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  电力电缆采用变频谐振耐压试验的背景与优势分析

  与架空线路相比，电缆线路具有敷设隐蔽、受气候干扰小、少维护、对城市市容影响小等优势，在城市电网中的应用越来越普遍，而且电缆化率也成为衡量城市电网技术水平的重要标志。随着油浸纸绝缘电力电缆逐步退出历史舞台，代之以安装简便、没有漏油困扰的橡塑绝缘电力电缆，其中交联聚乙烯（XLPE）电力电缆更因为电气机械性能好、传输容量大、施工安装灵活而成为主流电缆。

  为了保证线路安全运行，电力电缆投入运行前必须进行交接验收试验，以避免机械损伤、安装工艺缺陷等问题引起运行故障损失 ；在电力电缆运行期间，也要定期进行预防性试验，以便及时发现故障隐患和潜伏性缺陷。在这些试验中，按照被试绝缘的危险程度分为非破坏性试验和破坏性试验两大类，前者因为施加的电压低于额定电压，不会损伤电缆的绝缘性能而被称为非破坏性试验，主要试验项目包括绝缘电阻测量、泄漏电流测量、介质损耗因数测量等 ；后者要在高于工作电压条件下进行试验，可能引起绝缘损伤和破坏，故称之为破坏性试验，主要试验项目是直流耐压试验和交流耐压试验。虽然非破坏性试验能发现许多绝缘缺陷，但因为试验电压较低，某些局部缺陷还是不能够被检出，所以必须通过破坏性试验来进一步暴露这些缺陷。直流耐压试验设备体积小、重量轻、操作简单、便于现场实施，同时早期的油浸纸绝缘电力电缆的绝缘结构为油和纸的组合，采用直流耐压试验不会因累积电荷而造成绝缘损伤，所以曾经很长一段时间作为现场的主要试验项目。但是直流耐压试验不合适用于 XLPE 电缆，因为它的绝缘结构是固体介质，这与油浸纸电缆绝缘结构迥异，在直流电场作用下容易储存和聚集空间电荷而形成“记忆效应”，需要很长时间才能完全释放出累积的电荷，而交接试验和预防性试验后都不大可能等待这么久再投运，这样很容易出现累积的电荷叠加在工频交流电压峰值上而击穿电缆；另一方面 XLPE 电缆中的“水树枝” （指水分浸入绝缘结构并在电场作用形成的树枝状物）在直流电压作用下会迅速转化为“电树枝” （指绝缘结构内部形成的树枝状放电通道），从而加速绝缘老化和引起电缆击穿故障。交流耐压试验环境更接近实际运行环境，而且电场分布也与直流电压不同，交流电场由介电参数控制，直流电场由电阻率控制，这些特点决定了交流耐压试验是鉴定XLPE 电缆更有效、更安全的方法。

以变频串联谐振耐压试验为例，试验装置由变频电源、励磁变压器、谐振电抗器、电容分压器和补偿电容几部分组成。目前，变频电源可自动调谐，当然也可以通过手动方式进行调谐。励磁变压器用于将变频电源与试验回路进行隔离，同时设法与被试电缆的功率与电压匹配，一般有多个绕组抽头以满足不同电压、容量的需求。电抗器有油式和干式之分，前者容量大 ；后者较轻便，但散热差一些。电容分压器用于测量被试电缆电压。补偿电容用于补偿短距离、等效容量小的电缆容量，一般并联于试验回路中。

  目前，在我国城市电网电缆线路中交联聚乙烯电缆的使用比例已经超过 90%。由于电力电缆线路造价高、停电损失大，因此选择有效的试验方法就显得尤为重要了。变频谐振试验方法近年来逐渐引起注意，随着人们重视程度的加深，该方法必然有着广阔的应用前景。

  作为工频耐压试验的最佳等效方法之一的变频谐振试验方法主要用于对大电容值的容性电力设备的现场交流耐压试验，这类电力设备包括交联聚乙烯中低压/高压/超高压电力电缆(XLPE)、全封闭高压组合电器(GIS)、发电机定子、大型变压器、架空电力线路、电力电容器等。

  以上电力设备其交接或预防性试验都要求进行工频耐压试验，但由于试品电容量大，使得试验设备功率巨大，体积庞大，现场试验非常困难。可替代的调感式工频并联谐振试验装置也由于设备笨重复杂，以前也仅主要用于对发电机定子的耐压试验。对电缆的直流高压试验，也随着电缆的普及而被主管部门禁止或不推荐。而代之以轻便、简单的串联变频谐振方式进行容性试品的交流耐压试验成为流行趋势，并迅速被各个行业所接受。 

  当然这一切的实现得益于单片机技术、大功率电力电子技术的快速发展，否则是没有技术上的可行性的。 

  现就电缆串联谐振试验的几种主要方法做一对比说明。明显可以看出被国内、外有关标准化机构和专家推荐的串联变频谐振试验的优越性。

  关于串联变频谐振的理论基础 

  谐振定义：电路输入端电压U与电流I同相，称为谐振

  在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC 与感抗XL 相等时，即XC＝XL，电路中的电压U 与电流I 的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振。当电路发生串联谐振时，电路的阻抗Z=√R2+XC-XL2=R，电路中总阻抗最小，电流将达到最大值。 

  发生谐振时，由 于感抗和容抗相等，所 以电感和电容两端的电压有效值相等，即：UL=UC。又由于其相位相反，因此这两个电压是相互抵消的。在电容或电感的电压有效值为：UL=UC＝XLI0=ω0LIO=ω0LU/R。式中ω0L/R 称为谐振电路的品质因数，它代表电压比。即UC/U 或UL/U。 

  品质因数是衡量谐振电路特性的一个重要参数。如电路中电抗越大，电阻越小，则品质因数越高。因此电容或电感上的电压值将比外加电压大的多。一般电感、电容谐振电路的品质因数可达几十甚至几百。所以串联谐振又叫电压谐振。在电力系统中，串联谐振将会产生高出电网额定电压数倍的过电压，对电力设备的安全造成很大危害。