基于非全补偿的工频并联谐振耐压试验方法与流程

  本发明涉及电力系统的谐振耐压试验方法，具体涉及基于非全补偿的工频并联谐振耐压试验方法。

  目前在电力系统配网中，35kv及以下的中低压电力电缆、35kv及以下的电力变压器普遍的使用。根据gb50150-2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》要求，必须对中低压电力电缆、变压器等设备在投运前进行交流耐压试验。其中，35kv及以下的中低压电力电缆须在20～300hz频率范围内进行2u0下长达60min的交流耐压试验；而35kv及以下的电力变压器须在40hz及以上的频率范围内进行最高可达68kv时长1min的交流耐压试验。针对目前电力系统中所普遍的使用的35kv及以下的中低压电力电缆、35kv及以下的电力变压器等大电容量被试品，其交流耐压试验电压一般不很高但试验电流却可能比较大，现主要是采用工频耐压试验方法、变频串联谐振耐压试验方法和并联谐振耐压试验方法。

  如图2所示，为工频耐压试验方法的试验装置，由工频升压变压器和电容分压器组成，其中工频升压变压器将工频试验电源的电压(0～220v或0～380v)升至被试品所需的试验电压，如果被试品的电容量较大，由于工频升压变压器存在漏抗，则会使电路中产生非常明显的容升效应，因此一定要使用电容分压器直接测量被试品上施加的试验电压。

  被试品的电容量越大，根据i＝ωc总u(c总是被试品与电容分压器并联后的总电容)，则所需的工频升压变压器容量也越大，其体积和质量都会飞速增加，同时对工频试验电源的容量需求也越大。i＝ωc总u公式中i为工频升压变压器高压侧流过的电流；ω＝2πf是角频率，f是工频频率；c总是被试品cx与电容分压器(c1是高压电容，c2是低压电容)的总电容量u为被试品cx上施加的试验电压。电容分压器是测量被试品上电压的一种工具，其高压臂和低压臂的电容量c1和c2是固定的。

  如图3所示，变频串联谐振耐压试验方法的试验装置，由变频电源、励磁变压器、谐振电抗器和电容分压器组成。(1)变频电源将工频试验电源转变为可连续调节频率(20～300hz)和电压的电源，它为整个谐振电路提供电源。(2)励磁变压器主要是将变频电源输出的电压升高至合适的数值。(3)谐振电抗器是谐振电路的重要部件，当变频电源输出频率等于系统固有频率时，系统回路发生串联谐振。可根据被试品的真实的情况采用串联或并联使用，组成电抗器组，以满足试验电路对电压、电流和频率的要求。(4)电容分压器大多数都用在被试品上外施电压的测量，分压器由高压臂电容器c1和低压臂电容器c2串联组成，用电压表测量低压臂c2上的电压，然后按分压比算出高压臂c1上的电压。变频串联谐振耐压试验方法整套装置器件较多结构较为复杂，体积大质量重不便搬运。且当被试品的电容量越大，需要励磁变压器、变频电源和工频试验电源的容量也越大，造成现场试验电源的容量不易满足需求。

  如图4所示，为并联微差补偿工频耐压试验方法的试验模型，由工频升压变压器、补偿电抗器和补偿电容器组成。并联微差补偿工频耐压试验方法采用的是完全补偿，补偿电抗器的补偿精度需达到1mh、补偿电容器的补偿精度需达到1pf。经过补偿电抗器和补偿电容器对被试品电容的精确补偿后，使整个电路在工频时的感抗与容抗相等该方法可有效减小工频升压变压器和工频试验电源的容量，但由于采用精确补偿，故补偿电抗器和补偿电容器一般都会采用可调式，其结构很复杂，可靠性较低，同时不方便现场来回搬运。并联微差补偿工频耐压试验方法的完全补偿所需要满足的公式为公式中ux为施加在被试品上的试验电压，l为补偿电抗器的电感量、cx为被试品的电容量、cb为补偿电容器的电容量、g为补偿电抗器和工频升压变压器的总电导。总电流的大小为通过配置补偿电抗器l和补偿电容器cb，使公式中的感性电流il与容性电流ic完全抵消(即发生完全的并联谐振)，再进行耐压试验。

