并聯(lián)補(bǔ)償+串聯(lián)諧振技術(shù)在交流耐壓中的應(yīng)用探討

劉秀雄 黎玉庭 段玉杰 黃梁英

摘要：初步探索并聯(lián)補(bǔ)償+串聯(lián)諧振技術(shù)在交流耐壓中的應(yīng)用。

應(yīng)用我們?cè)谌粘ｋ姎庠囼?yàn)中最常用的工頻交流耐壓方式，在大電容試品上并聯(lián)上補(bǔ)償電抗器，通過調(diào)節(jié)補(bǔ)償電抗器的值，使電路中的容抗值稍大于感抗值，等效于一個(gè)小容抗值的試品，然后再用串聯(lián)變頻諧振方式進(jìn)行升壓，試驗(yàn)電源和試驗(yàn)設(shè)備在容量很小的狀況下就能輸入較高的交流電壓，從而完成對(duì)高壓及大電容試品的交流耐壓試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：大電容試品，容抗，感抗，并聯(lián)補(bǔ)償，串聯(lián)諧振

Discussion on Applications of Parallel Compensation Resonance and Series Resonance in AC Withstand Voltage

LIU Xiu-xiong， LI Yu-ting， DUAN Yu-jie，HUANG LiangYing

（Liuzhou Power Supply Bureau， Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Liuzhou 545005， China）

Abstract： The application of parallel compensation resonance and series resonance

was studied. We show that after connecting the compensation reactor in parallel to the large capacitance test product using AC withstand voltage， by adjusting the value of the compensation reactor and making the capacitive reactance value in the circuit slightly exceed the inductive reactance value， the large capacitance test product can be viewed as a device with a small capacitive reactance value. By using this method， higher AC voltage can be inputted under small capacity of test power supply and field equipment while using the series frequency conversion resonance method to boost voltage， which enables the AC voltage test for the high voltage and large capacitance to be successfully conducted.

Keywords： Large capacitance test sample， Capacitive reactance， Inductive reactance， Parallel compensation， Series resonance

0引言

在上世紀(jì)九十年代中期以后，國際上對(duì)于以交聯(lián)聚乙烯為絕緣介質(zhì)的中高壓電力電纜，其主絕緣的耐壓試驗(yàn)都要求進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn);由于電纜定義為容性試品，試驗(yàn)電壓采用工頻按原理上是不可能在作業(yè)現(xiàn)場完成的工作，因此，在施工作業(yè)現(xiàn)場的采用變頻諧振的方式進(jìn)行，目前國際上采用的“串聯(lián)變頻諧振交流耐壓試驗(yàn)”設(shè)備，都是由變頻電源、勵(lì)磁變壓器、電抗器、電容分壓器四大部分組成，每一部分的特點(diǎn)都是重量重、體積大;根據(jù)被試品的電容量不同，每一部分的接線又有變化，整體接線也十分的復(fù)雜，同時(shí)為保證人員、設(shè)備及被試品安全，在試驗(yàn)前根據(jù)被試品情況進(jìn)行計(jì)算及驗(yàn)算，要編寫復(fù)雜的使用方案，在試驗(yàn)過程中，操作復(fù)雜，變數(shù)較多，一般頻率在30～300Hz之間。

1目的和意義

電力電纜在國內(nèi)以迅猛的勢(shì)頭在發(fā)展，電力電纜的絕緣介質(zhì)也都是以交聯(lián)聚乙烯為主，由于介質(zhì)中受到電樹枝的影響，在九十年代中后期，無論國家電網(wǎng)還是南方電網(wǎng)，都在試驗(yàn)規(guī)程中明確，不能對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣介質(zhì)電纜施加直流高壓方式進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，必須采用交流耐壓方式。眾所周知，電力電纜是個(gè)大電容試品，如果施加交流，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極大的電容電流，以一條1km長的YJLV22-8.7/15-3×300電纜計(jì)算為例，它的單相電容量是，如果要完成這條電纜的的工頻交流耐壓，所產(chǎn)生的電容電流：

也就是說，對(duì)一條在實(shí)際運(yùn)行中等長度的中壓電纜進(jìn)行工頻交流耐壓試驗(yàn)，所需的容量就要在左右，如果是110kV以上的高壓電纜，試驗(yàn)所需的容量更大，這是一種不可能在作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行的試驗(yàn)。

從上世紀(jì)九十年代開始，國際上對(duì)于容性設(shè)備的交流耐壓試驗(yàn)，幾乎全部采用變頻諧振方式進(jìn)行，原理是運(yùn)用RLC串聯(lián)電路中，當(dāng)輸入頻率，例行電路中的，即容抗等于感抗時(shí)，線路產(chǎn)生諧振，電壓產(chǎn)生一個(gè)Q倍的變化，從而在試驗(yàn)設(shè)備容量很小的情況下，完成高電壓的發(fā)生，接線圖如圖1所示。

