多约束条件下110kV长电缆交流耐压试验研究

刘海龙 万亦农 周多思

（国网湘潭供电公司，湖南 湘潭 411100）

多约束条件下110kV长电缆交流耐压试验研究

刘海龙 万亦农 周多思

（国网湘潭供电公司，湖南 湘潭 411100）

介绍了串联谐振并联补偿耐压试验基本原理，电缆耐压时试验设备受到试验电压、电流、频率及品质因素的约束，根据约束条件对现有电抗器组合设计出了一种最优算法，为电缆交流耐压试验电抗器组合设计提供指导。利用该算法根据现有设备对某长电缆设计出了一种试验方案，并通过仿真和现场实施进行了验证。

串联谐振；交流耐压；电缆；交接试验；电抗器

随着城市的快速发展，交联聚乙烯（XLPE）电缆在城市电网中使用越来越广泛［1-2］。电缆质量及投运前施工工艺优劣是电缆运行过程中故障率高低的决定性因素［3］。交流耐压试验能有效的发现绝缘缺陷及隐患［4］，是电力电缆交接试验项目中最重要的项目之一［5］，同时也是检验电缆质量及施工工艺优劣最有效、最直接的手段［6-7］。电缆的交流耐压试验通常采用谐振耐压的方法，而长电缆在现场进行谐振耐压时也会遇到很多问题，如设备容量、电压、电流、频率等各方面的约束。本文主要针对某供电公司现有试验设备对110kV长电缆串联谐振耐压试验遇到的问题进行研究，从容量、电压、电流、频率等方面的约束条件下，求解出最优的电抗器组合方式对110kV电缆进行交流耐压试验。

1 试验原理及电抗器组合设计约束条件

1.1 试验设备简介

调频谐振方式对电缆进行耐压试验，谐振电抗器通常采用积木式结构［8］，在试验之前，根据电力电缆的长度，计算出电缆的电容量，根据电容量选择合适的电抗器进行试验，在选取电抗器时需根据现有设备的限制设计出最优的电抗器选择方案。某公司现有海沃科技变频电源一台（HVFP-75kW，输出 20～300Hz），BPDY-5型电抗器两台（20kV/60H/2A）、HVDK电抗器10台（40kV/110H/2A），KZZ-220型谐振电抗器两台（220kV/200H/4A、），电抗器工作频率均为 30～300Hz；试验变压器容量为150kVA，多次现场试验计算，试验变压器等效电抗约为30H。

1.2 试验原理及电抗器组合设计最优方法计算

串联谐振试验主要有调感、调容、调频三种方式，电力电缆耐压试验，一般采用变频串联谐振法，变频串联谐振原理如图1所示。其试验频率可描述为：试验电压（Q值亦可用表达），试验电源容量可估算为

图1 变频串联谐振耐压试验原理图

对于长电缆，单台电抗器难以满足试验要求，这就需要多台电抗器进行串并联组合，寻找最优组合方式。考虑到试验变压器的等效电抗，经大量计算与分析，在相同条件下，串联谐振并联补偿试验方案试验能力最强，原理如图2所示。

图2 并联补偿串联谐振原理图

在L1不能满足谐振条件时，利用L2补偿一部分电容电流来满足谐振的条件。经计算，串联谐振并联补偿方式试验频率可表述为

当频率f为30Hz时，此时匹配的参数试验能力最强，根据现有设备，电抗器的组合设计可以列出以下约束方程：

因此在电抗器的组合设计转化为式（2）求条件极值的二维函数，求解当L1=L2时，函数h（L1，L2）取得极小值，表明在组合设计现有电抗器时串联或并联支路中的L1或L2尽可能小，才能使得尽可能大，即并联或串联某一个支路电抗尽可能小，从而提高试验能力。这为电缆耐压试验方案制定时选择最优电抗器组合设计提供指导。

1.3 约束条件建立

根据输变电设备交接试验规程，110kV电缆交接试验交流耐压值为 128kV，试验电压值及试验电流等因素对现有设备提出了诸多约束条件。现有 3种类型的电抗器不能随意选择，组合时必须能满足以下4个约束条件：①试验电压为128kV，说明每个电抗器支路额定电压应大于 128kV，且每台电抗器的分压不能超过其额定电压；②为满足变频电源及各电抗器、试验变压器的工作要求，谐振频率必须在30～300Hz之间；③各回路试验电流不能超过试验设备的额定电流；④试验电源容量应满足需求，尽可能提高品质因数Q值。

2 某110kV电缆耐压试验电抗器最优组合

2015年9月，对湘潭110kV茶菊钢线电缆进行交接试验，电缆型号为YJLW03-Z-64/110kV，长度为3180m，截面积为630mm2，电容量0.188μF/km，即总的电容量为0.598μF。

