串联谐振试验系统在电缆耐压试验中的应用方雷

串联谐振试验系统在电缆耐压试验中的应用方雷

方雷

（青海省西宁市西宁供电公司检修公司青海西宁810001）

摘要：常见的工频耐压设备大致可分为两类：传统的升压变压器系统和串联谐振系统。本文比较了这两类设备使用特点，主要介绍了串联谐振系统工频耐压设备原理、结构和使用特点。提出了该系统对高电压、大截面和大长度电缆的进行工频耐压试验与传统的升压器试验系统相比，具有众多优点。

关键词：电力电缆；工频耐压试验；串联谐振系统；升压变压器系统

1引言

随着国民经济的迅速发展，人民生活水平的提高，各行各业对电力供应的要求越来越高，我国现有的供电网络已无法适应目前形势，为了改善我国电力供应系统的落后状况，国家已下大力气进行城网和农网的改造，投资近2000亿元，这无疑为电缆厂生产和发展提供了良好的机遇，而电缆的质量，则成为电缆厂立足市场的必要条件。有关电缆生产的国家标准中明确规定：工频耐压试验是电缆出厂试验项目之一，电缆的绝缘性能将在试验中得到全面的验证。因此，工频耐压试验设备是电气试验必备的检验设备。

2两种耐压设备的比较

常见的工频耐压设备大致可分为两类：其一是普通的升压变压器系统；其二是串联谐振试验系统。这两种试验系统各有长短，互为补充，用户可根据自身试品的试验要求进行选择。普通的升压变压器试验系统由调压器、升压变压器、分压器和控制台组成，其电路原理图如图1所示。

图1普通升压变压器原理

升压变压器系统工作原理是：由调压器输出一个可变电压供给升压变压器，由升压变压器将电压升至电缆试验所需要的电压值。

由于电缆是一个电容性负载，升压变压器输出到电缆上的工频电压将会有容升效应，容升的大小与电缆电容量大小及升压变压器和电缆电容的谐振有关，通常容升可能会超过20%一30%。因此，需要在升压变压器的输出端并联一个分压器，以准确测量电缆上的试验电压，防止电缆上电压过高而损坏电缆的绝缘。这种试验系统的优点是线路简单，操作方便，并可对有绝缘缺陷的电缆进行加压燃烧，以发现故障点。缺点是系统体积大，输出功率与输入功率相同，耗电大，试品击穿时升压变压器的高压输出直接对地放电，容易造成地电位升高，设备损坏，威胁人身安全。而且，由于电缆燃烧的程度较难把握，常常会出现几层电缆全被烧毁的情况，造成不必要的损失。

由于电力发展的需要，电力公司使用的电缆，电压等级越来越高，截面积越来越大，长度越来越长，因此，耐压试验设备的容量也随之越来越大。通常的升压变压器试验系统由于自身的缺陷，已无法满足电缆耐压试验的要求。尤其是随着两网改造的深人，对架空绝缘导线和高压交联电缆的需求日益增大，使更为先进、经济的串联谐振式工频耐压试验系统逐渐被人们所接受。

3串联谐振试验系统工作原理

3.1系统简介

该试验系统是利用在工作频率下电抗器的感抗和电缆电容的容抗产生谐振的原理来产生高电压的。典型的谐振试验系统的简化线路如图2a所示，可调自藕变压器T1为励磁变压器T2提供一个可变的工作电压，T2供给谐振回路功率，并将试品回路与电源回路隔开，电容器C代表试品电容及其它并联电容，例如电压分压器电容、套管电容等等。电感L代表可变电抗器，其电感量L调节至抵消电容C的容抗时，回路将达到谐振状态。图2b所示的是谐振系统的等效电路，假定励磁变压器无损耗，它的漏感集中到电抗器L的电感内，系统的总损耗用串联电阻R表示，则可得

Uc=jXcU/[R+j（XL-Xc）]

式中：Uc为电容电压；U为励磁变压器输出电压；XL为电抗器的感抗；Xc为系统容抗；R为系统总损耗。

在谐振状态下

XL=Xc

Xc=-jXLU/R

UC=QU

Q=1/RC

对于高质量电容性负载，典型系统的Q值在50—80之间。在谐振状态下，谐振回路中的电流I与励磁变压器电压U同相。因此输入功率为纯有功功率P，即cosΦ=1，P=UIcosΦ=UI。

因此，馈电回路元件，如断路器、调压器、接触器等的额定容量降到了所需无功功率的1/Q，大大降低了对供电系统的要求。

式中，时间t是从电弧熄灭瞬间算起。指数ωt/2Q可以用闪络后的周波数N这一变量改写成：

ωt/2Q=Nπ/Q

当Nπ/Q或者当N≈Q时，电压Uc（t）将恢复到原值的96%，因此，经一次闪络后大约需Q个周波，电源才能将负载电容充电到全电压。通常，试验装置的过载保护在远未达到这个数值之前便已动作了。

3.4串联谐振试验系统的调谐

通过调节电抗器铁芯气隙，使电抗器的电感量连续地从铁芯完全闭合时的最大值改变到铁芯完全打开时的最小值，当电抗器感抗与回路容抗相等时，系统达到谐振。此时ωC=1/ωL。

4串联谐振试验系统的特点

串联谐振工频耐压试验系统，在高电压、大截面、长电缆的耐压试验方面与普通的升压变压器试验系统相比，具有以下显著的优点：

（1）串联谐振试验系统中，所需电源容量远小于被试品的试验容量。由前面的分析可看出，前者是后者的1/Q。通常，设备制造厂设计的Q值均在40以上，也就是说，假若电缆试验需要800kVA的输出功率，但所需输入的电源功率却只要20kVA即可，从而大大降低了对工厂供电系统的要求。

（2）输出电流波形好。试验回路仅对工作频率（即基波）的电流是零电抗回路，而对其它谐波的电流是高电抗回路。所以，输出电流的波形基本上是正弦波。

（3）自保护性能好。当串联谐振回路达到ωC=1/ωL的条件时，系统才有高压输出，而被试电缆一旦发生击穿，相当于电容被短路，回路失谐，高压立即降落，电抗器的电抗限制短路电流，保护试验装置不会遭受过电压及大电流的冲击。所以在串联谐振试验装置中，不需要加球隙或电阻保护，也不需要其它保护方式来保护。

（4）由于串联谐振试验系统内各线路元件均可按输出功率的1/Q设计，使设备总造价并不比普通升压变压器系统高，同时还大大减小了试验设备所占用的场地空间。

串联谐振试验系统也有其本身的缺陷。由于整个试验系统的Q值不仅取决于设备本身值，还受试品Q值的影响，因此，对低电压，小负荷及绝缘性能较差的电缆试品，一般不宜采用串联谐振试验设备进行耐压试验。

5结束语

总之，上述两种试验系统，各有优势，普通升压变压器试验系统，适合小容量的电缆试验，而串联谐振系统适合高电压、大容量电缆试验。试验人员可根据自身试品需要，选择不同的试验设备。

参考文献：

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[3]黄志浩.变频谐振耐压装置的动态试验容量计算[J]广东电力，2010（12）.