  工频耐压试验方法主要是采用工频升压试验变压器实现，当被试品的电容量较大时，需要工频升压试验变压器有较大的容量，因而造成工频升压试验变压器体积大、质量重，不方便现场搬运，且当被试品电容量较大时现场试验电源的容量也不易满足试验要求。

  变频串联谐振耐压试验方法在被试品的电容量较大时，需要采用多节谐振电抗器相并联的方式，以保证电路的谐振频率在试验要求的频率范围内(电力电缆为20～300hz，电力变压器为40hz及以上)。其整套试验装置体积大、质量重，不便于现场搬运。当被试品电容量较大时同样存在现场试验电源的容量不易满足试验需求的问题。

  并联谐振耐压试验方法分为变频并联谐振耐压试验方法和工频并联谐振耐压试验方法两种。其中变频并联谐振耐压试验方法很少采用，主要是因为发生并联谐振时，被试品电压等于谐振电抗器电压，也等于励磁变压器高压侧电压。即是说励磁变压器需要输出较高的试验电压，造成励磁变压器绝缘部分大幅度提升，不方便制造和现场运输。除此之外，也有采用工频并联谐振耐压试验的方法，其工频升压变压器相比变频励磁变压器质量和体积均较小，但需要额外增加并联补偿电容器，才能实现整个电路中感抗对容抗的精确补偿。该装置精度要求高因而结构很复杂可靠性不高。

  本发明未解决上述技术问题，提供了基于非全补偿的工频并联谐振耐压试验方法。

  基于非全补偿的工频并联谐振耐压试验方法，包括：步骤1，建立基于非全补偿的工频并联谐振的耐压试验模型；步骤2，比较耐压试验模型中被试品上流过的容性电流值ic以及耐压试验模型中工频升压变压器高压端的额定输出电流值i2；如果ic大于i2，计算全补偿时需要在被试品两端并联的补偿电抗器的电感量lq，并在被试品两端并联电感量为l的补偿电抗器进行补偿，执行步骤3；如果ic小于等于i2，则进行耐压试验；步骤3，在被试品两端并联补偿电抗器后，计算工频升压变压器高压端输出的总电流i总，i总根据公式得到，比较工频升压变压器高压端输出的总电流i总和工频升压变压器高压端的额定输出电流值i2；如果i总大于i2，则在被试品两端继续增加并联补偿电抗器改变l的值，重新执行步骤3；如果i总小于等于i2，则进行耐压试验。

  进一步地，步骤1中，耐压试验模型包括工频试验电源、工频升压变压器、补偿电抗器和被试品，所述工频试验电源连接在工频升压变压器的低压端，所述被试品并联补偿电抗器后连接在工频升压变压器的高压端。

  进一步地，步骤2中，耐压试验模型中被试品上流过的容性电流值ic通过公式ic＝ωcxu计算得到，其中，ω＝2πf是角频率，f是工频频率，cx是被试品的电容量，u为被试品上施加的试验电压。

  进一步地，步骤2中，全补偿时所需的补偿电抗器的电感量lq根据被试品的电容量cx在工频下得到；电感量lq通过公式计算得到，其中，ω＝2πf是角频率，f是工频频率，cx是被试品的电容量。

  1、本发明相对于工频耐压试验方法和变频串联谐振耐压试验方法而言，省去了电容分压器，同时大幅度的降低了对工频升压试验变压器以及现场试验电源的容量要求，减小了工频升压试验变压器的体积以及重量，便于现场搬运；