在选择方案时，满足试验电压的情况下将所有电抗器并联起来，计算谐振频率小于30Hz，不满足约束条件。因此需要采用并联补偿串联谐振的试验方案，在满足各约束条件的情况下，根据式（1）及最优电抗器组合算法，只有将串联支路或并联支路尽量减小，才能提高试验频率，本方案考虑到试验变压器的等效电抗，因此尽可能的减小并联补偿支路的电抗值。综合考虑现场条件，试验电流等因素后，设计了如图3所示的试验方案。根据试验设备参数，计算试验频率及各支路的电气参数。

图3 电抗器组合最优方案

试验频率为

各支路电流计算为

式中，IC为电缆对地电容电流，IL1为流过电抗器L1的电流，IL2为流过电抗器 L2的电流，IL3为流过虚线框内每个支路电抗器的电流。

虚线框内每个电抗器承受的电压计算：

分析电抗器的组合设计方案，KZZ-220谐振电抗器可单独构成串、并电抗回路；根据试验电压的要求和参数匹配情况，3台HVDK型与1台BPDY-5型电抗器串联额定电压可达140kV，既能组成5组单独串、并电抗回路，经计算各试验设备上的电压降也不会超过其额定电压。比较试验设备的各参数，试验频率、每个元件承受的电流、电压均在额定参数以内，因此该方案电抗器的组合可以满足茶菊钢线电缆的耐压试验。

3 仿真验证与现场试验

为了确保方案的可行性，利用专业仿真软件PSCAD搭建仿真模型，进行仿真分析，仿真模型如图4所示。为了模拟现场环境，仿真模型中的电阻为对应电抗的直流电阻。仿真得到试验频率为30.65Hz，与计算值基本一致。从试验电压波形、电流波形可以分析出，利用约束条件得出110kV茶菊钢线电缆试验电抗器最优组合，能完成3.18km电缆耐压试验要求。仿真电压、电流波形分别如图 5、图6所示。

图4 试验仿真模型

图5 试验电压仿真结果

图6 试验电流仿真结果

按照该方案，对110kV茶菊钢电缆现场进行交流耐压试验，表1为现场监测的试验参数。

表1 试验现场参数监测情况

4 结论

在多约束条件下，110kV长电缆耐压试验能否顺利进行，跟电抗器的组合方式有很大的关系，且电抗器的组合受到试验电压、回路电流，频率及试验电源容量等方面的制约。本文在多约束条件下对现有电抗器进行最优组合设计，得出了一种电抗器组合的最优算法，一定程度上扩展了试验设备对110kV电缆的耐压能力，完成了110kV茶菊钢线电缆交流耐压试验。但该试验方案使得试验参数复杂，同时会增加回路有功损耗，因此在设计方案时，要尽可能提高试验回路品质因数。

［1］赵金明，段肖华.变频串联谐振技术在高压电缆交接试验中的应用［J］.电网与清洁能源，2012，28（4）：23-25.

［2］刘玮，肖勇.220kV交联超长电缆现场交流耐压试验［J］.高电压技术，2008，34（4）：831-832.

［3］程盛，李卫东.BPD型变频电源用于局放和耐压试验的研究与实践［J］.高压电器，2007，43（2）：146-148.

［4］钟志毅，欧景茹，郭铁军.交联聚乙烯绝缘电力电缆交流耐压试验研究［J］.电网技术，2007，6（增刊）：108-111.

［5］周文华，徐青龙.橡塑电缆串联谐振耐压试验中补偿电抗器的选择［J］.江苏电机工程，2008，27（4）：56-58.

［6］陈忠.串联谐振耐压试验的现场问题及解决方法［J］.电网技术，2006，8（S1）：205-207.

［7］陶劲松，席成员，贺景亮，等.湖南110kV长距离电缆耐压试验［J］.高电压技术，2002，11（11）：48-49.

［8］闫永利，闫军.工频串联谐振耐压装置现场试验参数配合的计算及调整［J］.高压电器，2004，40（5）：391-393.

Research on 110kV Long Cable AC Voltage Withstand Test Under Multi-constrained Condition

Liu Hailong Wan Yinong Zhou Duosi
（State Grid of Xiangtan Power Supply Company，Xiangtan，Hu'nan 411100）

Introduces the basic principle of series resonance parallel compensation voltage withstand test.When the cable is withstanding voltage the tested equipment is constrained by voltage，current，frequency and quality.In accordance with the constraint condition designed an optimal algorithm to the existing reactor combination，which gave guide to cable AC voltage withstand test reactor combination.Through the algorithm and according to the existing equipment，designed a test plan to a certain long cable and verified by simulation and field implementation.

series resonance； AC voltage withstand； cable； acceptance trial； reactor

刘海龙（1986-），男，湖南邵阳人，工程师，硕士研究生，主要从事电气试验与电力设备故障诊断的研究工作。