變頻諧振技術(shù)與ＸＬＰＥ電纜試驗(yàn)

劉　劍　張忠魁

[摘要]通過對變頻技術(shù)的介紹，結(jié)合國內(nèi)的應(yīng)用及相關(guān)變頻諧振試驗(yàn)裝置特點(diǎn)，闡述在實(shí)際操作中應(yīng)注意并掌握的知識(shí)，充分發(fā)揮儀器的智能作用為XLPE電纜試驗(yàn)服務(wù)，提高工作效率。

[關(guān)鍵詞]變頻諧振XLPE電纜試驗(yàn)

中圖分類號：TM4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210038－01

一、引言

上世紀(jì)80年代至90年代中期，加拿大、德國、美國等先進(jìn)國家制定了相應(yīng)的交流耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并推廣應(yīng)用。從90年代末開始，我國的廣東、北京等地出臺(tái)了對XLPE電纜做交流試驗(yàn)的暫行規(guī)定，隨著國標(biāo)GB50150-2006《電氣安置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》及DL/T849.6－2004《電力設(shè)備專用測試儀器通用技術(shù)條件》的頒布實(shí)施，結(jié)合各省和地區(qū)制定的試驗(yàn)規(guī)程，對XLPE電纜進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)已成為共識(shí)。

二、變頻諧振的主要用途及優(yōu)越性

變頻諧振試驗(yàn)主要用于對大容量的容性電力設(shè)備的現(xiàn)場交流耐壓試驗(yàn)，如中低壓、高壓、超高壓的交聯(lián)聚乙烯(xLPE)電纜，全封閉組合電器(GIS)，發(fā)電機(jī)定子，大型變壓器和電力電容器等。

70年代末，國外電力部門發(fā)現(xiàn)了直流耐壓試驗(yàn)對橡塑絕緣是無效的且具有危害性，所以，目前，國內(nèi)已不推薦甚至禁用直流法做XLPE電纜試驗(yàn)。因?yàn)閄LPE電纜致命的一個(gè)弱點(diǎn)是絕緣內(nèi)容易產(chǎn)生水樹枝，在直流電壓作用下會(huì)迅速變?yōu)殡姌渲Σ⑿纬煞烹?，加速了絕緣劣化：而單純的水樹枝在交流工作電壓下還能保持相當(dāng)?shù)哪蛪褐挡⒛鼙３忠欢螘r(shí)間。國內(nèi)外的調(diào)查研究和實(shí)踐都表明，直流耐壓試驗(yàn)不能有效發(fā)現(xiàn)交流電壓作用下的某些缺陷，如電纜附件內(nèi)的機(jī)械損傷等。而采用超低頻(0.1Hz)交流試驗(yàn)方法設(shè)備體積雖減小了，但也有其局限性。首先，目前國內(nèi)產(chǎn)品均采用半電子半機(jī)械(大功率開關(guān)每5秒切換一次)方式來產(chǎn)生0.1Hz頻率，輸出波形無法達(dá)到等效性好的正弦方波：其次，試驗(yàn)時(shí)間通常要求1小時(shí)(三相同做時(shí)為l小時(shí)，若發(fā)現(xiàn)有缺陷時(shí)再分相做，每相1小時(shí))，工作效率是比較低的；同時(shí)，超低頻(0.1Hz)耐壓試驗(yàn)只適用于中低壓、高壓XLPE電纜，無法滿足超高壓電纜主絕緣的試驗(yàn)要求。

國際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)21－09工作組于1997年發(fā)表的《高壓擠包絕緣竣工驗(yàn)收試驗(yàn)導(dǎo)則》中指出：30－300Hz交流耐壓試驗(yàn)與工頻耐壓的等效性良好，推薦用此方法進(jìn)行電纜交流試驗(yàn)并制定了試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)。基于一些高校實(shí)驗(yàn)室的理論和模擬試驗(yàn)研究以及國外十幾年來采用變頻試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，其等效性好，效率高，設(shè)備輕便，試品長度幾乎不受限制。IEC60840標(biāo)準(zhǔn)中推薦45－150kV電壓等級敷設(shè)后電纜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中增加了1.7U₀/5min或1υ₀/24h的交流試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：IEC62067/CD草案中對220kV等級則只提出了交流試驗(yàn)的要求，頻率為：20－300Hz。

三、變頻諧振的理論基礎(chǔ)及設(shè)備的組成

(一)諧振的理論基礎(chǔ)

