论文部分内容阅读
【摘 要】 随着越来越多的大容量、长距离交联乙烯电力（XLPE）电缆，高电压电力设备投入电网运行，做好其现场安装后的交接试验是保证电力系统安全运行非常重要的工作，但是，过去沿用的传统试验方法不能全面查出缺陷，反而损坏被试设备，不能满足要求。为此，根据设备容量和试验等效性要求，论证采用变频串联谐振耐压试验的必要性、紧迫性和可行性。
【关键词】 变频串联谐振;交联聚乙烯电力电缆;交接试验;缺陷;耐压试验
随着电网容量的逐渐扩大，对电力设备进行工频耐压试验所需的试验容量也越来越大。长期以来，对于交联聚乙烯电力电缆（简称交联电缆或XLPE电缆）、交流电力电容器现场安装后的交接试验都以简单易行的直流耐压试验作为考核主绝缘性能的检验手段。国内外的研究结果表明：对交联电缆的现场交接耐压试验，如仍采用直流耐压试验，对设备的绝缘状况的判断缺乏指导性，易引起设备本省的损坏;如采用工频耐压，试验设备的容量不容易解决，因此，采用变频谐振方法是一种有效的方法。
1 对高压电器进行交流耐压实验的必要性
1.1直流耐压试验不能反映设备实际工况下的电场分布
直流耐压试验不能反映设备实际工况下的电场分布，难以正确发现高压电器设备的内部缺陷。直流电压下，电器元件上的电压按电阻分布;交流电压下，电器元件上的电压则是按介电常数分布，它反映实际运行的情况。例如，对于交联电缆、全膜或纸膜电容器，其固体介质的电阻率可高达1～100EΩ·m，当某电容元件的绝缘薄膜绝缘不良时，其电阻率可大幅度下降，只有原电阻率的几分之一。做直流耐压时，电阻率高、绝缘良好的电容元件可承受的电容元件反而更容易通过试验，但在运行电压下，其绝缘缺陷便会暴露出来，诱发故障。
1.2直流电压可使高压电器内部的局部放电减弱
直流电压可使高压电器内部的局部放电大为减弱，不利于绝缘缺陷的检出。高压电器内部的某些绝缘弱点或极板边缘电场集中的部位均可能产生局部放电，持续的局部放电对绝缘是有害的。
因高压电器绝缘的多样性，在导体和绝缘介质之间往往存在多种绝缘介质，而每种介质的场强分布不同，加压时，场强较高的介质会先发生局部放电。但是同样的复合绝缘，在直流电压作用下，局部放电则会大大减弱。气隙发生局部放电后发生的正、负离子形成反向电场强度E’，使气隙中的合成场强下降，使局部放电削弱甚至熄灭。而交流电压则不然，只要外加试验高压高于局部放电起始电压，每半周内至少会发生两次局部放电。因此交流耐压试验检出的绝缘缺陷远比直流耐压敏感。
1.3工频交流耐压试验反映实际运行电压波形
工频交流耐压试验符合运行电压的实际波形，与运行中出现的工频暂态电压升高的情况较为符合，不存在等价性问题。
综上所述，施加交流耐压才能真实地考核高压电器的制造质量，才能有效地检出因各种因素造成的绝缘缺陷。
2 变频串联谐振耐压试验的原理和应用
2.1变频串联谐振装置耐压试验原理
变频串联谐振装置是运用串联谐振的原理，利用励磁变压器激发串联谐振回路，通过调节变频电源的输出频率，使得回路中的电抗器L和电感L和试品电容器C的电容C发生谐振，最后通过调节励磁的输出电压，使谐振电压达到所要求的试验电压。变频谐振试验装置广泛应用于XLPE电缆、气体绝缘组合电器（GIS）、大型发电机组、大型电力变压器、电力电容器等高电压、大容量的电力设备的交流耐压、感应耐压等试验项目中。其试验原理如图1所示。
2.2 XLPE电力电缆的交流耐压试验
XLPE属于固体绝缘电缆，经特殊的物理、化学方法交联而成，具有良好的电气绝缘性能，击穿强度高，介质损耗角正切值tanδ小，绝缘电阻高，有较高耐热性和耐老化性能，重量轻，允许工作温度高，载流量大，适宜高落差和垂直辐射。因此，XLPE电缆在世界范围内得到了广发的应用。20世纪70年代以来，中国的XLPE电缆也得到了迅速的发展，并逐步取代了常规中低压油纸绝缘电缆，现推广和应用于110kv，220kv等高压输电线路中。
