上橡塑絕緣電纜優(yōu)先采用交流耐壓試驗 交流耐壓試驗取代傳統(tǒng)直流耐壓試驗已是大勢所趨 2直流耐壓試驗的問題 由于電纜線路的電容很大 若采用工頻電壓試驗 必須有大容量的工頻試驗變壓器 現(xiàn)場試驗很難實現(xiàn) 所以傳統(tǒng)的耐壓試驗方法采用直流耐壓試驗 因為電纜的直流絕緣電阻很大 一般在10G 以上 所以在做直流耐壓試驗時充電電流極小 具有試驗設(shè)備容量小 重量輕 可移動性好等優(yōu)點 但直流耐壓試驗方法對于XLPE交聯(lián)電纜 無論從理論還是實踐上卻存在著很多缺點 主要體現(xiàn)在 1 高壓試驗技術(shù)的一個通用原則 試品上所施加的試驗電壓場強必須模擬高壓電器的運行工況 直流電壓下 電纜絕緣的電場分布取決于材料的體積電阻率 而交流電壓下的電場分布取決于各介質(zhì)的介電常數(shù) 特別是在電纜終端頭 接頭盒等電纜附件中的直流電場強度的分布和交流電場強度的分布完全不同 而且直流電壓下絕緣老化的機理和交流電壓下的老化機理不相同 因此 直流耐壓試驗不能模擬交聯(lián)電纜的運行工況 2 交聯(lián)電纜在直流電壓下會產(chǎn)生 記憶 效應(yīng) 存儲積累單極性殘余電荷 一旦有了由于直流耐壓試驗引起的 記憶性 需要很長時間才能將這種直流偏壓釋放 電纜如果在直流殘余電荷未完全釋放之前投入運行 直流偏壓便會疊加在工頻電壓峰值上 使得電纜上的電壓值遠遠超過其額定電壓 從而有可能導致電纜絕緣擊穿 3 直流耐壓試驗時 會有電子注入到聚合物介質(zhì)內(nèi)部 形成空間電荷 使該處的電場強度降低 從而難于發(fā)生擊穿 由于振蕩電壓極性迅速改變?yōu)楫悩O性 使該處電場強度顯著增大 可能損壞絕緣 造成多點擊穿 損壞電纜 直流耐壓試驗時所形成的空間電荷可導致電纜投運時發(fā)生擊穿或沿面滑閃 4 交聯(lián)電纜的一個致命弱點是絕緣內(nèi)易產(chǎn)生水樹枝 一旦產(chǎn)生水樹枝 在直流電壓下會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌渲?并形成放電 加速了絕緣劣化 以致于運行后在工頻電壓作用下形成擊穿 而單純的水樹枝在交流工作電壓下還能保持相當?shù)哪蛪褐?并能保持一段時間 實踐也表明 直流耐壓試驗不但不能有效發(fā)現(xiàn)交流電壓作用下的某些缺陷 而且會損害電纜 給電纜的安全運行帶來危險 如在電纜附件內(nèi) 絕緣若有機械損傷或應(yīng)力錐放錯等缺陷 在交流電壓下絕緣最易發(fā)生擊穿的地點 在直流電壓下往往不能擊穿 直流電壓下絕緣擊穿處往往發(fā)生在交流工作條件下絕緣平時不發(fā)生擊穿的地點 這一點也得到了運行經(jīng)驗的證明 一些電纜在交接試驗中按照GB50150 91標準進行直流耐壓試驗順利通過 但投運不久就發(fā)生絕緣擊穿事故 正常運行的電纜被直流耐壓試驗損壞的情況也時有發(fā)生 3幾種主要的交流耐壓試驗方法 既然直流耐壓試驗不能模擬交聯(lián)電纜的運行場強狀態(tài) 不能達到我們所期望的檢驗效果 自然就應(yīng)該轉(zhuǎn)向用交流耐壓試驗來考核交聯(lián)電纜的絕緣狀況 但是采用工頻或接近工頻的交流電壓試驗作為擠包絕緣電纜線路竣工試驗存在的最大困難是長線路需要很大容量的試驗設(shè)備 目前存在以下幾種交流耐壓試驗方法 1 帶補償電抗器的傳統(tǒng)試驗變壓器 由于電纜的容量很大 電壓很高 傳統(tǒng)的試驗變壓器無論是從絕緣 體積 重量 容量等各個方面已經(jīng)無法滿足現(xiàn)場試驗的要求 所以電纜試驗極少采用變壓器試驗 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值 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 3 超低頻0 1Hz耐壓試驗 0 1Hz耐壓試驗的等效性還有待于進一步研究 其檢測絕緣缺陷的效果在世界范圍內(nèi)受到普遍懷疑 目前的研究結(jié)果是0 1Hz對絕緣損傷的擊穿電壓 其數(shù)值在1 2 2 6倍工頻擊穿電壓下變化 試驗的一致性方面有較大的不足 目前 此種方法主要應(yīng)用于中低壓電纜的試驗 且試驗條件的真實性不如近工頻交流電壓 30 300Hz 由于電壓等級偏低 還不能用于110kV及以上的高壓電纜試驗 從國外的應(yīng)用方面看 目前國外0 1Hz的發(fā)展方向是在線絕緣監(jiān)測和故障定位 而變頻諧振方式用于耐壓試驗 其試驗的等效性非常好 從國外的發(fā)展來看 也是推薦用變頻諧振方式進行耐壓試驗 4 串聯(lián)諧振耐壓試驗 串聯(lián)諧振試驗設(shè)備通過與被試品 等效電容 形成串聯(lián)諧振回路 從而得到一定頻率的正弦波交流電壓 由于試驗設(shè)備的品質(zhì)因素較高 通常所需的工作電源容量僅為試驗容量的幾十分之一 對于串聯(lián)諧振試驗設(shè)備而言 