  2、本发明相对于并联微差补偿工频耐压试验方法而言，电抗器电感量的补偿精确度要求大幅度的降低，同时可省去补偿电容器，使得进行耐压试验的困难程度大幅度降低，整个装置更简单，也就更可靠。

  此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

  为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

  步骤1，建立基于非全补偿的工频并联谐振的耐压试验模型；如图1所示，耐压试验模型包括工频试验电源、工频升压变压器、补偿电抗器和被试品，所述工频试验电源连接在工频升压变压器的低压端，所述被试品并联补偿电抗器后连接在工频升压变压器的高压端。

  步骤2，比较耐压试验模型中被试品上流过的容性电流值ic以及耐压试验模型中工频升压变压器高压端的额定输出电流值i2；如果ic大于i2，计算全补偿时需要在被试品两端并联的补偿电抗器的电感量lq，并在被试品两端并联电感量为l的补偿电抗器进行补偿，执行步骤3；如果ic小于等于i2，则进行耐压试验。补偿电抗器的数量至少为一个，每一个补偿电抗器的电感量为定值。单个补偿电抗器的电感量为20h～200h。l与lq的关系是二者的电感量接近或者l＝lq，l是多个补偿电抗器串联或并联后的总电感量，设单个补偿电抗器的电感量为l1，即l＝βnl1或其中n为自然数，β为串联互感系数，因此n个补偿电抗器的总电感量l与计算需要完全补偿时的电感量lq之间不一定相等，而l与lq越接近，越容易满足i总小于等于i2的条件。因此，本实施例只需要满足小于等于i2，就能达到耐压试验的相应条件，降低了对精确度的要求。将l1的范围选取在20h～200h，是为了适应实际耐压检测中便于调节补偿电抗器的电感量，当被试品所需电感量较大时，采用较大的l1能够减少补偿电抗器使用的个数，当被试品所需的电感量较小时，采用较小的l1可提升补偿电抗器的电感量的精确度。步骤2中，耐压试验模型中被试品上流过的容性电流值ic通过公式ic＝ωcxu计算得到，其中，ω＝2πf是角频率，f是工频频率，cx是被试品的电容量，u为被试品上施加的试验电压。全补偿时所需的补偿电抗器的电感量lq根据被试品的电容量cx在工频下得到；电感量lq通过公式计算得到，其中，ω＝2πf是角频率，f是工频频率，cx是被试品的电容量。

  步骤3，在被试品两端并联补偿电抗器后，计算工频升压变压器高压端输出的总电流i总，i总根据公式得到，比较工频升压变压器高压端输出的总电流i总和工频升压变压器高压端的额定输出电流值i2；如果i总大于i2，则在被试品两端继续增加并联补偿电抗器改变l的值，重新执行步骤3；如果i总小于等于i2，则进行耐压试验。

  本实施例通过与被试品相并联的补偿电抗器对被试品的容性电流进行补偿，使补偿后的总电流不超过工频升压变压器高压输出端的额定电流值，即是说使经补偿后的被试品容量在工频升压变压器的额定输出容量范围以内。因此，经过补偿后电路的容升效应已不明显，仍可采用在工频升压变压器低压侧测量绕组上进行对被试品电压的测量，而无需在高压侧使用电容分压器。

  容升效应是被试品上的容性电流流经工频升压变压器时，在其漏抗上产生了电压降，因此导致被试品上的实际电压高于按工频升压变压器的变比折算后的电源电压的现象。简单的说，流经工频升压变压器或励磁变压器的容性电流越大，容升效应越明显。因此，图2和图3中都使用了电容分压器直接测量被试品上的试验电压。如上述容性电流大部分被感性电流所补偿，那么经补偿后的总电流在流经工频升压变压器或励磁变压器时引起的容升效应将大幅度的降低还可以忽略。这就是图3和图4在经过补偿后而无需在高压侧使用电容分压器来测量试验电压的原因。经过补偿后，容性电流ic＝ωcxu被补偿电抗器的感性电流大部分都补偿了，使得流经工频升压变压器高压侧的电流在其额定电流以下。由于工频升压变压器本身的高压侧额定电流的绝对值是很小的，如实施例2中的0.01a，其引起的容升效应很小可忽略。

