串联谐振交流耐压
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串联谐振交流耐压试验装 置分析与应用
程柏超 2009年 2009年4月
1 前言
在供配电系统调试中，要对交联聚乙烯电力电缆 （XLPE）、高压开关柜、GIS、高压电动机、大型发电机 XLPE）、高压开关柜、GIS、高压电动机、大型发电机 组、大型电力变压器、互感器等高电压、大容量的电力设 备进行绝缘耐压试验。 绝缘耐压试验分为直流耐压试验和交流耐压试验两种。 过去在进行电缆耐压试验时都采用直流耐压试验。在1980 过去在进行电缆耐压试验时都采用直流耐压试验。在1980 年左右，国外电力部门发现直流耐压试验对橡塑绝缘是无 效的且具有危害性。我国在九十年代开始研究和实践交流 耐压试验技术。经过20多年的研究和实践，世界各国纷纷 耐压试验技术。经过20多年的研究和实践，世界各国纷纷 采用交流耐压试验代替直流耐压试验。国内外有关标准机 构也对于高压交联电缆的试验方法作出了更改和修订。 1997年国际大电网工作会议（CIGRI）对目前采用的直流 1997年国际大电网工作会议（CIGRI）对目前采用的直流 耐压试验方法提出疑议，并推荐使用工频及近似工频 （30-300Hz）的交流试验方法，在全世界范围内推广应用。 30-300Hz）的交流试验方法，在全世界范围内推广应用。 我国的《电气设备交接试验标准》GB50150-2006已经颁布， 我国的《电气设备交接试验标准》GB50150-2006已经颁布， 于2006年11月1日起强制执行，该标准规定35kV及以上橡 2006年11月 日起强制执行，该标准规定35kV及以上橡 塑绝缘电缆优先采用交流耐压试验。交流耐压试验取代传 统直流耐压试验已是大势所趋。
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2）确定串联电抗器数，2006版国标规定，35kV电缆 ）确定串联电抗器数，2006版国标规定，35kV电缆 试验电压UC=2U0=2*26=52kV 试验电压UC=2U0=2*26=52kV ，每节电抗器额定电 压18kV，18kV*3=54kV＞52kV，所以必须3个电抗 18kV，18kV*3=54kV＞52kV，所以必须3 器串联。 3）带载率核算：HDSR—f—L18/36，带载为0.55µF ）带载率核算：HDSR— L18/36，带载为0.55µ 最大电流2A，三个串联使用时0.55/3=0.183µ 最大电流2A，三个串联使用时0.55/3=0.183µF＜ 0.342µ 0.342µF，故需三个串联后再并联，则： 0.183*2=0.366µ 0.183*2=0.366µF＞0.342µF。 0.342µ
3 几种主要的交流耐压试验方法
既然直流耐压试验不能模拟交联电缆的运行 场强状态，不能达到我们所期望的检验效果，自 然就应该转向用交流耐压试验来考核交联电缆的 绝缘状况。但是采用工频或接近工频的交流电压 试验作为挤包绝缘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。目前存 在以下几种交流耐压试验方法：
（3）直流耐压试验时，会有电子注入到聚合 物介质内部，形成空间电荷，使该处的电场强度 降低，从而难于发生击穿。由于振荡电压极性迅 速改变为异极性，使该处电场强度显著增大，可 能损坏绝缘，造成多点击穿，损坏电缆。直流耐 压试验时所形成的空间电荷可导致电缆投运时发 生击穿或沿面滑闪。 （4）交联电缆的一个致命弱点是绝缘内易产 生水树枝，一旦产生水树枝，在直流电压下会迅 速转变为电树枝，并形成放电，加速了绝缘劣化， 以致于运行后在工频电压作用下形成击穿。而单 纯的水树枝在交流工作电压下还能保持相当的耐 压值，并能保持一段时间。
4 变频串联谐振交流耐压技术的原理