諧振定義：電路輸入端電壓u與電流同相，稱為諧振。通常分串聯(lián)諧振(電壓諧振)和并聯(lián)諧振(電流諧振)。

諧振頻率：fO＝1/2π·1/√LC諧振角頻率：ω₀＝1/√LC

電路的品質(zhì)因數(shù)：試品所獲得的容量與勵(lì)磁變壓器輸出容量之比。在串聯(lián)諧振回路可用試品上的電壓值與勵(lì)磁變壓器的輸出電壓之比代替，在并聯(lián)諧振回路可用試品的電流與勵(lì)磁變壓器輸出電流之比代替。即：

Q＝ω₀L/R＝1/R×L/√LC＝1/R√L/C

諧振時(shí)的電路特點(diǎn)：

1、阻抗最?。簔＝RI₀＝υ/R

2、電壓一定時(shí)電流最大

3、電容兩端的電壓為電源電壓的Q倍：Uc＝Qu

4、源功率P＝UI＝υc/Q·I

可見諧振時(shí)源的激勵(lì)功率僅為C上電功率容量的1/Q，Q越大越好。

(二)串聯(lián)變頻諧振裝置的組成

串聯(lián)變頻諧振裝置是通過改變系統(tǒng)的電感量和試驗(yàn)頻率，使回路處于諧振狀態(tài)。因?yàn)槲覀冎v的試驗(yàn)主要考核試品的耐壓程度，故選用串聯(lián)諧振，亦稱電壓諧振。采用變頻諧振技術(shù)使試驗(yàn)電源的容量降低，設(shè)備重量大大減輕，便于現(xiàn)場試驗(yàn)。

變頻電源：頻率在30－300Hz連續(xù)可調(diào)的功率源。通常規(guī)格有5KVA、IOKVA、20KVA、50KVA……。

勵(lì)磁變壓器：用于給電感、電容諧振系統(tǒng)提供能量的變壓器，特點(diǎn)是變壓器的鐵芯特性能適用較寬頻率下的電壓響應(yīng)，與變頻源配套使用。規(guī)格有：5KVA、IOKVA、20KVA、50KVA……。

諧振電抗器：用于同試品電容進(jìn)行諧振，以獲得高電壓(或大電流)的電抗器。規(guī)格有：30H/20KV/2A 40H/40KV/3A……，一般配1－3個(gè)可根據(jù)需要串并組合。

電容分壓器：用于精確測量試品端所加電壓值。規(guī)格有：100KV、150KV……。

補(bǔ)償電容器：因大型變壓器及發(fā)電機(jī)電容量偏小，需補(bǔ)償以增大電容量(圖中虛線部分)保證諧振頻率在規(guī)程要求的范圍內(nèi)，而做電纜試驗(yàn)時(shí)不需要。

四、現(xiàn)場使用注意事項(xiàng)

(一)使用前的準(zhǔn)備

1、了解XLPE電纜的電壓等級、長度和截面積，查閱該規(guī)格電纜電容量(uV/km)，計(jì)算總電容量。

2、依據(jù)電纜規(guī)格，查閱本地區(qū)規(guī)程要求的試驗(yàn)電壓。

3、按諧振在較低頻率試驗(yàn)電流小(I＝2 π f Cv)的原則，估算諧振頻率。電抗器串聯(lián)，電感量增大，耐壓值升高，適合做短電纜；反之，電抗器并聯(lián)電感量減小，耐壓不變，適合做長電纜。

4、按試驗(yàn)裝置所配的電抗器數(shù)量(1－3個(gè))及其電感量，估算：

5、估算試驗(yàn)電流值，以判斷電抗器及勵(lì)磁變可否承受

I＝2πf CU＝6.28×64.156×1.85×10^-6×17.4×10³＝12.969A如果都能滿足，則試驗(yàn)就可正常進(jìn)行。

(二)串聯(lián)變頻諧振裝置

目前國內(nèi)大部分廠家提供的設(shè)備技術(shù)上比較成熟，各種保護(hù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印等功能齊全。有采用菜單式操作大屏幕LCD顯示(西安福潤德公司)，也有數(shù)顯及指針表顯示，生產(chǎn)廠家一般提供自動(dòng)／手動(dòng)兩種操作方式供用戶使用。

接線方式通常有三種：1、大電容量試品接線，如電纜長＞3km；2、中小電容量試品試驗(yàn)接線，如1km左右電纜；3、小電容量試品(如幾十米～幾百米電纜)或較高電壓試品試驗(yàn)接線(如≥35kV電纜)。

五、結(jié)論

相對于傳統(tǒng)的工頻和調(diào)感式諧振(50Hz)試驗(yàn)方法，變頻諧振技術(shù)在XLPE電纜試驗(yàn)中的應(yīng)用才剛起步，借鑒國外成功的經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)專家們的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，相信它的應(yīng)用前景非常廣闊。