目前國際上對(duì)于超長電纜的交流耐壓試驗(yàn)，一般都采用多個(gè)電抗器串并聯(lián)，多臺(tái)變頻電源聯(lián)機(jī)聯(lián)動(dòng)，多臺(tái)勵(lì)磁變串并聯(lián)，場面之大，費(fèi)用之高，都讓施工單位難以承受。

對(duì)此，我們?cè)O(shè)想的課題是，找到一種新方法，即能保證試驗(yàn)所需的電源容量很小，所需的勵(lì)磁變壓器、變頻電源容量也很小，接線操作相對(duì)簡單，試驗(yàn)設(shè)備穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)方法及結(jié)果完全符合試驗(yàn)規(guī)程要求。2018年，我們采用過并聯(lián)補(bǔ)償方式，通過在容性試品上并聯(lián)相應(yīng)的感性電抗器，電路中的容抗值與感抗值接近，這種電路接線簡單，試驗(yàn)設(shè)備也是常規(guī)設(shè)備，很容易實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際運(yùn)用中，當(dāng)試品電容量很小時(shí)，試驗(yàn)效果非常好，一旦試品電容量很大時(shí)，使用起來就很費(fèi)勁。因此，我們?cè)O(shè)想一種方法，在容性被試品上并聯(lián)上電抗器進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)感抗值小于并接近電路中的容抗值時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)等效小電容試品，再用串聯(lián)變頻諧振方式進(jìn)行升壓，這樣，除了增加電抗器以外，利用原來的串聯(lián)變頻諧振設(shè)備就可以進(jìn)行長距離電纜的試驗(yàn)。本項(xiàng)目是根據(jù)采用“并聯(lián)補(bǔ)償+串聯(lián)諧振”方式，期望能給電纜及大電容設(shè)備的耐壓試驗(yàn)提供一種全新思路。

2.項(xiàng)目研究內(nèi)容、技術(shù)路線與實(shí)施方案

2.1主要技術(shù)內(nèi)容

2.1.1 “并聯(lián)補(bǔ)償+串聯(lián)諧振”耐壓試驗(yàn)的理論研究

以我局電纜為應(yīng)用對(duì)象，統(tǒng)計(jì)我局各等級(jí)電纜的長度和型號(hào)，估算電纜線路的電容量，在試驗(yàn)室用四個(gè)以上移相電容，形成模擬電纜， 應(yīng)用班組現(xiàn)有的高壓試驗(yàn)設(shè)備，形成耐壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，收集參?shù)。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行交流高壓發(fā)生部分的容量計(jì)算及選擇，補(bǔ)償電感所需的電感量、電流、電壓計(jì)算及選擇，以及補(bǔ)償電容所需的電容量、電壓計(jì)算及選擇等，從而為裝置的研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

2.1.2 裝置的電路設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)理論研究結(jié)果，進(jìn)行裝置的電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

主要包括：

（1）補(bǔ)償電抗器

（2）串聯(lián)變頻諧振裝置部分

（3）其他附件

2.1.3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與現(xiàn)場測(cè)試

設(shè)備研制完畢后，需要首先在實(shí)驗(yàn)室工作室內(nèi)運(yùn)用模擬運(yùn)行電纜試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)不同長度的電纜組合模擬，驗(yàn)證設(shè)備的功能與性能是否符合設(shè)計(jì)要求。并且對(duì)不足之處總結(jié)，根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行修改補(bǔ)充，然后再次驗(yàn)證，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

然后選取現(xiàn)場具有典型代表的若干條線路，進(jìn)行現(xiàn)場測(cè)試，查看系統(tǒng)在現(xiàn)場檢測(cè)時(shí)的性能表現(xiàn)。

2.2主要技術(shù)難點(diǎn)

2.2.1電力電纜“并聯(lián)補(bǔ)償+串聯(lián)諧振”耐壓試驗(yàn)的理論研究

包括串聯(lián)變頻諧振頻率、電流、容量計(jì)算及選擇，補(bǔ)償電感所需的電感量、電流、電壓計(jì)算及選擇。

2.2.2諧振頻率的尋找及升壓的方法

由于是在被試器上并聯(lián)電感的方式，被試品電容量很大，在現(xiàn)有的串聯(lián)變頻諧振裝置的主控機(jī)上操作尋找諧振頻率時(shí)，如果采用自動(dòng)尋找頻率的操作方法，很容易造成電流過大，主機(jī)保護(hù)電路會(huì)動(dòng)作自動(dòng)斷開，因此，對(duì)于現(xiàn)有的設(shè)備，只能在計(jì)算準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上采用手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行尋找頻率及升高電壓。