变频串联谐振的等效性经国内外研究已经得 到了普遍的认可，并得到了广泛的推广应用。变 频串联谐振耐压试验方法是通过改变试验系统的 试验频率（范围30-300Hz），使回路处于谐振状 试验频率（范围30-300Hz），使回路处于谐振状 态，这样试验回路中试品上的大部分容性电流与 电抗器上的感性电流相抵消，电源供给的能量仅 为回路中消耗的有功功率，为试品容量的1/Q（ 为回路中消耗的有功功率，为试品容量的1/Q（Q 为系统的电压谐振倍数），因此试验电源的容量 大为降低，重量大大减轻。
（3）超低频0.1Hz耐压试验： 超低频0.1Hz耐压试验： 0.1Hz耐压试验的等效性还有待于进一步研究， 0.1Hz耐压试验的等效性还有待于进一步研究， 其检测绝缘缺陷的效果在世界范围内受到普遍怀 疑。目前的研究结果是0.1Hz对绝缘损伤的击穿电 疑。目前的研究结果是0.1Hz对绝缘损伤的击穿电 压，其数值在1.2 2.6倍工频击穿电压下变化， 压，其数值在1.2 –2.6倍工频击穿电压下变化， 试验的一致性方面有较大的不足。目前，此种方 法主要应用于中低压电缆的试验，且试验条件的 真实性不如近工频交流电压（30～300Hz），由于 真实性不如近工频交流电压（30～300Hz），由于 电压等级偏低，还不能用于110kV及以上的高压电 电压等级偏低，还不能用于110kV及以上的高压电 缆试验。从国外的应用方面看，目前国外0.1Hz的 缆试验。从国外的应用方面看，目前国外0.1Hz的 发展方向是在线绝缘监测和故障定位；而变频谐 振方式用于耐压试验，其试验的等效性非常好。 从国外的发展来看，也是推荐用变频谐振方式进 行耐压试验。
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原理图及理论公式如下：
励磁变 变 频 源 原理图 等效图
图1中，L为谐振电抗器，CX为被试品， 中，L为谐振电抗器，CX为被试品， U为励磁变输出电压。当串联谐振时，，，， 即频率为（该频率可通过调节变频电源得 到）时，回路呈谐振状态。此时,Q为品质 到）时，回路呈谐振状态。此时,Q为品质 因数。即被试品上获得的电压为励磁电压 的Q倍（利用额定电压较低的试验变压器， 可以获得较高的输出电压）。此电路形成 一个良好的滤波电路，故输出电压UCX为良 一个良好的滤波电路，故输出电压UCX为良 好的正弦波。当试品击穿，失去谐振，高、 低压电流自动减小，不会扩大被试品的故 障点。
（1）带补偿电抗器的传统试验变压器： 由于电缆的容量很大、电压很高，传统的试验 变压器无论是从绝缘、体积、重量、容量等各个 方面已经无法满足现场试验的要求；所以电缆试 验极少采用变压器试验。 （2）振荡电压试验： 振荡电压试验是用直流电源给电缆充电，当 达到试验电压后使放电间隙击穿而通过电感线圈 放电，对电缆施加一定电压幅值、频率为kHz级的 放电，对电缆施加一定电压幅值、频率为kHz级的 衰减振荡波电压作为挤包绝缘电缆线路的竣工试 验方法的另一种途径。此种方法比直流耐压试验 方法有效，但与工频电压试验相比，其检查电缆 主绝缘和附件缺陷的效果仍不理想。
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表2 三芯交联电缆等效电容量参考数据（µF/km）
35 50 70 95 120 150 185 240 300 400
6/6 kV;6/10 kV
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8.7/10 kV;8.7/15 kV
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（2）交联电缆在直流电压下会产生“记 ）交联电缆在直流电压下会产生“ 忆”效应，存储积累单极性残余电荷。一旦 有了由于直流耐压试验引起的“记忆性” 有了由于直流耐压试验引起的“记忆性”， 需要很长时间才能将这种直流偏压释放。电 缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入 运行，直流偏压便会叠加在工频电压峰值上， 使得电缆上的电压值远远超过其额定电压， 从而有可能导致电缆绝缘击穿。
