串聯(lián)諧振交流耐壓課件

串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)裝置分析與應(yīng)用

2009年4月1前言

在供配電系統(tǒng)調(diào)試中，要對(duì)交聯(lián)聚乙烯電力電纜（XLPE）、高壓開(kāi)關(guān)柜、GIS、高壓電動(dòng)機(jī)、大型發(fā)電機(jī)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(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)。絕緣耐壓試驗(yàn)分為直流耐壓試驗(yàn)和交流耐壓試驗(yàn)兩種。過(guò)去在進(jìn)行電纜耐壓試驗(yàn)時(shí)都采用直流耐壓試驗(yàn)。在1980年左右，國(guó)外電力部門發(fā)現(xiàn)直流耐壓試驗(yàn)對(duì)橡塑絕緣是無(wú)效的且具有危害性。我國(guó)在九十年代開(kāi)始研究和實(shí)踐交流耐壓試驗(yàn)技術(shù)。經(jīng)過(guò)20多年的研究和實(shí)踐，世界各國(guó)紛紛采用交流耐壓試驗(yàn)代替直流耐壓試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)也對(duì)于高壓交聯(lián)電纜的試驗(yàn)方法作出了更改和修訂。1997年國(guó)際大電網(wǎng)工作會(huì)議（CIGRI）對(duì)目前采用的直流耐壓試驗(yàn)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(yàn)方法，在全世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。我國(guó)的《電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》GB50150-2006已經(jīng)頒布，于2006年11月1日起強(qiáng)制執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定35kV及以上橡塑絕緣電纜優(yōu)先采用交流耐壓試驗(yàn)。交流耐壓試驗(yàn)取代傳統(tǒng)直流耐壓試驗(yàn)已是大勢(shì)所趨。2

直流耐壓試驗(yàn)的問(wèn)題由于電纜線路的電容很大，若采用工頻電壓試驗(yàn)，必須有大容量的工頻試驗(yàn)變壓器，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn)，所以傳統(tǒng)的耐壓試驗(yàn)方法采用直流耐壓試驗(yàn)。因?yàn)殡娎|的直流絕緣電阻很大（一般在10GΩ以上），所以在做直流耐壓試驗(yàn)時(shí)充電電流極小，具有試驗(yàn)設(shè)備容量小、重量輕、可移動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)。但直流耐壓試驗(yàn)方法對(duì)于XLPE交聯(lián)電纜，無(wú)論從理論還是實(shí)踐上卻存在著很多缺點(diǎn)。主要體現(xiàn)在：

（2）交聯(lián)電纜在直流電壓下會(huì)產(chǎn)生“記憶”效應(yīng)，存儲(chǔ)積累單極性殘余電荷。一旦有了由于直流耐壓試驗(yàn)引起的“記憶性”，需要很長(zhǎng)時(shí)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(yùn)行，直流偏壓便會(huì)疊加在工頻電壓峰值上，使得電纜上的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其額定電壓，從而有可能導(dǎo)致電纜絕緣擊穿。（3）直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，會(huì)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度顯著增大，可能損壞絕緣，造成多點(diǎn)擊穿，損壞電纜。直流耐壓試驗(yàn)時(shí)所形成的空間電荷可導(dǎo)致電纜投運(yùn)時(shí)發(fā)生擊穿或沿面滑閃。（4）交聯(lián)電纜的一個(gè)致命弱點(diǎn)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(huì)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(yùn)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(dāng)?shù)哪蛪褐?，并能保持一段時(shí)間。

