串聯(lián)諧振交流耐壓.ppt

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串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)裝置分析與應(yīng)用 程柏超2009年4月 1前言 在供配電系統(tǒng)調(diào)試中 要對(duì)交聯(lián)聚乙烯電力電纜 XLPE 高壓開(kāi)關(guān)柜 GIS 高壓電動(dòng)機(jī) 大型發(fā)電機(jī)組 大型電力變壓器 互感器等高電壓 大容量的電力設(shè)備進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn) 絕緣耐壓試驗(yàn)分為直流耐壓試驗(yàn)和交流耐壓試驗(yàn)兩種 過(guò)去在進(jìn)行電纜耐壓試驗(yàn)時(shí)都采用直流耐壓試驗(yàn) 在1980年左右 國(guó)外電力部門發(fā)現(xiàn)直流耐壓試驗(yàn)對(duì)橡塑絕緣是無(wú)效的且具有危害性 我國(guó)在九十年代開(kāi)始研究和實(shí)踐交流耐壓試驗(yàn)技術(shù) 經(jīng)過(guò)20多年的研究和實(shí)踐 世界各國(guó)紛紛采用交流耐壓試驗(yàn)代替直流耐壓試驗(yàn) 國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)也對(duì)于高壓交聯(lián)電纜的試驗(yàn)方法作出了更改和修訂 1997年國(guó)際大電網(wǎng)工作會(huì)議 CIGRI 對(duì)目前采用的直流耐壓試驗(yàn)方法提出疑議 并推薦使用工頻及近似工頻 30 300Hz 的交流試驗(yàn)方法 在全世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用 我國(guó)的 電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) GB50150 2006已經(jīng)頒布 于2006年11月1日起強(qiáng)制執(zhí)行 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定35kV及以上橡塑絕緣電纜優(yōu)先采用交流耐壓試驗(yàn) 交流耐壓試驗(yàn)取代傳統(tǒng)直流耐壓試驗(yàn)已是大勢(shì)所趨 2直流耐壓試驗(yàn)的問(wèn)題 由于電纜線路的電容很大 若采用工頻電壓試驗(yàn) 必須有大容量的工頻試驗(yàn)變壓器 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn) 所以傳統(tǒng)的耐壓試驗(yàn)方法采用直流耐壓試驗(yàn) 因?yàn)殡娎|的直流絕緣電阻很大 一般在10G 以上 所以在做直流耐壓試驗(yàn)時(shí)充電電流極小 具有試驗(yàn)設(shè)備容量小 重量輕 可移動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn) 但直流耐壓試驗(yàn)方法對(duì)于XLPE交聯(lián)電纜 無(wú)論從理論還是實(shí)踐上卻存在著很多缺點(diǎn) 主要體現(xiàn)在 1 高壓試驗(yàn)技術(shù)的一個(gè)通用原則 試品上所施加的試驗(yàn)電壓場(chǎng)強(qiáng)必須模擬高壓電器的運(yùn)行工況 直流電壓下 電纜絕緣的電場(chǎng)分布取決于材料的體積電阻率 而交流電壓下的電場(chǎng)分布取決于各介質(zhì)的介電常數(shù) 特別是在電纜終端頭 接頭盒等電纜附件中的直流電場(chǎng)強(qiáng)度的分布和交流電場(chǎng)強(qiáng)度的分布完全不同 而且直流電壓下絕緣老化的機(jī)理和交流電壓下的老化機(jī)理不相同 因此 直流耐壓試驗(yàn)不能模擬交聯(lián)電纜的運(yùn)行工況 2 