表1 单芯交联电缆等效电容量参考数据（µF/km）
35 50 70 95 120 150 185 240 300 400
6/6 kV;6/10 kV
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实践也表明，直流耐压试验不但不能有效发 现交流电压作用下的某些缺陷，而且会损害电缆， 给电缆的安全运行带来危险。如在电缆附件内， 绝缘若有机械损伤或应力锥放错等缺陷。在交流 电压下绝缘最易发生击穿的地点，在直流电压下 往往不能击穿。直流电压下绝缘击穿处往往发生 在交流工作条件下绝缘平时不发生击穿的地点。 这一点也得到了运行经验的证明：一些电缆在交 接试验中按照GB50150-91标准进行直流耐压试验 接试验中按照GB50150-91标准进行直流耐压试验 顺利通过，但投运不久就发生绝缘击穿事故。正 常运行的电缆被直流耐压试验损坏的情况也时有 发生。
5 应用实例及分析
（1）实例1，35kV电缆试验： ）实例1 35kV电缆试验： 已知电缆规格为26/35kV、300mm2，电缆长度 已知电缆规格为26/35kV、300mm2，电缆长度 为1.8km，电抗器型号为HDSR—f—L18/36 ，电 1.8km，电抗器型号为HDSR— 抗器额定电压18kV， 额定电流2A 抗器额定电压18kV， 额定电流2A ，额定带载 0.55µ ，额定电感量45H ，共6 0.55µF ，额定电感量45H ，共6只。 试验步骤如下： 1）用交流电容表测出电缆电容量，或者查表(见 ）用交流电容表测出电缆电容量，或者查表( 表1表2)得知该电缆电容量：经查表得 2)得知该电缆电容量：经查表得 C=0.19µ C=0.19µF/km ，则Cx=1.8*0.19=0.342µF。 ，则Cx=1.8*0.19=0.342µ
（4）串联谐振耐压试验： 串联谐振试验设备通过与被试品（等效电容） 形成串联谐振回路，从而得到一定频率的正弦波 交流电压。由于试验设备的品质因素较高，通常 所需的工作电源容量仅为试验容量的几十分之一。 对于串联谐振试验设备而言，其系统要满足不同 电压等级和不同电容量的试品在一定的频率范围 内进行交流耐压试验，可通过改变频率或电感量 来满足谐振的条件（f 1/2π。 来满足谐振的条件（f＝1/2π。
系统由变频电源、励磁变压器、谐振电抗器、 分压器及试品（有时需补偿电容器）组成。我们 已知，在回路频率f 1/2π√LC时，回路产生谐 已知，在回路频率f＝1/2π√LC时，回路产生谐 振，此时试品上的电压是励磁变高压端输出电压 的Q倍。Q为系统品质因素，即电压谐振倍数，一 倍。Q 般为几十到一百以上。先通过调节变频电源的输 出频率使回路发生串联谐振，再在回路谐振的条 件下调节变频电源输出电压使试品电压达到试验 值。由于回路的谐振，变频电源较小的输出电压 就可在试品CX上产生较高的试验电压。 就可在试品CX上产生较高的试验电压。
2 直流耐压试验的问题
由于电缆线路的电容很大，若采用工频电压试 验，必须有大容量的工频试验变压器，现场试验 很难实现，所以传统的耐压试验方法采用直流耐 压试验。因为电缆的直流绝缘电阻很大（一般在 10GΩ以上），所以在做直流耐压试验时充电电流 10GΩ以上），所以在做直流耐压试验时充电电流 极小，具有试验设备容量小、重量轻、可移动性 好等优点。但直流耐压试验方法对于XLPE交联电 好等优点。但直流耐压试验方法对于XLPE交联电 缆，无论从理论还是实践上却存在着很多缺点。 主要体现在：
