浅析变频串联谐振耐压试验的应用
随着电网容量的逐渐扩大,对电力设备进行工频耐压试验所需的试验容量也越来越大。长期以来,我们对于交联聚乙烯电力电缆(简称交联电缆或XLPE电缆)、交流电力电容器现场安装后的交接试验都以简单易行的直流耐压试验作为考核主绝缘性能的检验手段。国内外的研究结果表明:对交联电缆的现场交接耐压试验,比如仍然采用直流耐压试验,对设备的绝缘状况的判断缺乏指导性,易引起设备本身的损坏;如采用工频耐压,试验设备的容量不易解决,因此,采用变频谐振方法是一种有效的方法。
1、对高压电器进行交流耐压试验的必要性
1.1 直流耐压试验不能反映设备实际工况下的电场分布
直流耐压试验不能反映设备实际工况下的电场分布,难以正确发现高压电器设备的内部缺陷。直流电压下,电器元件上的电压按电阻分布;交流电压下,电器元件上的电压则是按介电常数分布,它反映实际运行的情况。例如,对于交联电缆、全膜或纸膜电容器,其固体介质的电阻率可高达1～100EΩ•m,当某电容元件的绝缘薄膜绝缘不良时,其电阻率可大幅度下降,只有原电阻率的几分之一。做直流耐压时,电阻率高、绝缘良好的电容元件可承受的电压较不良电容元件高出几倍,使绝缘不良的电容元件反而更容易通过试验,但在运行电压下,其绝缘缺陷便会暴露出来,诱发故障。
1.2 直流电压可使高压电器内部的局部放电减弱
直流电压可使高压电器内部的局部放电大为减弱,不利于绝缘缺陷的检出。高压电器内部的某些绝缘弱点或极板边缘电场集中的部位均可能产生局部放电,持续的局部放电对绝缘是有害的。
因高压电器绝缘的多样性,在导体和绝缘介质之间往往存在多种绝缘介质,而每种介质的场强分布不同,加压时,场强较高的介质会先发生局部放电。但是同样的复合绝缘,在直流电压作用下,局部放电则会大大减弱。气隙发生局部放电后产生的正、负离子形成反向电场强度E′,使气隙中的合成场强下降,使局部放电削弱甚至熄灭。而交流电压则不然,只要外加试验电压高于局部放电起始电压,每半周内至少会发生两次局部放电。因此交流耐压试验检出的绝缘缺陷远比直流耐压敏感。
1.3 工频交流耐压试验反映实际运行电压波形工频交流耐压试验符合运行电压的实际波形,与运行中出现的工频暂态电压升高的情况较为符合,不存在等价性问题。
综上所述,施加交流耐压才能真实地考核高压电器的制造质量,才能有效地检出因各种因素造成的绝缘缺陷。
2、变频串联谐振耐压试验的原理和应用
2.1 变频串联谐振装置耐压试验原理
变频串联谐振装置是运用串联谐振的原理,利用励磁变压器激发串联谐振回路,通过调节变频电源的输出频率,使得回路中的电抗器L的电感L和试品电容器C的电容C发生谐振,最后通过调节励磁的输出电压,使谐振电压达到所要求的试验电压。变频谐振试验装置广泛应用于XLPE电缆、气体绝缘组合电器(GIS)、大型发电机组、大型电力变压器、电力电容器等高电压、大容量的电力设备的交流耐压、感应耐压等试验项目中。其试验原理如图1所示。
图1 串联谐振回路原理图
2.2 XLPE电力电缆的交流耐压试验
XLPE属于固体绝缘电缆,经特殊的物理、化学方法交联而成,具有良好的电气绝缘性能,击穿强度高,介质损耗角正切值tanδ小,绝缘电阻高,有较高的耐热性和耐老化性能,重量轻,允许工作温度高,载流量大,适宜高落差和垂直敷设。因此,XLPE电缆在世界范围内得到了广泛的应用。20世纪70年代以来,中国的XLPE电缆也得到了迅速的发展,并逐步取代了常规中低压油纸绝缘电缆,现推广和应用于110kV,220kV等高压输电线路中。
然而XLPE电缆的电容量大,若是采用工频或接近工频的交流试验电压作为交联电缆线路竣工试验,存在的最大困难是长线路需要很大容量的试验设备。例如,截面积为630mm2的110kVXLPE电缆线路,其电容为0.188μF/km,若电缆长3km,则每相电缆试验需要的试验设备的容量至少为2 9MVA,50Hz(试验电压128kV,充电电流22 7A);截面积为1200mm2的220kVXLPE电缆线路,电容为0.179μF/km,若电缆长3km,则每相电缆试验需要工频(50Hz)试验设备的容量至少5 3MVA(试验电压178kV,充电电流30A)。因此,采用传统的试验变压器的试验方法已经远远不能满足系统试验容量的要求。利用变频谐振试验装置(变频谐振原理),较小的电源容量可提供较大的试验容量,串联谐振试验装置可提供被试设备高于电源电压Q倍的试验电压(品质因数Q是高电压谐振试验装置的重要参数)。由于电源容量减小且电感、电容可做成分段式,使试验设备轻巧,运输方便,为大容量、长距离的现场试验成为可能并提供极大的方便,同时利用试验频率允许在一定的可调范围内(30～300Hz)和试验电抗器固定可调(单一电抗器电感是不可调的,但通过串并联,总电感可调)的原理,使得系统的柔性大大增加。