交聯(lián)電纜在直流電壓下會(huì)產(chǎn)生 記憶 效應(yīng) 存儲(chǔ)積累單極性殘余電荷 一旦有了由于直流耐壓試驗(yàn)引起的 記憶性 需要很長(zhǎng)時(shí)間才能將這種直流偏壓釋放 電纜如果在直流殘余電荷未完全釋放之前投入運(yùn)行 直流偏壓便會(huì)疊加在工頻電壓峰值上 使得電纜上的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其額定電壓 從而有可能導(dǎo)致電纜絕緣擊穿 3 直流耐壓試驗(yàn)時(shí) 會(huì)有電子注入到聚合物介質(zhì)內(nèi)部 形成空間電荷 使該處的電場(chǎng)強(qiáng)度降低 從而難于發(fā)生擊穿 由于振蕩電壓極性迅速改變?yōu)楫悩O性 使該處電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增大 可能損壞絕緣 造成多點(diǎn)擊穿 損壞電纜 直流耐壓試驗(yàn)時(shí)所形成的空間電荷可導(dǎo)致電纜投運(yùn)時(shí)發(fā)生擊穿或沿面滑閃 4 交聯(lián)電纜的一個(gè)致命弱點(diǎn)是絕緣內(nèi)易產(chǎn)生水樹(shù)枝 一旦產(chǎn)生水樹(shù)枝 在直流電壓下會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌?shù)枝 并形成放電 加速了絕緣劣化 以致于運(yùn)行后在工頻電壓作用下形成擊穿 而單純的水樹(shù)枝在交流工作電壓下還能保持相當(dāng)?shù)哪蛪褐?并能保持一段時(shí)間 實(shí)踐也表明 直流耐壓試驗(yàn)不但不能有效發(fā)現(xiàn)交流電壓作用下的某些缺陷 而且會(huì)損害電纜 給電纜的安全運(yùn)行帶來(lái)危險(xiǎn) 如在電纜附件內(nèi) 絕緣若有機(jī)械損傷或應(yīng)力錐放錯(cuò)等缺陷 在交流電壓下絕緣最易發(fā)生擊穿的地點(diǎn) 在直流電壓下往往不能擊穿 直流電壓下絕緣擊穿處往往發(fā)生在交流工作條件下絕緣平時(shí)不發(fā)生擊穿的地點(diǎn) 這一點(diǎn)也得到了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的證明 一些電纜在交接試驗(yàn)中按照GB50150 91標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)順利通過(guò) 但投運(yùn)不久就發(fā)生絕緣擊穿事故 正常運(yùn)行的電纜被直流耐壓試驗(yàn)損壞的情況也時(shí)有發(fā)生 3幾種主要的交流耐壓試驗(yàn)方法 既然直流耐壓試驗(yàn)不能模擬交聯(lián)電纜的運(yùn)行場(chǎng)強(qiáng)狀態(tài) 不能達(dá)到我們所期望的檢驗(yàn)效果 自然就應(yīng)該轉(zhuǎn)向用交流耐壓試驗(yàn)來(lái)考核交聯(lián)電纜的絕緣狀況 但是采用工頻或接近工頻的交流電壓試驗(yàn)作為擠包絕緣電纜線路竣工試驗(yàn)存在的最大困難是長(zhǎng)線路需要很大容量的試驗(yàn)設(shè)備 目前存在以下幾種交流耐壓試驗(yàn)方法 1 帶補(bǔ)償電抗器的傳統(tǒng)試驗(yàn)變壓器 由于電纜的容量很大 電壓很高 傳統(tǒng)的試驗(yàn)變壓器無(wú)論是從絕緣 體積 重量 容量等各個(gè)方面已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的要求 所以電纜試驗(yàn)極少采用變壓器試驗(yàn) 2 振蕩電壓試驗(yàn) 振蕩電壓試驗(yàn)是用直流電源給電纜充電 當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)電壓后使放電間隙擊穿而通過(guò)電感線圈放電 對(duì)電纜施加一定電壓幅值 頻率為kHz級(jí)的衰減振蕩波電壓作為擠包絕緣電纜線路的竣工試驗(yàn)方法的另一種途徑 