（1）高压试验技术的一个通用原则：试品上 所施加的试验电压场强必须模拟高压电器的运行 工况。直流电压下，电缆绝缘的电场分布取决于 材料的体积电阻率，而交流电压下的电场分布取 决于各介质的介电常数，特别是在电缆终端头、 接头盒等电缆附件中的直流电场强度的分布和交 流电场强度的分布完全不同，而且直流电压下绝 缘老化的机理和交流电压下的老化机理不相同。 因此，直流耐压试验不能模拟交联电缆的运行工 况。
程柏超 2009年 2009年4月
1 前言
在供配电系统调试中，要对交联聚乙烯电力电缆 （XLPE）、高压开关柜、GIS、高压电动机、大型发电机 XLPE）、高压开关柜、GIS、高压电动机、大型发电机 组、大型电力变压器、互感器等高电压、大容量的电力设 备进行绝缘耐压试验。 绝缘耐压试验分为直流耐压试验和交流耐压试验两种。 过去在进行电缆耐压试验时都采用直流耐压试验。在1980 过去在进行电缆耐压试验时都采用直流耐压试验。在1980 年左右，国外电力部门发现直流耐压试验对橡塑绝缘是无 效的且具有危害性。我国在九十年代开始研究和实践交流 耐压试验技术。经过20多年的研究和实践，世界各国纷纷 耐压试验技术。经过20多年的研究和实践，世界各国纷纷 采用交流耐压试验代替直流耐压试验。国内外有关标准机 构也对于高压交联电缆的试验方法作出了更改和修订。 1997年国际大电网工作会议（CIGRI）对目前采用的直流 1997年国际大电网工作会议（CIGRI）对目前采用的直流 耐压试验方法提出疑议，并推荐使用工频及近似工频 （30-300Hz）的交流试验方法，在全世界范围内推广应用。 30-300Hz）的交流试验方法，在全世界范围内推广应用。 我国的《电气设备交接试验标准》GB50150-2006已经颁布， 我国的《电气设备交接试验标准》GB50150-2006已经颁布， 于2006年11月1日起强制执行，该标准规定35kV及以上橡 2006年11月 日起强制执行，该标准规定35kV及以上橡 塑绝缘电缆优先采用交流耐压试验。交流耐压试验取代传 统直流耐压试验已是大势所趋。
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2）确定串联电抗器数，2006版国标规定，35kV电缆 ）确定串联电抗器数，2006版国标规定，35kV电缆 试验电压UC=2U0=2*26=52kV 试验电压UC=2U0=2*26=52kV ，每节电抗器额定电 压18kV，18kV*3=54kV＞52kV，所以必须3个电抗 18kV，18kV*3=54kV＞52kV，所以必须3 器串联。 3）带载率核算：HDSR—f—L18/36，带载为0.55µF ）带载率核算：HDSR— L18/36，带载为0.55µ 最大电流2A，三个串联使用时0.55/3=0.183µ 最大电流2A，三个串联使用时0.55/3=0.183µF＜ 0.342µ 0.342µF，故需三个串联后再并联，则： 0.183*2=0.366µ 0.183*2=0.366µF＞0.342µF。 0.342µ
3 几种主要的交流耐压试验方法
既然直流耐压试验不能模拟交联电缆的运行 场强状态，不能达到我们所期望的检验效果，自 然就应该转向用交流耐压试验来考核交联电缆的 绝缘状况。但是采用工频或接近工频的交流电压 试验作为挤包绝缘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。目前存 在以下几种交流耐压试验方法：
（3）直流耐压试验时，会有电子注入到聚合 物介质内部，形成空间电荷，使该处的电场强度 降低，从而难于发生击穿。由于振荡电压极性迅 速改变为异极性，使该处电场强度显著增大，可 能损坏绝缘，造成多点击穿，损坏电缆。直流耐 压试验时所形成的空间电荷可导致电缆投运时发 生击穿或沿面滑闪。 （4）交联电缆的一个致命弱点是绝缘内易产 生水树枝，一旦产生水树枝，在直流电压下会迅 速转变为电树枝，并形成放电，加速了绝缘劣化， 以致于运行后在工频电压作用下形成击穿。而单 纯的水树枝在交流工作电压下还能保持相当的耐 压值，并能保持一段时间。
4 变频串联谐振交流耐压技术的原理
