涂苏格，余艺娟，陈 晨，陈 洁

（国网湖北送变电工程有限公司，湖北 武汉430077）

0 引言

为掌握变频谐振交流耐压试验雷电冲击、操作冲击试验中电缆的电压分布特性，本文利用数值仿真软件ATP-EMTP，模拟现场试验对500 kV XLPE 电缆施加变频谐振电压波、雷电冲击波、操作冲击波，对3 种电压波下电缆中电压分布特性进行仿真计算分析［1-3］。对电缆采用分布参数等效模型，分别进行变频谐振交流耐压、雷电冲击、操作冲击试验仿真分析［4-6］。

1 电缆计算模型

500 kV 电缆选择YJLW03 290/500 1×2 500 mm2。电缆绝缘介电常数ε=2.5，电容分布参数值为1.87×10-10F/m，电感分布参数值为1.99×10-7H/m，电缆的波阻抗为Z=33 Ω，每公里电阻为0.007 3 Ω。

电缆使用分布参数等效电路来等效，如图1所示，R0、L0、G0、C0分别为单位长度电缆的电阻、电感、电导和电容，模型中考虑了电压波沿电缆传输过程中引起的能量损耗［7-14］。

图1 电缆分布参数等效电路Fig.1 Equivalent circuit of cable distribution parameters

2 变频谐振交流耐压试验

根据《Q/GDW 11316—2014 电力电缆线路试验规程》相关要求，电压波形应基本为正弦波形，频率应为20 Hz～300 Hz，试验电压值可为320 kV（1.1U0）、435 kV（1.5U0）、493 kV（1.7U0）、580 kV（2U0），计算同一电压下不同谐振频率时及同一频率下不同试验电压时电缆电压分布特性。

变频串联谐振装置试验原理图如图2所示。在图2中，T为励磁变压器；L为电抗器；C1、C2为高压分压器高低压臂；Cx为被试品等效电容。

图2 变频串联谐振装置试验原理图Fig.2 Schematic diagram of the test of variable frequency series resonance device

运用串联谐振原理，利用励磁变压器激发串联谐振回路，调节变频控制器的输出频率，使回路电感L和试品C串联谐振，谐振电压即为加到试品上电压［15-19］。

用变频串联谐振法对电力电缆进行交流耐压试验的等效电路如图3所示。在图3中，U为励磁变压器的输出电压；R为试验回路的等效电阻。

图3 串联谐振法等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of series resonance method

取试验电压值为493 kV（1.7U0），谐振频率为50 Hz，仿真计算得电缆沿线电压分布特性如图4和图5 所示（将总电缆分成5 段，从首端到末端共采集6 个节点的电压）。

图4 串联谐振下电缆沿线电压波形（f=50 Hz）Fig.4 Voltage waveform along the cable under series resonance(f=50 Hz)

图5 电缆沿线电压分布特性Fig.5 Voltage distribution characteristics along the cable

仿真结果表明，随着电缆长度的增加，电缆电压呈略微增长趋势，但增长幅度不大，这是由于空载长线路的电容效应，输电距离越大，末端电压升高现象越明显。

在20 Hz～300 Hz 频率范围内，选择谐振频率点分别为20 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz，根据已有的电缆电容量计算相应的串联回路电感量，仿真计算电缆末端电压幅值如表1所示。

表1 不同谐振频率下电缆末端电压幅值Table 1 Cable end voltage amplitude under different resonance frequencies

由表1 可以看出，随着频率f 的升高，末端电压升高现象更为明显，说明频率对电缆沿线电压幅值有一定影响。

计算同一频率下（50 Hz）不同试验电压（1.1U0、1.5U0、1.7U0、2U0）时电缆电压分布特性，结果如表2所示（由于各节点电压变化趋势一致，这里仅以末端电压为例）。

表2 同一频率下电缆末端电压幅值Table 2 Voltage amplitude of the cable end under the same frequency

随着试验电压的升高，末端电压呈线性升高，中间各节点呈现相同趋势。

3 雷电冲击电压试验

按照《GB/T 22078.1—2008 额定电压500 kV（Um=550 kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件——试验方法和要求》规定，采用的标准雷电冲击电压波形（1.2/50 μs），试验电压值为1 550 kV，标准雷电冲击电压波形如图6所示［20-24］。

图6 标准雷电冲击电压波形Fig.6 Standard lightning impulse voltage waveform

仿真结果如图7 和图8 所示，仿真时长分别为T=1 ms和T=2 ms。

图7 雷电波下电缆沿线电压分布特性Fig.7 Voltage distribution characteristics along the cable under lightning waves

图8 雷电波下电缆沿线电压分布特性Fig.8 Voltage distribution characteristics along the cable under lightning waves

由于电缆末端开路，依据波传播的固有特性在电缆末端节点电压近乎发生全反射，末端电压抬高2倍，中间各节点也都产生稍高的电压。由于反射波的叠加，中间各节点出现波形的畸变。

4 操作冲击电压试验

按照GB/T 22078.1—2008 规定，采用的标准操作冲击电压波形（250/2 500 μs），试验电压值为1 175 kV，标准操作冲击电压波形如图9 所示［25-30］。在图9 中，Tp=250 μs；T2=2 500 μs。

图9 标准操作冲击电压波形Fig.9 Standard operation impulse voltage waveform

仿真结果如图10所示。

图10 操作波下电缆沿线电压分布特性Fig.10 Voltage distribution characteristics along the cable under the operating wave

操作波下，由于电缆末端波反射造成电压升高，沿线各节点电压波形相似。由于操作波的波头和波尾时间较长以及末端反射波的叠加，造成各节点均出现波形的畸变（除首端外）。

5 结语

通过变频谐振交流耐压、雷电冲击、操作冲击试验仿真分析，仿真结果表明：

1）变频谐振交流耐压试验中，随着电缆长度的增加，电缆电压呈略微增长趋势，但增长幅度不大，这是由于空载长线路的电容效应，输电距离越大，末端电压升高现象越明显；随着频率f的升高，末端电压升高现象更为明显，说明频率对电缆沿线电压幅值有一定影响；随着试验电压的升高，末端电压呈线性升高，中间各节点呈现相同趋势。

2）雷电冲击电压试验中，由于电缆末端开路，依据波传播的固有特性在电缆末端节点电压近乎发生全反射，末端电压抬高2倍，中间各节点也都产生稍高的电压。由于反射波的叠加，中间各节点出现波形的畸变。

3）操作冲击电压试验中，由于电缆末端波反射造成电压升高，沿线各节点电压波形相似。由于操作波的波头和波尾时间较长以及末端反射波的叠加，造成各节点均出现波形的畸变（除首端外）。