对于额定电压为60～500kV电缆的现场试验,CIGREWG21 09《高压交联绝缘电缆竣工验收试验建议导则》推荐首先采用交流试验,频率为工频及近似工频(30～300Hz),耐压时间为1h。
IEC60502,IEC60840,IEC62067等标准对额定电压为1～30kV,30～150kV,150～500kV的电力电缆要求做交流耐压试验,频率为30～300Hz。
2.3 GIS的交流耐压试验
GIS是一种把断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、测量仪表组合在一台密封的、金属屏蔽的变电站内,并以SF6气体来绝缘的组合电器,功能相当于一个小型变电站,一般由1～7个间隔组成,电容量一般在10000pF以下。
根据IEC517标准(补充),GIS试验电压的频率范围应在10～300Hz,和国标GB7674―1997是等效的,不过国内一般习惯将频率取45～300Hz。
“城网气体绝缘变电站若干技术问题的暂行规定”是:GIS现场工频耐压值取不超过出厂试验电压的90%,时间为1min。IEC517标准建议的试验电压为出厂试验电压的80%,并要求试验频率限制在10～300Hz之内。
变频电源的输出频率在30～300Hz,能够很好地满足GIS耐压试验的要求,同时由于其容量较小,因此谐振电源在满足容量要求的同时,大大降低了试验设备的重量(只为试验变压器重量的1/50)。
2.4 大型变压器的交流耐压试验
a)变压器的外施耐压试验,又称短时间工频耐压试验,是考验产品主绝缘电气强度的最基本的绝缘试验,是发现主绝缘是否合理,绝缘材料有无缺陷和制造工艺是否符合要求的重要手段之一。对于容量小、电压等级低的变压器试验,一般用试验变压器,电源容量和试验变压器相同;对于容量大、电压等级高的变压器试验,由于试品电容大,采用试验变压器的方法难以满足要求,为此,一般采用发电机作电源(传统的做法),但输出的起始电压较高、阻抗较大,容升现象较严重,所以要采用电抗器进行补偿。如采用变频谐振的方式,把频率控制在工频范围内(45～65Hz),通过补偿电容器,使其达到谐振状态,由于Q值高,这样可大大减小试验电源的容量,并且频率可变,也增加了试品的范围。
b)为了检验变压器的主绝缘和本身的纵绝缘,应该对试品进行感应耐压试验,感应耐压的倍数,电力变压器一般采用额定电压的两倍。为了不使铁心中的磁通饱和,应使用两倍以上额定频率的电源,规定频率应在100～400Hz范围内,但经验证明,感应耐压试验的频率一般为150～200Hz为宜。
传统的试验方法一般采用多倍频发生器,如三倍频发生器,但试验装置比较笨重和费力,对于小容量的试品还行,大的试验电源将难以满足。特别是近些年来,随着500kV电压等级大容量变压器的出现,感应耐压所需的试验设备容量增加很多,采用三倍频装置根本就无法满足。因此出现了用中频发电机组并配以补偿电抗器的方法来进行感应耐压试验。
随着电力电子技术的发展,使用变频谐振试验装置成为可能。当用变频的方式时,输出频率很容易满足,再配以合适的电抗器,在容量方面也很容易得到满足。设备轻便,品质因数高,所需试验电源小,输出电压及波形稳定,能够很好地满足现场试验的需要。
2.5 其它试品的交流耐压试验
对互感器、套管等设备进行耐压试验时,其作用相当电容器。利用电抗器和补偿电容器也可以使系统在50Hz附近发生谐振,达到工频绝缘试验的目的。
3、变频串联谐振耐压试验的优点
a)体积小、重量轻,适合现场使用。高电压等级时,电抗器采用积木式结构,便于运输和现场安装。
b)在试品击穿时,谐振条件破坏,短路电流小,只有试品额定电流的1/10以下,对试品的危害性小。
c)采用一点接地,进线保护,低通道滤波器,放电保护,不仅可以在稳态下使放电或击穿电流小,而且还使暂态(瞬时)电流的破坏减小,从而保证设备和人身的安全。
d)适用范围广。可对XLPE电力电缆、GIS、断路器、开关进行变频交流耐压试验,对大型发电机组、电力变压器、互感器、套管等电气设备进行耐压试验,还可用于局部放电试验及测量接地电阻。
e)变频串联谐振耐压试验是先在低电压下调谐振点,然后再升高电压幅值达到试验所需电压,且能保持谐振点,安全可靠。