变频串联谐振的等效性经国内外研究已经得 到了普遍的认可，并得到了广泛的推广应用。变 频串联谐振耐压试验方法是通过改变试验系统的 试验频率（范围30-300Hz），使回路处于谐振状 试验频率（范围30-300Hz），使回路处于谐振状 态，这样试验回路中试品上的大部分容性电流与 电抗器上的感性电流相抵消，电源供给的能量仅 为回路中消耗的有功功率，为试品容量的1/Q（ 为回路中消耗的有功功率，为试品容量的1/Q（Q 为系统的电压谐振倍数），因此试验电源的容量 大为降低，重量大大减轻。
（3）超低频0.1Hz耐压试验： 超低频0.1Hz耐压试验： 0.1Hz耐压试验的等效性还有待于进一步研究， 0.1Hz耐压试验的等效性还有待于进一步研究， 其检测绝缘缺陷的效果在世界范围内受到普遍怀 疑。目前的研究结果是0.1Hz对绝缘损伤的击穿电 疑。目前的研究结果是0.1Hz对绝缘损伤的击穿电 压，其数值在1.2 2.6倍工频击穿电压下变化， 压，其数值在1.2 –2.6倍工频击穿电压下变化， 试验的一致性方面有较大的不足。目前，此种方 法主要应用于中低压电缆的试验，且试验条件的 真实性不如近工频交流电压（30～300Hz），由于 真实性不如近工频交流电压（30～300Hz），由于 电压等级偏低，还不能用于110kV及以上的高压电 电压等级偏低，还不能用于110kV及以上的高压电 缆试验。从国外的应用方面看，目前国外0.1Hz的 缆试验。从国外的应用方面看，目前国外0.1Hz的 发展方向是在线绝缘监测和故障定位；而变频谐 振方式用于耐压试验，其试验的等效性非常好。 从国外的发展来看，也是推荐用变频谐振方式进 行耐压试验。
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原理图及理论公式如下：
励磁变 变 频 源 原理图 等效图
图1中，L为谐振电抗器，CX为被试品， 中，L为谐振电抗器，CX为被试品， U为励磁变输出电压。当串联谐振时，，，， 即频率为（该频率可通过调节变频电源得 到）时，回路呈谐振状态。此时,Q为品质 到）时，回路呈谐振状态。此时,Q为品质 因数。即被试品上获得的电压为励磁电压 的Q倍（利用额定电压较低的试验变压器， 可以获得较高的输出电压）。此电路形成 一个良好的滤波电路，故输出电压UCX为良 一个良好的滤波电路，故输出电压UCX为良 好的正弦波。当试品击穿，失去谐振，高、 低压电流自动减小，不会扩大被试品的故 障点。
（1）带补偿电抗器的传统试验变压器： 由于电缆的容量很大、电压很高，传统的试验 变压器无论是从绝缘、体积、重量、容量等各个 方面已经无法满足现场试验的要求；所以电缆试 验极少采用变压器试验。 （2）振荡电压试验： 振荡电压试验是用直流电源给电缆充电，当 达到试验电压后使放电间隙击穿而通过电感线圈 放电，对电缆施加一定电压幅值、频率为kHz级的 放电，对电缆施加一定电压幅值、频率为kHz级的 衰减振荡波电压作为挤包绝缘电缆线路的竣工试 验方法的另一种途径。此种方法比直流耐压试验 方法有效，但与工频电压试验相比，其检查电缆 主绝缘和附件缺陷的效果仍不理想。
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表2 三芯交联电缆等效电容量参考数据（µF/km）
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（2）交联电缆在直流电压下会产生“记 ）交联电缆在直流电压下会产生“ 忆”效应，存储积累单极性残余电荷。一旦 有了由于直流耐压试验引起的“记忆性” 有了由于直流耐压试验引起的“记忆性”， 需要很长时间才能将这种直流偏压释放。电 缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入 运行，直流偏压便会叠加在工频电压峰值上， 使得电缆上的电压值远远超过其额定电压， 从而有可能导致电缆绝缘击穿。
