串联谐振交流耐压

关于串联谐振交流耐压第一页，共二十五页，编辑于2023年，星期日1前言

在供配电系统调试中，要对交联聚乙烯电力电缆（XLPE）、高压开关柜、GIS、高压电动机、大型发电机组、大型电力变压器、互感器等高电压、大容量的电力设备进行绝缘耐压试验。绝缘耐压试验分为直流耐压试验和交流耐压试验两种。过去在进行电缆耐压试验时都采用直流耐压试验。在1980年左右，国外电力部门发现直流耐压试验对橡塑绝缘是无效的且具有危害性。我国在九十年代开始研究和实践交流耐压试验技术。经过20多年的研究和实践，世界各国纷纷采用交流耐压试验代替直流耐压试验。国内外有关标准机构也对于高压交联电缆的试验方法作出了更改和修订。1997年国际大电网工作会议（CIGRI）对目前采用的直流耐压试验方法提出疑议，并推荐使用工频及近似工频（30-300Hz）的交流试验方法，在全世界范围内推广应用。我国的《电气设备交接试验标准》GB50150-2006已经颁布，于2006年11月1日起强制执行，该标准规定35kV及以上橡塑绝缘电缆优先采用交流耐压试验。交流耐压试验取代传统直流耐压试验已是大势所趋。第二页，共二十五页，编辑于2023年，星期日2

直流耐压试验的问题由于电缆线路的电容很大，若采用工频电压试验，必须有大容量的工频试验变压器，现场试验很难实现，所以传统的耐压试验方法采用直流耐压试验。因为电缆的直流绝缘电阻很大（一般在10GΩ以上），所以在做直流耐压试验时充电电流极小，具有试验设备容量小、重量轻、可移动性好等优点。但直流耐压试验方法对于XLPE交联电缆，无论从理论还是实践上却存在着很多缺点。主要体现在：第三页，共二十五页，编辑于2023年，星期日（1）高压试验技术的一个通用原则：试品上所施加的试验电压场强必须模拟高压电器的运行工况。直流电压下，电缆绝缘的电场分布取决于材料的体积电阻率，而交流电压下的电场分布取决于各介质的介电常数，特别是在电缆终端头、接头盒等电缆附件中的直流电场强度的分布和交流电场强度的分布完全不同，而且直流电压下绝缘老化的机理和交流电压下的老化机理不相同。因此，直流耐压试验不能模拟交联电缆的运行工况。第四页，共二十五页，编辑于2023年，星期日

（2）交联电缆在直流电压下会产生“记忆”效应，存储积累单极性残余电荷。一旦有了由于直流耐压试验引起的“记忆性”，需要很长时间才能将这种直流偏压释放。电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行，直流偏压便会叠加在工频电压峰值上，使得电缆上的电压值远远超过其额定电压，从而有可能导致电缆绝缘击穿。第五页，共二十五页，编辑于2023年，星期日（3）直流耐压试验时，会有电子注入到聚合物介质内部，形成空间电荷，使该处的电场强度降低，从而难于发生击穿。由于振荡电压极性迅速改变为异极性，使该处电场强度显著增大，可能损坏绝缘，造成多点击穿，损坏电缆。直流耐压试验时所形成的空间电荷可导致电缆投运时发生击穿或沿面滑闪。（4）交联电缆的一个致命弱点是绝缘内易产生水树枝，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，加速了绝缘劣化，以致于运行后在工频电压作用下形成击穿。而单纯的水树枝在交流工作电压下还能保持相当的耐压值，并能保持一段时间。第六页，共二十五页，编辑于2023年，星期日

实践也表明，直流耐压试验不但不能有效发现交流电压作用下的某些缺陷，而且会损害电缆，给电缆的安全运行带来危险。如在电缆附件内，绝缘若有机械损伤或应力锥放错等缺陷。在交流电压下绝缘最易发生击穿的地点，在直流电压下往往不能击穿。直流电压下绝缘击穿处往往发生在交流工作条件下绝缘平时不发生击穿的地点。这一点也得到了运行经验的证明：一些电缆在交接试验中按照GB50150-91标准进行直流耐压试验顺利通过，但投运不久就发生绝缘击穿事故。正常运行的电缆被直流耐压试验损坏的情况也时有发生。第七页，共二十五页，编辑于2023年，星期日3几种主要的交流耐压试验方法

既然直流耐压试验不能模拟交联电缆的运行场强状态，不能达到我们所期望的检验效果，自然就应该转向用交流耐压试验来考核交联电缆的绝缘状况。但是采用工频或接近工频的交流电压试验作为挤包绝缘电缆线路竣工试验存在的最大困难是长线路需要很大容量的试验设备。目前存在以下几种交流耐压试验方法：第八页，共二十五页，编辑于2023年，星期日（1）带补偿电抗器的传统试验变压器：由于电缆的容量很大、电压很高，传统的试验变压器无论是从绝缘、体积、重量、容量等各个方面已经无法满足现场试验的要求；所以电缆试验极少采用变压器试验。（2）振荡电压试验：振荡电压试验是用直流电源给电缆充电，当达到试验电压后使放电间隙击穿而通过电感线圈放电，对电缆施加一定电压幅值、频率为kHz级的衰减振荡波电压作为挤包绝缘电缆线路的竣工试验方法的另一种途径。此种方法比直流耐压试验方法有效，但与工频电压试验相比，其检查电缆主绝缘和附件缺陷的效果仍不理想。第九页，共二十五页，编辑于2023年，星期日

