關(guān)于變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置的應(yīng)用

    本文介紹了變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置的工作原理，闡明了其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)實(shí)際使用中的問(wèn)題進(jìn)行了分析處理，具有一定的使用價(jià)值。   關(guān)鍵詞：電容、電感、串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)、品質(zhì)因數(shù)  頻率調(diào)整  近年來(lái)，大電容量的電氣設(shè)備（如大型發(fā)電機(jī)組、電力變壓器、電力電容器、GIS、電力電纜等）在一定頻率范圍內(nèi)的絕緣耐受與工頻耐壓具有一定的等效性，這樣就為利用變頻試驗(yàn)裝置的電感與被試品的電容串聯(lián)產(chǎn)生諧振電壓來(lái)進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)提供了可能，且由于試驗(yàn)裝置的勵(lì)磁電壓低、重量輕，非常方便于在施工現(xiàn)場(chǎng)使用?，F(xiàn)就變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置的原理、特點(diǎn)和在實(shí)際應(yīng)用中的幾點(diǎn)體會(huì)進(jìn)行闡述。  一、 串聯(lián)諧振的基本原理   發(fā)生串聯(lián)諧振的基本原理是：在R-L-C電路中（如圖1所示） 

    由電工知識(shí)得到：Uc＝I/ωC,UL＝I*ωL，UR＝I*R，U＝Uc＋UL＋UR，當(dāng) LRC 串聯(lián)回路中的感抗與試品容抗相等時(shí)，電感中的磁場(chǎng)能量與試品電容中的電場(chǎng)能量相互補(bǔ)償，試品所需的無(wú)功功率全部由電抗器供給，電源只提供回路的有功損耗。電源電壓與諧振回路電流同相位，電感上的電壓降與電容上的壓降大小相等，相位相反。由圖 1 可知，當(dāng) ωL＝1/ωc，回路的諧振頻率 f＝1/2π√LC ,也就是說(shuō)，電路發(fā)生串聯(lián)諧振，電源提供很小的勵(lì)磁電壓，試品上就能得到很高的電壓,電源頻率為諧振頻率。  二、變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)   利用串聯(lián)諧振原理在回路中產(chǎn)生高電壓,一般頻率為30~300Hz。 串聯(lián)諧振高壓發(fā)生器原理如下圖2表示：

     當(dāng)電源頻率（f）、電感（L）及被試設(shè)備電容（C）滿足下式時(shí)回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)此時(shí): f＝1/2π√LC，回路中電流為I=Ulx/R,被試設(shè)備電壓為Ucx=I/ωCx輸出電壓與勵(lì)磁電壓之比為試驗(yàn)回路的品質(zhì)因數(shù)：Q=Ucx/Ulx=（ωL）/R，由于試驗(yàn)回路中電阻R很小，故試驗(yàn)回路品質(zhì)因數(shù)很大。一般正常時(shí)可達(dá)50以上，既輸出電壓是勵(lì)磁電壓50倍，因此用較低容量的試驗(yàn)變壓器就能得到較高的試驗(yàn)電壓。這樣就解決了在一般的交流耐壓試驗(yàn)中試驗(yàn)變壓器容量不能滿足試驗(yàn)要求的問(wèn)題。而此時(shí)電容量與電感的關(guān)系為ωL＝1/ωc，因?yàn)閷?duì)某個(gè)試品而言，電容量是固有的，試驗(yàn)用可調(diào)電感的價(jià)格也非常昂貴，因此解決問(wèn)題的途徑就引到了改變電源頻率回路的諧振頻率，在初始電壓下調(diào)節(jié)回路的頻率，觀察 Uc的變化達(dá)大值時(shí)，增加或減小頻率時(shí)諧振電壓都要下降，這時(shí)的頻率為諧振頻率，這時(shí)的電壓為諧振點(diǎn)電壓，增加勵(lì)磁電壓就能升高諧振電壓，從而達(dá)到試驗(yàn)電壓目的。另外，由于試驗(yàn)回路是處于諧振狀態(tài)，回路本身具有良好的濾波作用，電源波形中的諧波分量在設(shè)備兩端大為減小，從而輸出良好的正弦波形。當(dāng)試品放電或擊穿時(shí)，即回路中等值電容被短路，諧振條件被破壞，電壓明顯下降，恢復(fù)電壓上升緩慢，試品上不發(fā)生暫態(tài)過(guò)電壓，且電源供給的短路電流受到電抗的限制而減少，從而限制被試設(shè)備的損壞程度。 三、串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置的幾點(diǎn)應(yīng)用  山東某熱電廠155WM發(fā)電機(jī)，使用變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置進(jìn)行工頻交流耐壓的實(shí)驗(yàn)，測(cè)得發(fā)電機(jī)一相定子繞組對(duì)地電容285nF，根據(jù)工頻耐壓50HZ的要求，需要定做兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電感L1=L2=14H，                        

