基于变频串联谐振系统的谐振耐压试验

随着电网的改造和发展，聚乙烯电缆越来越广泛地用于变电站的35kV和10kV出线间隔中。但是电缆长度增加，工频耐压试验设备的容量满足不了现场的试验要求，直流耐压与电缆的运行工况有所差异，串联谐振设备由于电源容量小、耐压与运行工况相似等优点，越来越多地应用于电缆的交接耐压试验中，但串谐设备应用中存在的一些问题不容忽视。


一、现场交流耐压试验方法

交流耐压试验是电气设备交接试验中考察电气设备绝缘的最重要、最关键的一环，现场实际中应用最广泛也最经典的主要有以下两种交流耐压试验方法：

1  工频耐压试验

电气设备耐压试验时常表现为一种容性设备，容性设备的电容量较小时，工频耐压试验是最佳的耐压试验方法，工频耐压试验时的电压、波形、频率和被试电气设备内部绝缘的电压分布，均符合实际运行工况，因此能有效发现电气设备内部绝缘缺陷，是保证电气设备安全运行最为行之有效的方法之一。工频耐压设备一般较大，电压较高，耐压器一般处于空载运行状态，因此短路电流较小，能满足变电站内小电容量的被试设备的耐压要求。

2  谐振耐压试验

谐振耐压试验是近工频耐压试验，频率在30～300Hz范围内，耐压试验电气设备绝缘内部的电压分布和运行工况类似，在工频耐压器容量不够时代替工频耐压试验。谐振耐压试验分为工频谐振耐压和变频串联谐振耐压试验方法。工频谐振耐压试验主要为调节电感，但操作繁琐，不宜现场使用。变频谐振耐压试验有效地避免了以上两种耐压试验的缺点。另外变频谐振耐压试验还有以下优点：

2.1  装置体积较小，频率调节简单，所需电源容量大大减小。串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品电容谐振产生高电压和大电流的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q，Q为系统的品质因数，一般在20～30之间。

2.2  改善输出电压的波形。谐振电源是谐振式滤波电路，能改善输出电压的波形畸变，获得很好的正弦波形，有效地防止了谐波峰值对试品的误击穿。变频串联谐振耐压试验装置防止大的短路电流烧伤故障点。在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，电路立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q。而并联谐振或者试验变压器方式做耐压试验时，击穿电流立即上升几十倍，两者相比，短路电流与击穿电流相差数百倍，所以串联谐振能有效地找到绝缘弱点，又不存在大的短路电流烧伤故障点的忧患。

2.3  变频串联谐振耐压试验装置不会出现任何恢复过电压。试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭，不会出现任何恢复过电压。


二、变频串联谐振试验系统

变频串联谐振耐压试验装置由变频电源、励磁变压器、避雷器、高压电抗器和电容分压器组成，通过改变试验系统的电感量和试验频率，使回路处于谐振状态，此时电路阻抗Z（f0）=R为纯电阻，电压和电流同相。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，电源只提供回路中消耗的有功功率的能量。被试电气设备的电容量为C，电感为L，则谐振频率为：

VF：变频电源；T：励磁变压器；MOA：避雷器（与励磁变压器做成一体）；L：电抗器组合；CF：电容分压器；Cx：被试电气设备


三、案例详述及分析

某Ⅱ回电缆进线交接耐压试验，该间隔为两条并联使用的三芯电缆，截面积为300mm2，单根电缆长度为1.3km。两条电缆并联起来的电容量为：

单节电抗器的电感值为52.5H，额定容量为55kVA，额定电压为26kV。将电抗器两串四并后，考虑到电抗器之间的互感系数，则系统总电感值为：

根据频率式（1），有系统谐振时f0=41.5Hz。于是，一次电流I=2・π・f・C・U=6.7A，考虑到电抗器和励磁变的电阻损耗以及引线和其他电晕损耗，实际的一次电流达到8A。

电缆的A相耐压时，电抗器置于车厢的铁板上。电抗器两串四并，考虑到电抗器间的互感关系，两节串联电抗器的电感就增加了一倍多，每两件电抗器就形成了一个通电密绕螺旋管，虽然每两节电抗器距铁板大概有10cm的空气间隙，加上1cm的绝缘胶垫，构成了较大的空气漏磁通，但由于下面的地槽是铁板制成，铁的导磁率远大于空气，这样在铁板和电抗器间形成了一个较强的磁场，于是铁板上形成了较大的涡流，功率损耗就非常巨大。发现该问题后，把电抗器移到地面上做B、C相的试验，仪表盘上的功率损耗降为原来的1/2。这样大的功率损耗一方面使得变频串联谐振系统的品质因数大大降低；另一方面对该系统的长时间运行有着不可估量的损害。


四、结语

对于长距离大电容量的电缆交接耐压试验，工频耐压由于试验变压器容量太大，且电源容量也非常大，这在现场均难以满足或者非常不便，推荐使用变频串联谐振系统进行谐振耐压试验，但是试验方法不当造成的涡流损耗必须极为重视，否则，轻则造成能源不必要的浪费，重则影响到品质因数降低，试验电压达不到规定值，无法顺利地完成耐压试验。