并联补偿+串联谐振技术在交流耐压中的应用探讨

刘秀雄 黎玉庭 段玉杰 黄梁英

摘要：初步探索并联补偿+串联谐振技术在交流耐压中的应用。

应用我们在日常电气试验中最常用的工频交流耐压方式，在大电容试品上并联上补偿电抗器，通过调节补偿电抗器的值，使电路中的容抗值稍大于感抗值，等效于一个小容抗值的试品，然后再用串联变频谐振方式进行升压，试验电源和试验设备在容量很小的状况下就能输入较高的交流电压，从而完成对高压及大电容试品的交流耐压试验。

关键词：大电容试品，容抗，感抗，并联补偿，串联谐振

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

在上世纪九十年代中期以后，国际上对于以交联聚乙烯为绝缘介质的中高压电力电缆，其主绝缘的耐压试验都要求进行交流耐压试验;由于电缆定义为容性试品，试验电压采用工频按原理上是不可能在作业现场完成的工作，因此，在施工作业现场的采用变频谐振的方式进行，目前国际上采用的“串联变频谐振交流耐压试验”设备，都是由变频电源、励磁变压器、电抗器、电容分压器四大部分组成，每一部分的特点都是重量重、体积大;根据被试品的电容量不同，每一部分的接线又有变化，整体接线也十分的复杂，同时为保证人员、设备及被试品安全，在试验前根据被试品情况进行计算及验算，要编写复杂的使用方案，在试验过程中，操作复杂，变数较多，一般频率在30～300Hz之间。

1目的和意义

电力电缆在国内以迅猛的势头在发展，电力电缆的绝缘介质也都是以交联聚乙烯为主，由于介质中受到电树枝的影响，在九十年代中后期，无论国家电网还是南方电网，都在试验规程中明确，不能对交联聚乙烯绝缘介质电缆施加直流高压方式进行耐压试验，必须采用交流耐压方式。众所周知，电力电缆是个大电容试品，如果施加交流，就会产生一个极大的电容电流，以一条1km长的YJLV22-8.7/15-3×300电缆计算为例，它的单相电容量是，如果要完成这条电缆的的工频交流耐压，所产生的电容电流：

也就是说，对一条在实际运行中等长度的中压电缆进行工频交流耐压试验，所需的容量就要在左右，如果是110kV以上的高壓电缆，试验所需的容量更大，这是一种不可能在作业现场进行的试验。

从上世纪九十年代开始，国际上对于容性设备的交流耐压试验，几乎全部采用变频谐振方式进行，原理是运用RLC串联电路中，当输入频率，例行电路中的，即容抗等于感抗时，线路产生谐振，电压产生一个Q倍的变化，从而在试验设备容量很小的情况下，完成高电压的发生，接线图如图1所示。

目前国际上对于超长电缆的交流耐压试验，一般都采用多个电抗器串并联，多台变频电源联机联动，多台励磁变串并联，场面之大，费用之高，都让施工单位难以承受。

对此，我们设想的课题是，找到一种新方法，即能保证试验所需的电源容量很小，所需的励磁变压器、变频电源容量也很小，接线操作相对简单，试验设备稳定可靠，试验方法及结果完全符合试验规程要求。2018年，我们采用过并联补偿方式，通过在容性试品上并联相应的感性电抗器，电路中的容抗值与感抗值接近，这种电路接线简单，试验设备也是常规设备，很容易实现，但在实际运用中，当试品电容量很小时，试验效果非常好，一旦试品电容量很大时，使用起来就很费劲。因此，我们设想一种方法，在容性被试品上并联上电抗器进行补偿，当感抗值小于并接近电路中的容抗值时，相当于一个等效小电容试品，再用串联变频谐振方式进行升压，这样，除了增加电抗器以外，利用原来的串联变频谐振设备就可以进行长距离电缆的试验。本项目是根据采用“并联补偿+串联谐振”方式，期望能给电缆及大电容设备的耐压试验提供一种全新思路。

2.项目研究内容、技术路线与实施方案

2.1主要技术内容

2.1.1 “并联补偿+串联谐振”耐压试验的理论研究

以我局电缆为应用对象，统计我局各等级电缆的长度和型号，估算电缆线路的电容量，在试验室用四个以上移相电容，形成模拟电缆， 应用班组现有的高压试验设备，形成耐压试验模型，收集参数。

