长电缆耐压试验中电抗器串并联组合的优选方法

长电缆耐压试验中电抗器串并联组合的优选方法

唐靓 田雪枫 郭道靖

国网镇江供电公司 江苏 212000

摘要：为解决长电缆耐压试验中电抗器组合方案的问题，提出了一种长电缆耐压试验设备参数优选方法。改进串联谐振并联补偿接线方式，考虑了设备约束条件，建立以电抗器组合数量最少的目标函数，得到满足设备约束条件下的品质因数区间，继而从中选择出电抗器最少的组合方式作为最优的试验接线方案，同时得到该方案对应的谐振频率，电抗器电流，变压器高压侧电流，变压器输出电压等优选参数。

关键词：耐压试验；品质因数；电抗器；串联谐振

引言

在以往的调试工作中，对于高压电缆的试验是必不可少的一项工作，因为在每个工程中都离不开高压电缆，而接触最多的就是运行电压为10千伏的高压电缆，为了检验和保证电缆的安装质量，在送电投运前，对电缆进行现场交流或直流耐压试验十分必要。本文将结合现场试验的实际情况，对电缆经过试验后能否投入使用的一些判定方法做一个分析与探讨，以便在以后遇到不同的电缆问题中，提供一些参考和判据。

1特高压电抗器简介

交流输电线路的主要参数包括串联电阻、串联电抗和并联电导、并联电容。交流输电线路输送功率时，串联电抗上的电流滞后于电压，串联电抗吸收无功功率；并联电容上的电压滞后于电流，并联电容发出无功功率。当交流输电线路发出的无功功率恰好等于其吸收的无功功率时，线路的输送功率为线路的自然功率，沿线路各点的电压幅值大小相同；当线路的输送功率小于线路的自然功率时，线路发出的无功功率大于吸收的无功功率，线路末端的电压幅值高于线路首端；当线路的输送功率大于线路的自然功率时，线路发出的无功功率小于吸收的无功功率，线路末端的电压幅值低于线路首端。

由于线路并联电容发出的无功功率与输电线路的电压的平方成正比，特高压输电线路的一个显著特点就是线路电容产生的无功功率很大，对于100km的特高压线路，在额定电压为1000kV以及最高运行电压为1100kV的条件下，发出的无功功率可以达到400～500Mvar，约为500kV线路的5倍。因此在交流特高压输电线路输送功率较小时，并联电容产生的无功功率大于串联电抗消耗的无功功率，电网无功过剩较大，电压上升，危及设备和系统的安全；在线路末端三相开断或故障后非全相开断时，线路上将产生工频过电压，同样危及设备和系统的安全。为了保持特高压输电线路的无功平衡，特别是为了限制轻载负荷引起的电压升高和线路开断时引起的工频过电压，通常需要在线路送端和受端或其中一端装设固定特高压并联电抗器来进行无功补偿。特高压并联电抗器可以在线路带轻载负荷的情况下吸收线路并联电容发出的无功功率，减少过剩的无功功率，限制工频过电压。

2电缆交流耐压试验

2.1谐振耐压试验

可调电感型谐振试验系统可满足耐压要求,但由于重量大,可移动性差,主要用于实验室。而变频谐振试验方法能满足高压交联电缆的耐压要求,具有重量轻、可移动性好的特点,适宜现场试验。该方法采用固定电抗器作为谐振电抗器,以调频的方式实现谐振,频率调节范围为30～300Hz,符合CIGREWG21.09《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(30～300Hz)的交流电压。这种交流电压可以重现与运行工况相同的场强,并已证明是最有效的方法。

2.2超低频(0.1Hz)耐压试验

由于被试交联电缆的电容量很大,工频试验时所需试验变压器的容量也很大,导致试验设备笨重,不适宜现场使用。采用0.1Hz作为试验电源，理论上可以将试验变压器的容量降到1/500,大大降低了试验变压器的重量,可将试验变压器移动到现场进行试验。目前,该方法主要应用于中低压电缆的试验。由于电压等级偏低,不能用于66kV及以上高压电缆试验。

2.3变频串联谐振耐压试验

试验装置由调频电源、激励变压器、谐振电抗器和电容分压器组成。被试品电容与电抗器构成串联谐振回路,分压器并联在被试电缆上,用于测量被试电缆的谐振电压值,并作为过电压保护信号。调频调压信号经激励变压器耦合给串联谐振回路,提供串联谐振的激励功率。串联谐振试验原理接线。首先调节调频调压电源输出频率,根据谐振时被试电缆电压找到谐振点,再增加调频调压电源输出电压,使被试电缆电压达到规定值。在该电压值下保持规定的时间后,降低电压为0,完成变频谐振耐压试验全过程。

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,由于流过串联电抗器的试验电流超过了其额定电流,需要加入并联电抗器进行补偿。这种串—并联谐振法实质上仍然是串联谐振,与传统的串联谐振不同之处在于串联电抗器不是简单地与被试电力电缆电容构成串联谐振,而是与补偿电抗器和被试电缆电容的并联回路产生串联谐振。并联电抗器起补偿作用,使流过励磁变压器高压侧及串联电抗器上的电流减小,电抗器的体积和重量将减小,励磁变压器容量也将减小,提高了调频谐振装置的带负载能力,使原本很难进行的试验变得相对容易。

3电缆交直流耐压的优缺点分析

工作中遇到最多的就是10千伏电压等级的交联聚乙烯绝缘电缆，如果要用交流耐压，就必须选用串联谐振设备，而这种设备价格昂贵、体积庞大、设备元件多，组装很不方便，还有就是有的配电室地方狭小，根本容不下这个设备，受到诸多因素影响，我们还是用直流耐压试验，但是按照规范最好的方式是对塑料绝缘电缆采用交流耐压。为什么就必须用交流耐压呢，下面对直流耐压对电缆的危害进行说明：

第一，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，即电场强度是按介电常数反比例分配的，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。而绝缘电阻系数分布是不均匀的，这是因为在交联聚乙烯电缆处于交联过程中不可避免地溶入一定量的副产品，它们具有相对小的绝缘电阻系数但在绝缘层径向分布是不均匀的，所以在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。

第二，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。

结语

交流耐压试验是现场检验交联电缆的敷设和附件安装质量最有效的手段,试验所用的变频谐振装置符合IEC和国标的有关要求。实际运用中,发电机、大型变压器、GIS、耦合电容器等设备在耐压试验时都呈容性,对容性负载,可以采取谐振的方法进行交流耐压试验,不仅可以降低电源容量,减小设备体积,还可以使试验更安全、方便、有效。

参考文献

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[2]袁凯.变频串联谐振耐压试验系统的设计与研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[3]石峰.交联聚乙烯电缆耐压试验方法[J].东北电力技术，2010，31(1):47⁃49.