大容量高压电缆试验装置的设计与应用

张国飞 钟燕

摘要：交联聚乙烯电力电缆因其具有容量大、自重轻、易维护、电性优等特点，近年来被广泛应用到高压线路中。从应用效果来看，电缆终端头、中间接头是比较容易发生故障的位置，其中既有安装方面的原因，也和材料自身存在质量缺陷有关。由于高压电缆深埋于地下，发生故障时很难第一时间发现、维修，不仅造成电力能源的浪费，也带来较高的安全隐患。因此，对于新敷设的大容量高压电缆，必须开展交接试验，以验证其质量可靠性。在交接试验中，试验装置的设计、选型和应用是至关重要的因素。

关键词：大容量;高压电缆;试验装置

1 串联谐振的基本原理

在试验中，利用串联谐振装置将回路频率（f）调节至 时，即可在回路中产生谐振。根据电压谐振倍数的不同，试验装置的电压是励磁变高压端输出电压的几十甚至上百倍。基于这一原理，在开展高压电缆的耐压试验时，我们可以调节变频电源的输出频率，使其能够产生串联谐振;在得到回路谐振的情况下，再调节变频电源的输出电压，利用系统品质因数的倍数关系，从而在试验装置上得到符合耐压试验要求的高电压。

2 大容量高压电缆试验装置的设计

2.1 设备选型与参数设计

2.1.1 电缆耐压试验要求

完成高压电缆耐压试验，除了要满足高压条件外，像电流、容量、频率等参数，也要符合相关的试验标准。根据《GB50150-2016电气装置安装工程电气设备交接试验标准》（以下简称标准）中有关规定，试验中提供额定电压和持续时间应符合表1要求。

除此之外，考虑到电流热效应的影响，为保证试验安全，对不同电压等级下的电缆截面也有特殊要求。例如，本次试验选择110k V的额定电压，则对应的电缆最小截面积为3600mm2，电缆每公里电容量为0.296μF。

2.1.2 电抗器选型

根据《标准》中有关规定，在高压电缆耐压实验中，频率应控制在20-300Hz之间。根据谐振频率（f）计算公式可知，谐振频率与电容、电感乘积的平方根成反比。故试验回路中电容增大时，需要讓电感降低一定值，才能让f值维持在20-300Hz的区间内。

可得C=7.52H。即110k V高压电缆的耐压试验中，要想使回路谐振频率不低于30Hz，则回路内电感量应在7.52H以上。根据此参数选择对应的电抗器。

2.1.3 试验装置额定电流设计

高压电缆的耐压试验回路中，额定电流可按照公式I=UωC来计算。其中，110k V电缆耐压试验中提供电压值为128k V，装置电容参照上文结算结果，取0.296μF/km，按照回路频率为30Hz，可以计算出额定电流I为141.7A。故110k V的高压电缆耐压试验中，额定电流至少要达到141.7A。

2.1.4 试验装置容量设计

根据电缆损耗程度的不同，系统品质因数（Q）从几十倍到上百倍不等。对于新建的高压线路，电缆损耗较少，Q可取80。对于110k V的高压电缆交接试验，励磁变输出电压至少要达到1.8k V。同时，根据上文计算所得额定电流，试验回路中输出电流不应低于141.7A，则变频电源的最小容量为437.1k VA。

2.1.5 试验装置温升和局放水平要求

按照《标准》中有关规定，高压电缆耐压试验不得低于60min;如果需要完成三相试验，则最低时间不会低于180min。在长时间的高电压、高电流环境下，电缆及其相连的其他试验装置，都会有明显的发热、温升现象。除此之外，还要考虑到外部环境的影响，特别是在夏季高温，外界温度通常可以达到35℃以上，而电缆表面温度可以达到50℃甚至更高。

2.2 试验装置的结构组成

2.2.1 变频电源

本次试验中选用VF-3/500型变频电源，额定电压400V，输出频率30-300Hz。另外，该变频电源提供过电流保护装置，当回路中实时电流超过设定值时，过流保护装置动作，迅速切断电源，保护装置安全;具备过电压保护措施，保护精度可以达到1.5级;提供放电保护功能，在高压环境下，若试验装置发生高压击穿情况，迅速切断电源，保护其他设备的安全。

2.2.2 励磁变压器

本次试验中选用YD-500/3.3型油浸式励磁变压器，额定容量500k VA，额定电压500V，使用频率30-300Hz，额定容量下可支持连续运行时间达200min，绕组温升为70K。在变压器的低压侧设计为单绕组，在高压侧设计为等容量绕组，绕组支持串联、并联两种连接方式。在低压侧和高压侧的中间位置，采用静电屏蔽层将两者隔开，使其互不干扰。

2.3 试验装置的验收

按照上述要求准备好试验所需装置后，测试人员开始组装试验电路。考虑到本次试验至少要持续180min，温升情况会直接对试验结果和试验安全产生影响。因此，在装置验收时要首先进行温升试验。温升试验中，需要检测的主要装置有电抗器、励磁变压器、变频电源三处的温升情况。

2.3.1 电抗器的温升试验

要求将所有的电抗器，分别进行独立温升试验，保证每台电抗器的实际温升均在标准要求的70K以内。在提供额定电流（30A）的情况下，使该装置连续运行180min。控制环境温度维持在相对恒定的状态，使用仪器分别测量电抗器绕组在试验开始前的冷态电阻值（R1）和结束时热态电阻值（R2）。并按照热阻法计算出不同电阻下电抗器的温度。

在外部温度为11.1-12.8℃的试验环境下，试验开始前冷态电阻值最低为50.07Ω，试验结束时热态电阻值最高为61.35Ω。6台电抗器在试验中，2#设备的温升最小，为57.74K;3#设备的温升最大，为60.03K。而设计值70K>60.03K，故符合试验要求。

2.3.2 励磁变压器的温升试验

该温升试验中设定低压侧输入电流I0=1000A，持续运行时间为180min，使用万用电能表分别测量高、低压侧绕组的冷态电阻值和热态电阻值。根据测量结果，使用热阻法求出绕组温度，根据前后绕组的温度差，即可得出励磁变压器的温升情况。

参考文献

[1]吕涛，陈亚军，周俊，等.低净空高压线垂测精确定位方法和装置[J].工程建设与设计，2020（03）：76-77+86.