2.3系統(tǒng)功能框圖及系統(tǒng)原理圖

2.4 試驗(yàn)方法和具體設(shè)備組成設(shè)計(jì)

2.4.1 系統(tǒng)功能框圖及原理圖的實(shí)現(xiàn)

以目前電網(wǎng)運(yùn)行中的10kV電纜為應(yīng)用對(duì)象，估算電纜線路的電容量，在試驗(yàn)室應(yīng)用30kV等級(jí)的電容器，進(jìn)行串并聯(lián)，形成與運(yùn)行電纜參數(shù)相一致的模擬電纜， 應(yīng)用普通常用的工頻交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備，形成“并聯(lián)補(bǔ)償+串聯(lián)諧振” 耐壓試驗(yàn)儀模型，收集數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，首先使用“并聯(lián)補(bǔ)償+串聯(lián)諧振”耐壓試驗(yàn)電路，與現(xiàn)有的“串聯(lián)變頻諧振交流耐壓試驗(yàn)”設(shè)備做對(duì)比，驗(yàn)證試驗(yàn)的可行性。

在單一可行性試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，進(jìn)行交流高壓發(fā)生部分的容量計(jì)算及選擇，補(bǔ)償電感所需的電感量、電流、電壓計(jì)算及選擇，以及串聯(lián)變頻諧振電路部分的計(jì)算及選擇等，從而為裝置的研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

2.4.2 模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)合，補(bǔ)充完善設(shè)計(jì)，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)用化。

設(shè)備樣機(jī)研制完畢后，需要首先在實(shí)驗(yàn)室工作室內(nèi)運(yùn)用模擬運(yùn)行電纜試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)不同的電纜組合模擬，驗(yàn)證設(shè)備的功能與性能是否符合設(shè)計(jì)要求。并且對(duì)不足之處總結(jié)，根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行修改補(bǔ)充，然后再次驗(yàn)證，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

然后選取現(xiàn)場具有典型代表的若干條線路，進(jìn)行現(xiàn)場測(cè)試，查看系統(tǒng)在現(xiàn)場檢測(cè)時(shí)的性能表現(xiàn)，最終達(dá)到修改完善整個(gè)設(shè)備裝置的目的

2.5 實(shí)施方案

2.5.1串聯(lián)變頻諧振耐壓裝置控制部分設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)小型、輕便的結(jié)構(gòu)，包括反饋直讀電壓顯示和輸入電壓電流顯示，能微調(diào)輸入的頻率，帶短路、過流保護(hù)功能。

2.5.2補(bǔ)償電感的設(shè)計(jì)和制作

以常用的試品的常態(tài)值為依據(jù)，比如我們目前電網(wǎng)上10kV用得最多的是YJLV22-8.7/15-3×300的交聯(lián)聚乙烯電纜，而它每千米的電容值為0.37微法，相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電感值為27.4H，于是我們?cè)O(shè)計(jì)電電感每一個(gè)的參數(shù)為：電感值為28H以上，電壓20kV，電流3A;重量約35kg。

2.6具體使用方式

以YJLV22-8.7/15-3×300的交聯(lián)聚乙烯電纜為例，一般長度在2km以下時(shí)可以使用傳統(tǒng)的電抗器串聯(lián)諧振方式進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示。

如果電纜長度超過2km，可以使用“并聯(lián)補(bǔ)償+串聯(lián)諧振”耐壓試驗(yàn)電路進(jìn)行試驗(yàn)，如圖3所示。

3 總結(jié)

通過以上工作，基本達(dá)到本項(xiàng)目研究的關(guān)鍵目標(biāo)：

解決現(xiàn)有串聯(lián)變頻諧振交流耐壓試驗(yàn)方法所使用的設(shè)備過行沉重的問題;

解決現(xiàn)有串聯(lián)變頻諧振交流耐壓設(shè)備單臺(tái)無法測(cè)試超長電纜的問題;

參考文獻(xiàn)：

1. 劉剛.高壓交聯(lián)聚乙烯電纜試驗(yàn)及維護(hù)技術(shù).北京：中國電力出版社，2012.
2. 江日洪.交聯(lián)聚乙烯電力電纜線路. 北京：中國電力出版社，2008
3. GB50150-2006.電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) .北京：中華人民共和國建設(shè)部
4. 湖南省電力學(xué)校.發(fā)電廠變電所電氣設(shè)備.北京：電力工業(yè)出版社，1979