其系統(tǒng)要滿足不同電壓等級和不同電容量的試品在一定的頻率范圍內(nèi)進行交流耐壓試驗 可通過改變頻率或電感量來滿足諧振的條件 f 1 2 4變頻串聯(lián)諧振交流耐壓技術(shù)的原理 變頻串聯(lián)諧振的等效性經(jīng)國內(nèi)外研究已經(jīng)得到了普遍的認可 并得到了廣泛的推廣應(yīng)用 變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗方法是通過改變試驗系統(tǒng)的試驗頻率 范圍30 300Hz 使回路處于諧振狀態(tài) 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有功功率 為試品容量的1 Q Q為系統(tǒng)的電壓諧振倍數(shù) 因此試驗電源的容量大為降低 重量大大減輕 系統(tǒng)由變頻電源 勵磁變壓器 諧振電抗器 分壓器及試品 有時需補償電容器 組成 我們已知 在回路頻率f 1 2 LC時 回路產(chǎn)生諧振 此時試品上的電壓是勵磁變高壓端輸出電壓的Q倍 Q為系統(tǒng)品質(zhì)因素 即電壓諧振倍數(shù) 一般為幾十到一百以上 先通過調(diào)節(jié)變頻電源的輸出頻率使回路發(fā)生串聯(lián)諧振 再在回路諧振的條件下調(diào)節(jié)變頻電源輸出電壓使試品電壓達到試驗值 由于回路的諧振 變頻電源較小的輸出電壓就可在試品CX上產(chǎn)生較高的試驗電壓 原理圖及理論公式如下 圖1中 L為諧振電抗器 CX為被試品 U為勵磁變輸出電壓 當串聯(lián)諧振時 即頻率為 該頻率可通過調(diào)節(jié)變頻電源得到 時 回路呈諧振狀態(tài) 此時 Q為品質(zhì)因數(shù) 即被試品上獲得的電壓為勵磁電壓的Q倍 利用額定電壓較低的試驗變壓器 可以獲得較高的輸出電壓 此電路形成一個良好的濾波電路 故輸出電壓UCX為良好的正弦波 當試品擊穿 失去諧振 高 低壓電流自動減小 不會擴大被試品的故障點 5應(yīng)用實例及分析 1 實例1 35kV電纜試驗 已知電纜規(guī)格為26 35kV 300mm2 電纜長度為1 8km 電抗器型號為HDSR f L18 36 電抗器額定電壓18kV 額定電流2A 額定帶載0 55 F 額定電感量45H 共6只 試驗步驟如下 1 用交流電容表測出電纜電容量 或者查表 見表1表2 得知該電纜電容量 經(jīng)查表得C 0 19 F km 則Cx 1 8 0 19 0 342 F 2 確定串聯(lián)電抗器數(shù) 2006版國標規(guī)定 35kV電纜試驗電壓UC 2U0 2 26 52kV 每節(jié)電抗器額定電壓18kV 18kV 3 54kV 52kV 所以必須3個電抗器串聯(lián) 3 帶載率核算 HDSR f L18 36 帶載為0 55 F最大電流2A 三個串聯(lián)使用時0 55 3 0 183 F 0 342 F 故需三個串聯(lián)后再并聯(lián) 則 0 183 2 0 366 F 0 342 F 接線方法如圖2所示 4 核算試驗頻率 2 實例2 35kV主變耐壓 已知Cx 6 165nF UC 72kV Cb 9nF 電抗器型號為HDSR f L18 07 電抗器額定電壓18kV 額定電流0 4A 額定帶載0 079 F 額定電感量160H 共6只 解 1 因為Le 160H L Le 需10個Le串聯(lián) 不滿足要求 故試驗回路中需增加補償電容Cb 增加補償電容Cb后回路電感L諧為 662H Le 662H 160H 4 因此加補償電容Cb后將4個額定電感Le串聯(lián)即可 接線方法如圖3所示 2 試驗電壓 UC 72kV UC Ue 72 18 4 因此4個額定電感Le串聯(lián)可滿足試驗電壓 3 帶載率核算 4個串聯(lián) 0 079 4 0 01975 F 19 75nF 6 615nF 故可采用 4 頻率核算 試驗頻率符合2006版國標規(guī)定的40 60Hz范圍內(nèi) 6結(jié)束語 串聯(lián)諧振交流耐壓試驗裝置的應(yīng)用是一個全新的技術(shù)要掌握其應(yīng)用方法必須首先懂得串聯(lián)諧振的理論知識及計算公式 才能使電壓 電容 電感 頻率等參數(shù)匹配 以便針對不同電壓等級 不同被試設(shè)備設(shè)計出合理的試驗連接方法 其次 在應(yīng)用串聯(lián)諧振交流耐壓試驗裝置的過程中 必須掌握一些要領(lǐng) 比如 不同型號電抗器不能混用 多個電抗器串聯(lián)時 相關(guān)電抗器底部必須加足夠達到絕緣標準的專用絕緣底座 電抗器使用時 應(yīng)移除其周圍的金屬物體 并應(yīng)絕對避免直接將電抗器放置在鋼板 銅板等較大面積金屬導體上使用 否則因渦流引起的發(fā)熱將導致系統(tǒng)有功輸入增加 甚至使試驗電壓達不到預期試驗值 另外 還需重點注意的就是機箱 勵磁變壓器 補償電容器 分壓器 被試物等的可靠接地 最后 安全距離 安全監(jiān)護等也是應(yīng)該引起第一重視的