實(shí)踐也表明，直流耐壓試驗(yàn)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(huì)損害電纜，給電纜的安全運(yùn)行帶來(lái)危險(xiǎn)。如在電纜附件內(nèi)，絕緣若有機(jī)械損傷或應(yīng)力錐放錯(cuò)等缺陷。在交流電壓下絕緣最易發(fā)生擊穿的地點(diǎn)，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(shí)不發(fā)生擊穿的地點(diǎn)。這一點(diǎn)也得到了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的證明：一些電纜在交接試驗(yàn)中按照GB50150-91標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)順利通過(guò)，但投運(yùn)不久就發(fā)生絕緣擊穿事故。正常運(yùn)行的電纜被直流耐壓試驗(yàn)損壞的情況也時(shí)有發(fā)生。（1）帶補(bǔ)償電抗器的傳統(tǒng)試驗(yàn)變壓器：由于電纜的容量很大、電壓很高，傳統(tǒng)的試驗(yàn)變壓器無(wú)論是從絕緣、體積、重量、容量等各個(gè)方面已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的要求；所以電纜試驗(yàn)極少采用變壓器試驗(yàn)。（2）振蕩電壓試驗(yàn)：振蕩電壓試驗(yàn)是用直流電源給電纜充電，當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)電壓后使放電間隙擊穿而通過(guò)電感線圈放電，對(duì)電纜施加一定電壓幅值、頻率為kHz級(jí)的衰減振蕩波電壓作為擠包絕緣電纜線路的竣工試驗(yàn)方法的另一種途徑。此種方法比直流耐壓試驗(yàn)方法有效，但與工頻電壓試驗(yàn)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(yàn)：0.1Hz耐壓試驗(yàn)的等效性還有待于進(jìn)一步研究，其檢測(cè)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(duì)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(yàn)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(yàn)，且試驗(yàn)條件的真實(shí)性不如近工頻交流電壓（30～300Hz），由于電壓等級(jí)偏低，還不能用于110kV及以上的高壓電纜試驗(yàn)。從國(guó)外的應(yīng)用方面看，目前國(guó)外0.1Hz的發(fā)展方向是在線絕緣監(jiān)測(cè)和故障定位；而變頻諧振方式用于耐壓試驗(yàn)，其試驗(yàn)的等效性非常好。從國(guó)外的發(fā)展來(lái)看，也是推薦用變頻諧振方式進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。（4）串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)：串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備通過(guò)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(yàn)設(shè)備的品質(zhì)因素較高，通常所需的工作電源容量?jī)H為試驗(yàn)容量的幾十分之一。對(duì)于串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備而言，其系統(tǒng)要滿足不同電壓等級(jí)和不同電容量的試品在一定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，可通過(guò)改變頻率或電感量來(lái)滿足諧振的條件（f＝1/2π。系統(tǒng)由變頻電源、勵(lì)磁變壓器、諧振電抗器、分壓器及試品（有時(shí)需補(bǔ)償電容器）組成。我們已知，在回路頻率f＝1/2π√LC時(shí)，回路產(chǎn)生諧振，此時(shí)試品上的電壓是勵(lì)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(guò)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(dá)到試驗(yàn)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(yàn)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(lì)磁變輸出電壓。當(dāng)串聯(lián)諧振時(shí)，，，，即頻率為（該頻率可通過(guò)調(diào)節(jié)變頻電源得到）時(shí)，回路呈諧振狀態(tài)。此時(shí),Q為品質(zhì)因數(shù)。即被試品上獲得的電壓為勵(lì)磁電壓的Q倍（利用額定電壓較低的試驗(yàn)變壓器，可以獲得較高的輸出電壓）。此電路形成一個(gè)良好的濾波電路，故輸出電壓UCX為良好的正弦波。當(dāng)試品擊穿，失去諧振，高、低壓電流自動(dòng)減小，不會(huì)擴(kuò)大被試品的故障點(diǎn)。表1單芯交聯(lián)電纜等效電容量參考數(shù)據(jù)（μF/km）

355070951201501852403004006/6kV;6/10kV0.210.240.270.30.330.360.390.430.470.538.7/10kV;8.7/15kV0.170.190.220.240.260.280.310.340.370.4212/20kV0.150.170.190.210.220.240.270.290.320.3521/35kV

0.120.130.140.150.160.180.190.210.2326/35kV

0.110.120.130.140.150.160.180.190.21表2三芯交聯(lián)電纜等效電容量參考數(shù)據(jù)（μF/km）

355070951201501852403004006/6kV;6/10kV0.210.240.270.30.330.360.390.430.470.538.7/10kV;8.7/15kV0.170.190.220.240.260.280.310.340.370.4212/20kV0.170.190.220.240.260.280.310.340.370.4221/35kV

0.120.130.140.150.160.180.190.210.2326/35kV

0.110.120.130.140.150.160.180.190.212）確定串聯(lián)電抗器數(shù)，2006版國(guó)標(biāo)規(guī)定，35kV電纜試驗(yàn)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(gè)電抗器串聯(lián)。3）帶載率核算：HDSR—f—L18/36，帶載為0.55μF最大電流2A，三個(gè)串聯(lián)使用時(shí)0.55/3=0.183μF＜0.342μF，故需三個(gè)串聯(lián)后再并聯(lián)，則：0.183*2=0.366μF＞0.342μF。4)核算試驗(yàn)頻率（2）實(shí)例2，35kV主變耐壓：已知Cx=6.165nF，UC=72kV，Cb=9nF，電抗器型號(hào)為HDSR—f—L18/07,電抗器額定電壓18kV，額定電流0.4A，額定帶載0.079μF，額定電感量160H，共6只。解：1)因?yàn)長(zhǎng)e=160H,L＞＞Le,需10個(gè)Le串聯(lián)，不滿足要求，故試驗(yàn)回路中需增加補(bǔ)償電容Cb。增加補(bǔ)償電容Cb后回路電感L諧為：662H