串联谐振在中压电缆耐压试验中的应用研究

李双龙 Li Shuanglong

中国核工业第五建设有限公司，上海 201500

摘要：本文以AP1000核岛中压电缆交流耐压试验为背景，通过对干式变压器耐压试验设备和串联谐振耐压试验设备适用性进行分析比较，论述两种设备试验方法的可行性与适用性，证明串联谐振耐压试验方法具有更大的适用性，同时对串联谐振耐压试验方法进行进一步优化，能适用容量较小电缆的耐压试验。为后续核电电缆耐压试验工作提供参考与借鉴。

关键词：AP1000，中压电缆，耐压试验，串联谐振

1. 引言

AP1000是先进的第三代核电技术，中压电缆作为核电的主动脉，电缆质量及绝缘性能直接影响核电的安全运行，因此，中压电缆正式端接前，必须按规定严格进行电缆耐压试验。

耐压试验分为直流耐压试验和交流耐压试验两种。目前普遍采用交流耐压试验代替直流耐压试验，标准机构推荐使用工频或近似工频（30HZ-300HZ）的交流试验方法，交流耐压试验可以有效地验证电缆质量及绝缘性能，发现电缆本身存在的质量问题或者安装施工中对电缆绝缘性能造成的损害，避免因电缆问题影响核电的安全运行。AP1000核电现场，采用交流耐压试验方法进行中压电缆耐压试验。试验前需测试电缆的对地电容值，根据电缆容量、耐压试验等级选取合适的试验设备，干式变压器耐压设备输出电流较低，要求电缆对地电容值不可过高，而串联谐振耐压设备带载能力较高，电缆耐压试压方法的选择，不仅要考虑被试电缆的参数，也要满足试验设备带载能力及试验参数等试验要求，所以针对不同的中压电缆，选择合适的试验方法至关重要，为提高试验效率，选择合适的试验方法尤为关键。

2．研究意义与研究内容

2.1 研究意义

通过对AP1000核岛中压电缆耐压试验方法的研究，分析干式变压器耐压和串联谐振耐压两种试验方法的适用性，为现场提供合理可行的试验方法，同时针对串联谐振耐压试验选择电抗数量的过程中计算难点进行优化，提高工作效率，为后续中压电缆耐压试验工作提供借鉴意义。

2.2 研究内容

1） 以AP1000核岛循环水泵房SWS泵中压电缆为对象，对中压电缆耐压试验常用的干式变压器耐压试验、串联谐振耐压试验两种方法，通过理论上进行计算、分析，判断两种方法的可行性和适用性。

2） 通过串联谐振耐压试验方法对常规岛中压电缆进行耐压试验，对串联谐振耐压试验方法电抗器配置方式进行研究分析，选择现场最优配置方式，进一步验证串联谐振耐压试验方法的适用性。

3） 对串联谐振耐压试验方法进行优化，并比较两种试验方法的优缺点，为现场工作提供参考。

3. 耐压试验方法可行性分析

3. 1. 试验电缆介绍

本文选取的SWS泵中压电缆，起端位于附属厂房中压柜，终端位于循环水泵房SWS泵，全长约800米。

3.2工频耐压试验方法可行性分析

3.2.1设备参数

试验设备参数见表1。

表1 工频耐压试验设备参数

3. 2. 2. 试验原理

工频成套设备试验原理见图1所示：

图1 工频成套设备试验原理

工频耐压试验回路一般由高压试验操作箱、高压变压器、分压器构成。

1. 高压试验操作台：为高压变压器提供电压和监测高压变压器的一次侧电压。

2. 高压变压器：为被测电缆提供高压电压。

3. 分压器：接地系统的直流高压测量。

4. 分压表：接地系统的相和地之间的工频交流高压测量。

工频交流耐压试验原理：高压试验操作台为试验变压器提供工频输入电压，电压经试验变压器升压后，为被试品提供工频试验电压，试验电压通过电容分压器，将电压值反馈到高压试验操作台，整套设备具有过压和过流保护。此外，高压试验操作台配置有电压表、电流表，用于监视试验电压和变压器输入电流。