此種方法比直流耐壓試驗(yàn)方法有效 但與工頻電壓試驗(yàn)相比 其檢查電纜主絕緣和附件缺陷的效果仍不理想 3 超低頻0 1Hz耐壓試驗(yàn) 0 1Hz耐壓試驗(yàn)的等效性還有待于進(jìn)一步研究 其檢測(cè)絕緣缺陷的效果在世界范圍內(nèi)受到普遍懷疑 目前的研究結(jié)果是0 1Hz對(duì)絕緣損傷的擊穿電壓 其數(shù)值在1 2 2 6倍工頻擊穿電壓下變化 試驗(yàn)的一致性方面有較大的不足 目前 此種方法主要應(yīng)用于中低壓電纜的試驗(yàn) 且試驗(yàn)條件的真實(shí)性不如近工頻交流電壓 30 300Hz 由于電壓等級(jí)偏低 還不能用于110kV及以上的高壓電纜試驗(yàn) 從國(guó)外的應(yīng)用方面看 目前國(guó)外0 1Hz的發(fā)展方向是在線絕緣監(jiān)測(cè)和故障定位 而變頻諧振方式用于耐壓試驗(yàn) 其試驗(yàn)的等效性非常好 從國(guó)外的發(fā)展來(lái)看 也是推薦用變頻諧振方式進(jìn)行耐壓試驗(yàn) 4 串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn) 串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備通過(guò)與被試品 等效電容 形成串聯(lián)諧振回路 從而得到一定頻率的正弦波交流電壓 由于試驗(yàn)設(shè)備的品質(zhì)因素較高 通常所需的工作電源容量?jī)H為試驗(yàn)容量的幾十分之一 對(duì)于串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備而言 其系統(tǒng)要滿足不同電壓等級(jí)和不同電容量的試品在一定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn) 可通過(guò)改變頻率或電感量來(lái)滿足諧振的條件 f 1 2 4變頻串聯(lián)諧振交流耐壓技術(shù)的原理 變頻串聯(lián)諧振的等效性經(jīng)國(guó)內(nèi)外研究已經(jīng)得到了普遍的認(rèn)可 并得到了廣泛的推廣應(yīng)用 變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)方法是通過(guò)改變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)頻率 范圍30 300Hz 使回路處于諧振狀態(tài) 這樣試驗(yàn)回路中試品上的大部分容性電流與電抗器上的感性電流相抵消 電源供給的能量?jī)H為回路中消耗的有功功率 為試品容量的1 Q Q為系統(tǒng)的電壓諧振倍數(shù) 因此試驗(yàn)電源的容量大為降低 重量大大減輕 系統(tǒng)由變頻電源 勵(lì)磁變壓器 諧振電抗器 分壓器及試品 有時(shí)需補(bǔ)償電容器 組成 我們已知 在回路頻率f 1 2 LC時(shí) 回路產(chǎn)生諧振 此時(shí)試品上的電壓是勵(lì)磁變高壓端輸出電壓的Q倍 Q為系統(tǒng)品質(zhì)因素 即電壓諧振倍數(shù) 一般為幾十到一百以上 先通過(guò)調(diào)節(jié)變頻電源的輸出頻率使回路發(fā)生串聯(lián)諧振 再在回路諧振的條件下調(diào)節(jié)變頻電源輸出電壓使試品電壓達(dá)到試驗(yàn)值 由于回路的諧振 變頻電源較小的輸出電壓就可在試品CX上產(chǎn)生較高的試驗(yàn)電壓 原理圖及理論公式如下 圖1中 L為諧振電抗器 CX為被試品 U為勵(lì)磁變輸出電壓 當(dāng)串聯(lián)諧振時(shí) 即頻率為 該頻率可通過(guò)調(diào)節(jié)變頻電源得到 時(shí) 回路呈諧振狀態(tài) 此時(shí) Q為品質(zhì)因數(shù) 即被試品上獲得的電壓為勵(lì)磁電壓的Q倍 利用額定電壓較低的試驗(yàn)變壓器 