表1 单芯交联电缆等效电容量参考数据（µF/km）
35 50 70 95 120 150 185 240 300 400
6/6 kV;6/10 kV
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实践也表明，直流耐压试验不但不能有效发 现交流电压作用下的某些缺陷，而且会损害电缆， 给电缆的安全运行带来危险。如在电缆附件内， 绝缘若有机械损伤或应力锥放错等缺陷。在交流 电压下绝缘最易发生击穿的地点，在直流电压下 往往不能击穿。直流电压下绝缘击穿处往往发生 在交流工作条件下绝缘平时不发生击穿的地点。 这一点也得到了运行经验的证明：一些电缆在交 接试验中按照GB50150-91标准进行直流耐压试验 接试验中按照GB50150-91标准进行直流耐压试验 顺利通过，但投运不久就发生绝缘击穿事故。正 常运行的电缆被直流耐压试验损坏的情况也时有 发生。
5 应用实例及分析
（1）实例1，35kV电缆试验： ）实例1 35kV电缆试验： 已知电缆规格为26/35kV、300mm2，电缆长度 已知电缆规格为26/35kV、300mm2，电缆长度 为1.8km，电抗器型号为HDSR—f—L18/36 ，电 1.8km，电抗器型号为HDSR— 抗器额定电压18kV， 额定电流2A 抗器额定电压18kV， 额定电流2A ，额定带载 0.55µ ，额定电感量45H ，共6 0.55µF ，额定电感量45H ，共6只。 试验步骤如下： 1）用交流电容表测出电缆电容量，或者查表(见 ）用交流电容表测出电缆电容量，或者查表( 表1表2)得知该电缆电容量：经查表得 2)得知该电缆电容量：经查表得 C=0.19µ C=0.19µF/km ，则Cx=1.8*0.19=0.342µF。 ，则Cx=1.8*0.19=0.342µ
（4）串联谐振耐压试验： 串联谐振试验设备通过与被试品（等效电容） 形成串联谐振回路，从而得到一定频率的正弦波 交流电压。由于试验设备的品质因素较高，通常 所需的工作电源容量仅为试验容量的几十分之一。 对于串联谐振试验设备而言，其系统要满足不同 电压等级和不同电容量的试品在一定的频率范围 内进行交流耐压试验，可通过改变频率或电感量 来满足谐振的条件（f 1/2π。 来满足谐振的条件（f＝1/2π。
系统由变频电源、励磁变压器、谐振电抗器、 分压器及试品（有时需补偿电容器）组成。我们 已知，在回路频率f 1/2π√LC时，回路产生谐 已知，在回路频率f＝1/2π√LC时，回路产生谐 振，此时试品上的电压是励磁变高压端输出电压 的Q倍。Q为系统品质因素，即电压谐振倍数，一 倍。Q 般为几十到一百以上。先通过调节变频电源的输 出频率使回路发生串联谐振，再在回路谐振的条 件下调节变频电源输出电压使试品电压达到试验 值。由于回路的谐振，变频电源较小的输出电压 就可在试品CX上产生较高的试验电压。 就可在试品CX上产生较高的试验电压。
2 直流耐压试验的问题
由于电缆线路的电容很大，若采用工频电压试 验，必须有大容量的工频试验变压器，现场试验 很难实现，所以传统的耐压试验方法采用直流耐 压试验。因为电缆的直流绝缘电阻很大（一般在 10GΩ以上），所以在做直流耐压试验时充电电流 10GΩ以上），所以在做直流耐压试验时充电电流 极小，具有试验设备容量小、重量轻、可移动性 好等优点。但直流耐压试验方法对于XLPE交联电 好等优点。但直流耐压试验方法对于XLPE交联电 缆，无论从理论还是实践上却存在着很多缺点。 主要体现在：
（1）高压试验技术的一个通用原则：试品上 所施加的试验电压场强必须模拟高压电器的运行 工况。直流电压下，电缆绝缘的电场分布取决于 材料的体积电阻率，而交流电压下的电场分布取 决于各介质的介电常数，特别是在电缆终端头、 接头盒等电缆附件中的直流电场强度的分布和交 流电场强度的分布完全不同，而且直流电压下绝 缘老化的机理和交流电压下的老化机理不相同。 因此，直流耐压试验不能模拟交联电缆的运行工 况。