（3）超低频0.1Hz耐压试验：

0.1Hz耐压试验的等效性还有待于进一步研究，其检测绝缘缺陷的效果在世界范围内受到普遍怀疑。目前的研究结果是0.1Hz对绝缘损伤的击穿电压，其数值在1.2–2.6倍工频击穿电压下变化，试验的一致性方面有较大的不足。目前，此种方法主要应用于中低压电缆的试验，且试验条件的真实性不如近工频交流电压（30～300Hz），由于电压等级偏低，还不能用于110kV及以上的高压电缆试验。从国外的应用方面看，目前国外0.1Hz的发展方向是在线绝缘监测和故障定位；而变频谐振方式用于耐压试验，其试验的等效性非常好。从国外的发展来看，也是推荐用变频谐振方式进行耐压试验。第十页，共二十五页，编辑于2023年，星期日（4）串联谐振耐压试验：串联谐振试验设备通过与被试品（等效电容）形成串联谐振回路，从而得到一定频率的正弦波交流电压。由于试验设备的品质因素较高，通常所需的工作电源容量仅为试验容量的几十分之一。对于串联谐振试验设备而言，其系统要满足不同电压等级和不同电容量的试品在一定的频率范围内进行交流耐压试验，可通过改变频率或电感量来满足谐振的条件（f＝1/2π。第十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期日4变频串联谐振交流耐压技术的原理

变频串联谐振的等效性经国内外研究已经得到了普遍的认可，并得到了广泛的推广应用。变频串联谐振耐压试验方法是通过改变试验系统的试验频率（范围30-300Hz），使回路处于谐振状态，这样试验回路中试品上的大部分容性电流与电抗器上的感性电流相抵消，电源供给的能量仅为回路中消耗的有功功率，为试品容量的1/Q（Q为系统的电压谐振倍数），因此试验电源的容量大为降低，重量大大减轻。第十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期日系统由变频电源、励磁变压器、谐振电抗器、分压器及试品（有时需补偿电容器）组成。我们已知，在回路频率f＝1/2π√LC时，回路产生谐振，此时试品上的电压是励磁变高压端输出电压的Q倍。Q为系统品质因素，即电压谐振倍数，一般为几十到一百以上。先通过调节变频电源的输出频率使回路发生串联谐振，再在回路谐振的条件下调节变频电源输出电压使试品电压达到试验值。由于回路的谐振，变频电源较小的输出电压就可在试品CX上产生较高的试验电压。第十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期日原理图及理论公式如下：第十四页，共二十五页，编辑于2023年，星期日图1中，L为谐振电抗器，CX为被试品，U为励磁变输出电压。当串联谐振时，，，，即频率为（该频率可通过调节变频电源得到）时，回路呈谐振状态。此时,Q为品质因数。即被试品上获得的电压为励磁电压的Q倍（利用额定电压较低的试验变压器，可以获得较高的输出电压）。此电路形成一个良好的滤波电路，故输出电压UCX为良好的正弦波。当试品击穿，失去谐振，高、低压电流自动减小，不会扩大被试品的故障点。第十五页，共二十五页，编辑于2023年，星期日5应用实例及分析（1）实例1，35kV电缆试验：已知电缆规格为26/35kV、300mm2，电缆长度为1.8km，电抗器型号为HDSR—f—L18/36，电抗器额定电压18kV，额定电流2A，额定带载0.55µF，额定电感量45H，共6只。试验步骤如下：

1）用交流电容表测出电缆电容量，或者查表(见表1表2)得知该电缆电容量：经查表得C=0.19µF/km，则Cx=1.8*0.19=0.342µF。第十六页，共二十五页，编辑于2023年，星期日表1单芯交联电缆等效电容量参考数据（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第十七页，共二十五页，编辑于2023年，星期日表2三芯交联电缆等效电容量参考数据（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

0.110.120.130.140.150.160.180.190.21第十八页，共二十五页，编辑于2023年，星期日2）确定串联电抗器数，2006版国标规定，35kV电缆试验电压UC=2U0=2*26=52kV，每节电抗器额定电压18kV，18kV*3=54kV＞52kV，所以必须3个电抗器串联。3）带载率核算：HDSR—f—L18/36，带载为0.55µF最大电流2A，三个串联使用时0.55/3=0.183µF＜0.342µF，故需三个串联后再并联，则：0.183*2=0.366µF＞0.342µF。第十九页，共二十五页，编辑于2023年，星期日接线方法如图2所示：第二十页，共二十五页，编辑于2023年，星期日4)核算试验频率（2）实例2，35kV主变耐压：已知Cx=6.165nF，UC=72kV，Cb=9nF，电抗器型号为HDSR—f—L18/07,电抗器额定电压18kV，额定电流0.4A，额定带载0.079µF，额定电感量160H，共6只。解：1)因为Le=160H,L＞＞Le,需10个Le串联，不满足要求，故试验回路中需增加补偿电容Cb。增加补偿电容Cb后回路电感L谐为：

662H÷Le=662H÷160H=4，因此加补偿电容Cb后将4个额定电感Le串联即可；第二十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期日接线方法如图3所示：第二十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期日2）试验电压：UC=72kV，UC÷Ue=72÷18=4，因此4个额定电感Le串联可满足试验电压；3）带载率核算：4个串联，0.079÷4=0.01975µF=19.75nF＞6.615nF,故可采用；4）频率核算：试验频率符合2006版国标规定的40～60Hz范围内。第二十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期日6结束语

串联谐振交流耐压试验装置的应用是一个全新的技术要掌握其应用方法必须首先懂得串联谐振的理论知识及计算公式，才能使电压、电容、电感、频率等参数匹配，以便针对不同电压等级、不同被试设备设计出合理的试验连接方法。其次