  如图1、图2和图3所示，本实施例相对于工频耐压试验方法和变频串联谐振耐压试验方法，被试品的容性电流ic＝ωcxu没有全部流经工频升压变压器或励磁变压器的高压侧，而是大部分的容性电流都被补偿电抗器支路的感性电流所补偿，补偿后只有很小部分的电流流经工频升压变压器的高压侧。因此，本实施例中所用的工频升压变压器的高低压绕组的线圈截面较前者可以更细，因此大大减小了工频升压试验变压器的体积和质量，便于现场的搬运。

  如图1和图4所示，本实施例相对于并联微差补偿工频耐压试验方法采用的是非完全补偿，即在工频下没发生完全的并联谐振。由非全补偿的工频并联谐振的耐压试验模型得到的公式能看出，通过配置补偿电抗器l，使公式中的感性电流il抵消一部分的容性电流ic，经过补偿后只要流过工频升压变压器高压侧的总电流i总小于工频升压变压器高压侧的额定电流i2即可。因此，经非完全补偿后，存在两种情况：第一、感性电流il大于容性电流ic，那么总电流将呈感性；第二、感性电流il小于容性电流ic，那么总电流将呈容性。本方案不需要对被试品电容进行精确补偿，因此可省去补偿电容器等设备同时对补偿电抗器的参数精度要求也可大幅度的降低，并联微差补偿工频耐压试验方法要求精确补偿，其电抗器的电感量精确到1mh、补偿电容器的电容量精确到1pf；本实施例仅需补偿电抗器的电感量精确到100mh。该方案较前述方法的实现门槛大幅度降低，整个装置更简单，也就更可靠。

  为了验证基于非全补偿的工频并联谐振耐压试验方法的实用性和有效性，本文建立了相应的电路模型。具体电路参数如下：被试品(30kv、电容量0.0222μf)，工频升压变压器(50kv、0.01a、变比250:1、高压侧线h、电阻400ω、重量38kg)总共五节，要求对被试品进行21.75kv、5min的交流耐压试验。

  ic＝ωcxu＝2×π×50×0.0222×10-6×21.75×103＝0.1517a远大于工频升压变压器高压侧的额定输出电流0.01a，因此就需要并联补偿电抗器进行电流补偿。

  第三步，根据上一步中计算出的电感量，经估算后选用全部五节电抗器。由于电抗器在叠放时会有互感存在，因此估算后有大致三种组合满足补偿需求，分别为：①三节叠放、另外两节单独放置，五节串联后的总电感为448.4h总电阻2kω；②四节电抗器两两分别叠放后再与另一节串联，五节串联后的总电感为440.8h总电阻2kω；③三节电抗器叠放与另外两节叠放后再串联，五节串联后的总电感为478.8h总电阻2kω。

  可见，三种组合方式补偿后的总电流均小于0.01a，满足工频交流耐压需求。其中，负号表示补偿后的总电流呈感性，而正号表示补偿后的总电流呈容性。

  经现场实测，在被试品上施加试验电压21.75kv时，组合①的总电流的大小为0.004a，组合②的总电流的大小为0.00614a，组合③的总电流的大小为0.00754a，实测值与计算值的偏差主要是由补偿电抗器和工频升压变压器线圈本身的电阻造成的。如被试品的交流耐压时间要求更长，则组合①的方案因其补偿后的总电流最小，更适宜长时间的交流耐压试验。

  基于非全补偿的工频并联谐振耐压试验方法的主旨在于通过在被试品两端并联补偿电抗器，使被试品经补偿后的容量在工频升压变压器的额定输出容量范围内，便可完成工频交流耐压试验。该方法原理简单、便于实现，其试验装置可靠性高、简单便携。

  以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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