根据被试电缆的电容和试验电压计算变压器需要输出的耐压电流大小：

1. 为被耐压电缆的电容，在现场耐压试验前用万用表测得；

2. 为试验电压，根据国标 =2 ， 为电缆导体对地或对金属屏蔽层

间的电压， 一般会标识在电缆外皮上，也可查阅产品资料获取。

通过比较变压器二次额定电流 与被耐压电缆电流 大小，判断试验变压器是否可以满足耐压需求。

3. 2. 2. 理论分析

试验前，使用兆欧表测得SWS泵中压电缆对地电容 =233nF，根据电缆规格U₀=12 kV，故U_试 =2*U₀ =24kV

被测电缆 =233nF, =24 kV，f = 50 Hz，根据以下公式

可以计算出需要提供的二次侧电流

由于试验变压器二次额定输出电流 =300mA，实验结果 ，可知现场使用的试验变压器不满足要求，所以现场的工频耐压设备无法满足SWS泵中压电缆的耐压试验。

进一步，由公式：

得出

假设实际试验中，变压器二次侧电流 =300 mA， 13.2 kV，f =50 Hz，得出 72 nF (取整)。

由此，从理论上可以得知，现场工频试验设备适用于对地电容小于72 nF的中压电缆进行耐压试验。根据中压电缆常用电压等级计算出各电压等级被试品适用范围。

表2 适用范围一览表

3.3串联谐振耐压试压可行性分析

3.3.1设备参数

试验设备参数见表3。

表3 串联谐振试验设备参数

3.3.2试验原理

串谐成套设备试验原理见下图2。

图2 串谐成套设备试验原理

变频串联谐振试验回路一般由变频电源、励磁变压器、试验电抗器、电容分压器构成。

变频串联谐振试验原理: 380V的工频交流电送入变频电源，经变频电源处理后，输出频率、幅值可调节的电压，电压送至励磁变压器的低压侧，经励磁变压器升压后送入由试验电抗器、电容分压器以及被试品构成的串联谐振回路，回路谐振频率由试验电抗器电感、试品电容、分压器电容共同决定。在变频电源较小的输出电压下调节其输出频率，当输出频率等于谐振频率 ，串联谐振回路发生串联谐振，再调节变频电源输出电压使试品电压到达试验值，被试品不发生放电、击穿等现象，即为试验合格。

3.3.3理论分析

试验前已测得SWS泵中压电缆对地电容 =233 nF，试验电压为24 kV，电抗器额定电压为37 kV,通过计算确定电抗器的型号和在回路中连接方式。

由公式

得出以下公式：

令 =233 nF， = 0.25 nF， f = 50 Hz，得出 L=43.4 H

由以上理论推导可知，耐压试验回路中串联电抗值 L=43.4 H 的电抗时，满足串联谐振耐压试验的要求，此时，可以对中压电缆进行耐压试验。

采用串联谐振方式需在试验回路中串联一组电抗。由电抗器电压等级可知，至少采用一个电抗器即可满足电压等级要求。进一步想满足频率接近工频的要求，需采用3节电抗并联的方式。根据已测数据，在回路中采用3个电抗器并联，由 ，计算出串联电抗后，回路频率f = 51 Hz，与工频很接近，满足试验要求。

进一步核算试验电流

满足回路中3节电抗器并联，回路电流不小于3A的要求。综合以上分析，利用串联谐振耐压试验方法，可以对SWS泵中压电缆进行耐压试验。

3.3.3串联谐振试验参数计算书

在串联谐振耐压试验过程中，试验频率、试验电流等参数都需要经过公式的计算，并且需要反复计算，为现场耐压试验工作选择设备带来不便。通过现场试验与总结，为方便计算利用EXCEL办公软件的公式功能建立一个计算表。输入相关参数后，即可自动计算出相关频率及试验电流，方便快捷显示直观，并且在手机端也可操作，不仅大幅度减少了计算量，也便利于现场移动办公。