然而XLPE电缆的电容量大，若是采用工频或接近工频的交流试验电压作为交联电缆线路竣工试验，存在的最大困难是长线路需要很大容量的试验设备。例如，截面积为630mm2的110kvXLPE電缆线路，其电容为0.188μF/km，若电缆长3km，则每相电缆试验需要的试验设备的容量至少为2.9MVA，50Hz（试验电压128kV，充电电流22.7A）;截面积为1200mm2的220kvXLPE电缆线路，电容为0.179μF/km，若电缆长3km，则每相电缆试验需要工频（50Hz）试验设备的容量至少5.3MVA（试验电压178kv，充电电流30A）。因此，采用传统的试验变压器的试验方法已经远远不能满足系统试验容量的要求。利用变频谐振试验装置（变频谐振原理），较小的电源容量可提供较大的试验容量，串联谐振试验装置可提供被试设备高于电源电压Q倍的试验电压（品质因数Q是高电压谐振试验装置的重要参数）。由于电源容量减小且电感、电容可做成分段式，使试验设备轻巧，运输方便，为大容量、长距离的现场试验成为可能并提供极大的方便，同时利用试验频率允许在一定的可调范围内（30～300Hz）和试验电抗器固定可调（单一电抗器电感是不可调的，但通过串并联，总电感可调）的原理，使得系统的柔性大大增加。
对于额定电压为60～500kv电缆的现场试验，GIGREWG21.09《高压交联绝缘电缆竣工验收试验建议导则》推荐首先采用交流试验，频率为工频及近似工频（30～300Hz），耐压时间为1h。具体的要求见表1。
IEC60502，IEC60840，IEC62067等标准对额定电压为1～30kv，30～150kv，150～500kv的电力电缆要求做交流耐压试验，频率为30～300Hz。
2.3 GIS的交流耐压试验
GIS是一种把短路器、隔离开关、接地开关、断路器、开关进行变频交流耐压试验，对大型发电机组、电力变压器、互感器、套管等电器设备进行耐压试验，还可用于局部放电试验及测量接地电阻。
变频串联谐振耐压试验是在地电压下调谐振点，然后再升高电压幅值达到试验所需电压，且能保持谐振点、安全可靠。
参考文献：
[1] CIGREWG21.09，高压交联绝缘电缆竣工验收试验建议导则[S].
[2] IEC60502-1997，额定电压1kv～30kv挤包绝缘电力电缆及其附件的试验方法和要求[S].
[3] IEC60804-1999，额定电压30kv～150kv挤包绝缘电力电缆及其附件的试验方法和要求[S].
[4] IEC62067-2001，额定电压150kv～500kv挤包绝缘电力电缆及其附件的试验方法和要求[S].
[5] IEC517，额定电压72.5kv及以上气体绝缘金属壳封闭式组合电器的试验方法和要求[S].
【关键词】 变频串联谐振;交联聚乙烯电力电缆;交接试验;缺陷;耐压试验
随着电网容量的逐渐扩大，对电力设备进行工频耐压试验所需的试验容量也越来越大。长期以来，对于交联聚乙烯电力电缆（简称交联电缆或XLPE电缆）、交流电力电容器现场安装后的交接试验都以简单易行的直流耐压试验作为考核主绝缘性能的检验手段。国内外的研究结果表明：对交联电缆的现场交接耐压试验，如仍采用直流耐压试验，对设备的绝缘状况的判断缺乏指导性，易引起设备本省的损坏;如采用工频耐压，试验设备的容量不容易解决，因此，采用变频谐振方法是一种有效的方法。
1 对高压电器进行交流耐压实验的必要性
1.1直流耐压试验不能反映设备实际工况下的电场分布
直流耐压试验不能反映设备实际工况下的电场分布，难以正确发现高压电器设备的内部缺陷。直流电压下，电器元件上的电压按电阻分布;交流电压下，电器元件上的电压则是按介电常数分布，它反映实际运行的情况。例如，对于交联电缆、全膜或纸膜电容器，其固体介质的电阻率可高达1～100EΩ·m，当某电容元件的绝缘薄膜绝缘不良时，其电阻率可大幅度下降，只有原电阻率的几分之一。做直流耐压时，电阻率高、绝缘良好的电容元件可承受的电容元件反而更容易通过试验，但在运行电压下，其绝缘缺陷便会暴露出来，诱发故障。
1.2直流电压可使高压电器内部的局部放电减弱
直流电压可使高压电器内部的局部放电大为减弱，不利于绝缘缺陷的检出。高压电器内部的某些绝缘弱点或极板边缘电场集中的部位均可能产生局部放电，持续的局部放电对绝缘是有害的。
因高压电器绝缘的多样性，在导体和绝缘介质之间往往存在多种绝缘介质，而每种介质的场强分布不同，加压时，场强较高的介质会先发生局部放电。但是同样的复合绝缘，在直流电压作用下，局部放电则会大大减弱。气隙发生局部放电后发生的正、负离子形成反向电场强度E’，使气隙中的合成场强下降，使局部放电削弱甚至熄灭。而交流电压则不然，只要外加试验高压高于局部放电起始电压，每半周内至少会发生两次局部放电。因此交流耐压试验检出的绝缘缺陷远比直流耐压敏感。