在此基础上，进行交流高压发生部分的容量计算及选择，补偿电感所需的电感量、电流、电压计算及选择，以及补偿电容所需的电容量、电压计算及选择等，从而为装置的研发奠定理论基础。

2.1.2 装置的电路设计与结构设计

根据理论研究结果，进行装置的电路设计和结构设计。

主要包括：

（1）补偿电抗器

（2）串联变频谐振装置部分

（3）其他附件

2.1.3 实验室测试与现场测试

设备研制完毕后，需要首先在实验室工作室内运用模拟运行电缆试验台进行测试，根据不同长度的电缆组合模拟，验证设备的功能与性能是否符合设计要求。并且对不足之处总结，根据反馈结果进行修改补充，然后再次验证，直到达到设计要求。

然后选取现场具有典型代表的若干条线路，进行现场测试，查看系统在现场检测时的性能表现。

2.2主要技术难点

2.2.1电力电缆“并联补偿+串联谐振”耐压试验的理论研究

包括串联变频谐振频率、电流、容量计算及选择，补偿电感所需的电感量、电流、电压计算及选择。

2.2.2谐振频率的寻找及升压的方法

由于是在被试器上并联电感的方式，被试品电容量很大，在现有的串联变频谐振装置的主控机上操作寻找谐振频率时，如果采用自动寻找频率的操作方法，很容易造成电流过大，主机保护电路会动作自动断开，因此，对于现有的设备，只能在计算准确的基础上采用手动调节的方式进行寻找频率及升高电压。

2.3系统功能框图及系统原理图

2.4 试验方法和具体设备组成设计

2.4.1 系统功能框图及原理图的实现

以目前电网运行中的10kV电缆为应用对象，估算电缆线路的电容量，在试验室应用30kV等级的电容器，进行串并联，形成与运行电缆参数相一致的模拟电缆， 应用普通常用的工频交流耐压试验设备，形成“并联补偿+串联谐振” 耐压试验仪模型，收集数据。

在此基础上，首先使用“并联补偿+串联谐振”耐压试验电路，与现有的“串联变频谐振交流耐压试验”设备做对比，验证試验的可行性。

在单一可行性试验验证基础上，进行交流高压发生部分的容量计算及选择，补偿电感所需的电感量、电流、电压计算及选择，以及串联变频谐振电路部分的计算及选择等，从而为装置的研发奠定理论基础。

2.4.2 模拟试验和现场试验结合，补充完善设计，最终达到实现产品实用化。

设备样机研制完毕后，需要首先在实验室工作室内运用模拟运行电缆试验台进行测试，根据不同的电缆组合模拟，验证设备的功能与性能是否符合设计要求。并且对不足之处总结，根据反馈结果进行修改补充，然后再次验证，直到达到设计要求。

然后选取现场具有典型代表的若干条线路，进行现场测试，查看系统在现场检测时的性能表现，最终达到修改完善整个设备装置的目的

2.5 实施方案

2.5.1串联变频谐振耐压装置控制部分设计

设计小型、轻便的结构，包括反馈直读电压显示和输入电压电流显示，能微调输入的频率，带短路、过流保护功能。

2.5.2补偿电感的设计和制作

以常用的试品的常态值为依据，比如我们目前电网上10kV用得最多的是YJLV22-8.7/15-3×300的交联聚乙烯电缆，而它每千米的电容值为0.37微法，相对应的补偿电感值为27.4H，于是我们设计电电感每一个的参数为：电感值为28H以上，电压20kV，电流3A;重量约35kg。

2.6具体使用方式

以YJLV22-8.7/15-3×300的交联聚乙烯电缆为例，一般长度在2km以下时可以使用传统的电抗器串联谐振方式进行试验，如图1所示。

如果电缆长度超过2km，可以使用“并联补偿+串联谐振”耐压试验电路进行试验，如图3所示。

3 总结

通过以上工作，基本达到本项目研究的关键目标：

解决现有串联变频谐振交流耐压试验方法所使用的设备过行沉重的问题;

解决现有串联变频谐振交流耐压设备单台无法测试超长电缆的问题;

参考文献：

1. 刘刚.高压交联聚乙烯电缆试验及维护技术.北京：中国电力出版社，2012.
2. 江日洪.交联聚乙烯电力电缆线路. 北京：中国电力出版社，2008
3. GB50150-2006.电气装置安装工程电气设备交接试验标准 .北京：中华人民共和国建设部
4. 湖南省电力学校.发电厂变电所电气设备.北京：电力工业出版社，1979