可以獲得較高的輸出電壓 此電路形成一個(gè)良好的濾波電路 故輸出電壓UCX為良好的正弦波 當(dāng)試品擊穿 失去諧振 高 低壓電流自動(dòng)減小 不會(huì)擴(kuò)大被試品的故障點(diǎn) 5應(yīng)用實(shí)例及分析 1 實(shí)例1 35kV電纜試驗(yàn) 已知電纜規(guī)格為26 35kV 300mm2 電纜長(zhǎng)度為1 8km 電抗器型號(hào)為HDSR f L18 36 電抗器額定電壓18kV 額定電流2A 額定帶載0 55 F 額定電感量45H 共6只 試驗(yàn)步驟如下 1 用交流電容表測(cè)出電纜電容量 或者查表 見(jiàn)表1表2 得知該電纜電容量 經(jīng)查表得C 0 19 F km 則Cx 1 8 0 19 0 342 F 2 確定串聯(lián)電抗器數(shù) 2006版國(guó)標(biāo)規(guī)定 35kV電纜試驗(yàn)電壓UC 2U0 2 26 52kV 每節(jié)電抗器額定電壓18kV 18kV 3 54kV 52kV 所以必須3個(gè)電抗器串聯(lián) 3 帶載率核算 HDSR f L18 36 帶載為0 55 F最大電流2A 三個(gè)串聯(lián)使用時(shí)0 55 3 0 183 F 0 342 F 故需三個(gè)串聯(lián)后再并聯(lián) 則 0 183 2 0 366 F 0 342 F 接線方法如圖2所示 4 核算試驗(yàn)頻率 2 實(shí)例2 35kV主變耐壓 已知Cx 6 165nF UC 72kV Cb 9nF 電抗器型號(hào)為HDSR f L18 07 電抗器額定電壓18kV 額定電流0 4A 額定帶載0 079 F 額定電感量160H 共6只 解 1 因?yàn)長(zhǎng)e 160H L Le 需10個(gè)Le串聯(lián) 不滿足要求 故試驗(yàn)回路中需增加補(bǔ)償電容Cb 增加補(bǔ)償電容Cb后回路電感L諧為 662H Le 662H 160H 4 因此加補(bǔ)償電容Cb后將4個(gè)額定電感Le串聯(lián)即可 接線方法如圖3所示 2 試驗(yàn)電壓 UC 72kV UC Ue 72 18 4 因此4個(gè)額定電感Le串聯(lián)可滿足試驗(yàn)電壓 3 帶載率核算 4個(gè)串聯(lián) 0 079 4 0 01975 F 19 75nF 6 615nF 故可采用 4 頻率核算 試驗(yàn)頻率符合2006版國(guó)標(biāo)規(guī)定的40 60Hz范圍內(nèi) 6結(jié)束語(yǔ) 串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)裝置的應(yīng)用是一個(gè)全新的技術(shù)要掌握其應(yīng)用方法必須首先懂得串聯(lián)諧振的理論知識(shí)及計(jì)算公式 才能使電壓 電容 電感 頻率等參數(shù)匹配 以便針對(duì)不同電壓等級(jí) 不同被試設(shè)備設(shè)計(jì)出合理的試驗(yàn)連接方法 其次 在應(yīng)用串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)裝置的過(guò)程中 必須掌握一些要領(lǐng) 比如 不同型號(hào)電抗器不能混用 多個(gè)電抗器串聯(lián)時(shí) 相關(guān)電抗器底部必須加足夠達(dá)到絕緣標(biāo)準(zhǔn)的專用絕緣底座 電抗器使用時(shí) 應(yīng)移除其周圍的金屬物體 并應(yīng)絕對(duì)避免直接將電抗器放置在鋼板 銅板等較大面積金屬導(dǎo)體上使用 否則因渦流引起的發(fā)熱將導(dǎo)致系統(tǒng)有功輸入增加 甚至使試驗(yàn)電壓達(dá)不到預(yù)期試驗(yàn)值 另外 還需重點(diǎn)注意的就是機(jī)箱 勵(lì)磁變壓器 補(bǔ)償電容器 分壓器 被試物等的可靠接地 最后 安全距離 安全監(jiān)護(hù)等也是應(yīng)該引起第一重視的