3. 串联谐振耐压试验流程

4. 1. 耐压试验操作流程图

图3 试验流程图

4. 2. 重点操作步骤

1. 试验区域周围拉设警戒带，并挂警示标牌，试验仪器可靠接地，被试电

缆起、终端安排专人监护，严禁无关人员靠近。

2. 确认中压电缆不带电且两端已与关联设备脱开悬空，电缆屏蔽可靠接

地。

3. 中压电缆应在耐压试验前和耐压试验后分别对其进行绝缘电阻测试。

4. 试验设备连接：按下图连接各部件，各接地部件应一点接地，设备接线见示意图4

图 4 设备连接示意图

5. 耐压试验：为保证找频的快速准确，可选择自动调谐，调谐的过程为励磁变提供一个一定频率的小电压，这个频率在范围内连续变化，测量高压端产生的电压，当高压端电压达到最大值时，此时的频率即为谐振频率。为保证试验过程更好的可控性，推荐采用手动升压。手动升压应匀速，接近试验电压时应使用微调，当达到试验电压值时系统会自动开始计时。试验过程中，设备能实时显示试验电压及高压侧的试验电流。保压时间完成后应匀速降压至零，并及时充分放电。

3. 串联谐振耐压试验方法优化

通过对干式变压器试验设备和串联谐振试验设备适用性分析论证，小容量的被试品可采用干式变压器进行耐压试验。现场测得小容量被试品对地电容为2nF,而串联谐振试验设备对于小容量被试品频率很难找到。为进一步提高串联谐振耐压试验方法的适用性，可通过并联补偿电容器方式提高被试品的对地电容，解决小容量被试品串联谐振耐压试验设备不适用的问题。

3. 耐压试验方法比较

通过以上阐述，对现场常用的两种中压电缆耐压试验方法：工频耐压试验方法、串联谐振耐压试验方法进行比较。

工频耐压试验方法，优点是试验原理简单易懂，试验所需设备较少，设备成本较低。缺点是设备重量大，现场搬运不便，试验方法使用范围有限，对于一些长距离、对地电容值高的中压电缆不适用。

串联谐振耐压试验方法，优点是适用范围较大，特别是针对长距离中压电缆，通过电抗、补偿电容的配选，来满足试验要求，灵活度很高，试验控制设备自动化程度较高，人机交互良好。缺点是试验所需设备较多，成本较高，设备重量较大，现场搬运不便，数据计算繁琐，方法优化后可以解决计算问题。

现场实际工作中，根据电缆的相关参数，或者现场实测参数，选择不同的试验方法，以此确保试验结果的准确性，提高工作效率。

3. 结论

本文以AP1000核岛SWS泵中压电缆耐压试验为背景，通过对干式变压器耐压试验方法、串联谐振耐压试验方法进行论述分析，给出了两种方法适用性的直观判断依据，它们是：

1、针对AP1000中压电缆耐压试验各试验电压等级，建立干式变压器耐压试验方法带载能力参数表，能够根据被试电缆对地电容量直接判断是否适用此方法。

2、通过对串联谐振耐压试验方法建立试验参数计算表，可以给出满足试验要求的多种试验方式（电抗器的连接方式），进一步根据现场串联谐振耐压试验设备具体配置情况（如电抗器参数、数量、补偿电容器参数等），选择最优的配置方式（试验频率更接近工频，电抗器使用数量最少等）。

通过分析比较两种试验方法，得出串联谐振耐压试验方法不仅适用性更大，而且有助于提高工作效率。另外，针对串联谐振耐压试验设备较难适用小容量电缆耐压试验问题，通过并联补偿电容器提高被试品的等效对地电容，进一步提高串联谐振耐压试验方法的适用性。

参考文献

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