1.3工频交流耐压试验反映实际运行电压波形
工频交流耐压试验符合运行电压的实际波形，与运行中出现的工频暂态电压升高的情况较为符合，不存在等价性问题。
综上所述，施加交流耐压才能真实地考核高压电器的制造质量，才能有效地检出因各种因素造成的绝缘缺陷。
2 变频串联谐振耐压试验的原理和应用
2.1变频串联谐振装置耐压试验原理
变频串联谐振装置是运用串联谐振的原理，利用励磁变压器激发串联谐振回路，通过调节变频电源的输出频率，使得回路中的电抗器L和电感L和试品电容器C的电容C发生谐振，最后通过调节励磁的输出电压，使谐振电压达到所要求的试验电压。变频谐振试验装置广泛应用于XLPE电缆、气体绝缘组合电器（GIS）、大型发电机组、大型电力变压器、电力电容器等高电压、大容量的电力设备的交流耐压、感应耐压等试验项目中。其试验原理如图1所示。
2.2 XLPE电力电缆的交流耐压试验
XLPE属于固体绝缘电缆，经特殊的物理、化学方法交联而成，具有良好的电气绝缘性能，击穿强度高，介质损耗角正切值tanδ小，绝缘电阻高，有较高耐热性和耐老化性能，重量轻，允许工作温度高，载流量大，适宜高落差和垂直辐射。因此，XLPE电缆在世界范围内得到了广发的应用。20世纪70年代以来，中国的XLPE电缆也得到了迅速的发展，并逐步取代了常规中低压油纸绝缘电缆，现推广和应用于110kv，220kv等高压输电线路中。
然而XLPE电缆的电容量大，若是采用工频或接近工频的交流试验电压作为交联电缆线路竣工试验，存在的最大困难是长线路需要很大容量的试验设备。例如，截面积为630mm2的110kvXLPE電缆线路，其电容为0.188μF/km，若电缆长3km，则每相电缆试验需要的试验设备的容量至少为2.9MVA，50Hz（试验电压128kV，充电电流22.7A）;截面积为1200mm2的220kvXLPE电缆线路，电容为0.179μF/km，若电缆长3km，则每相电缆试验需要工频（50Hz）试验设备的容量至少5.3MVA（试验电压178kv，充电电流30A）。因此，采用传统的试验变压器的试验方法已经远远不能满足系统试验容量的要求。利用变频谐振试验装置（变频谐振原理），较小的电源容量可提供较大的试验容量，串联谐振试验装置可提供被试设备高于电源电压Q倍的试验电压（品质因数Q是高电压谐振试验装置的重要参数）。由于电源容量减小且电感、电容可做成分段式，使试验设备轻巧，运输方便，为大容量、长距离的现场试验成为可能并提供极大的方便，同时利用试验频率允许在一定的可调范围内（30～300Hz）和试验电抗器固定可调（单一电抗器电感是不可调的，但通过串并联，总电感可调）的原理，使得系统的柔性大大增加。
对于额定电压为60～500kv电缆的现场试验，GIGREWG21.09《高压交联绝缘电缆竣工验收试验建议导则》推荐首先采用交流试验，频率为工频及近似工频（30～300Hz），耐压时间为1h。具体的要求见表1。
IEC60502，IEC60840，IEC62067等标准对额定电压为1～30kv，30～150kv，150～500kv的电力电缆要求做交流耐压试验，频率为30～300Hz。
2.3 GIS的交流耐压试验
GIS是一种把短路器、隔离开关、接地开关、断路器、开关进行变频交流耐压试验，对大型发电机组、电力变压器、互感器、套管等电器设备进行耐压试验，还可用于局部放电试验及测量接地电阻。
变频串联谐振耐压试验是在地电压下调谐振点，然后再升高电压幅值达到试验所需电压，且能保持谐振点、安全可靠。
参考文献：
[1] CIGREWG21.09，高压交联绝缘电缆竣工验收试验建议导则[S].
[2] IEC60502-1997，额定电压1kv～30kv挤包绝缘电力电缆及其附件的试验方法和要求[S].
[3] IEC60804-1999，额定电压30kv～150kv挤包绝缘电力电缆及其附件的试验方法和要求[S].
[4] IEC62067-2001，额定电压150kv～500kv挤包绝缘电力电缆及其附件的试验方法和要求[S].
[5] IEC517，额定电压72.5kv及以上气体绝缘金属壳封闭式组合电器的试验方法和要求[S].