    耐壓試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)計(jì)算頻率在初始電壓下進(jìn)行調(diào)頻。首先檢查接地，串聯(lián)諧振接地必須良好，試驗(yàn)設(shè)備接地點(diǎn)與發(fā)電機(jī)鐵心接地點(diǎn)連在一起一同接地。另外，測(cè)溫元件與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子也要保護(hù)接地，但是開(kāi)始調(diào)頻實(shí)驗(yàn)時(shí)結(jié)果不太理想，頻率達(dá)不到工頻要求，斷開(kāi)電源后檢查外部連線正確，懷疑兩個(gè)電抗器擺放位置的影響，由于兩個(gè)電抗器互感作用，使感抗值發(fā)生了變化，重新調(diào)整電抗器的距離、位置，找到工頻50HZ諧振點(diǎn)，開(kāi)始升壓，升到允許耐壓值后，保持一分鐘，工頻耐壓試驗(yàn)順利通過(guò)。通過(guò)此次試驗(yàn)使得在大型高壓電機(jī)的耐壓試驗(yàn)方面積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。           四、當(dāng)前，使用變頻串聯(lián)諧振裝置進(jìn)行耐壓試驗(yàn)比較廣泛，但在應(yīng)用中有如下幾個(gè)方面的問(wèn)題，值得關(guān)注。   4.1、試驗(yàn)頻率的調(diào)整  對(duì)試驗(yàn)裝置與被試品構(gòu)成的回路，其諧振頻率是確定的，有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)被試品頻率不能滿足試品所要求的頻率。由公式：ωL＝1/ ωC，為滿足頻率要求，有調(diào)節(jié)電感和改變電容量?jī)蓚€(gè)辦法，但由于可調(diào)電感的設(shè)備價(jià)格相對(duì)要高得多，為此選擇用并聯(lián)電容的辦法（如圖4所示）， 

    在施工現(xiàn)場(chǎng)，并聯(lián)電容的來(lái)源有耦合電容器、開(kāi)關(guān)的斷口電容器等。在選用并聯(lián)電容時(shí)，必須考慮并聯(lián)電容器能夠承受試驗(yàn)電壓的考驗(yàn)，電容量的大小必須使試驗(yàn)電壓頻率能夠滿足規(guī)程規(guī)定。例如對(duì)變壓器耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)頻率一般要求在工頻，即45－60HZ。由串聯(lián)諧振條件：LC=1/ω，因?yàn)長(zhǎng)＝2*131＝262H

    所以 C 約為 27000-48000pF。根據(jù)介損試驗(yàn)數(shù)據(jù)，變壓器高對(duì)低的電容量一般要小于27000pF，顯然不能滿足諧振條件。例如，我們?cè)谧瞿撑_(tái)主變220KV中性點(diǎn)套管耐壓試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)高對(duì)低地的電容量 Cx＝18000pF，試驗(yàn)電壓為 72KV,實(shí)際條件選用 110KV 耦合電容器（C1-10000PF）。這樣，C=C1+Cx＝28000pF，f＝58.8HZ，在規(guī)定范圍內(nèi)，考慮到高壓引線對(duì)地的雜散電容影響，實(shí)際測(cè)量值要比計(jì)算值略低?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為f＝55.6HZ，與計(jì)算值相符。又如電纜，其耐壓試驗(yàn)的頻率一般要求在30-75HZ間。由于不同長(zhǎng)度、不同截面電纜的電容量不同，要實(shí)際情況實(shí)際計(jì)算，通過(guò)并聯(lián)電容器和改變電感的串并聯(lián)，使得頻率符合要求。如 110KV 電纜，YJLW03-64/110，400平方毫米，440米，單芯電容量為65nF，可計(jì)算得f＝2*（65*10 *131） =53HZ,在范圍內(nèi)。若是遇到短電纜，在電容量不夠時(shí)，可并聯(lián)電容器。   4.2、提高試驗(yàn)的穩(wěn)定性  在應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓升到接近試驗(yàn)電壓時(shí)，電壓上升速度太快并伴有較大的電壓波動(dòng)，甚至能導(dǎo)致電壓保護(hù)動(dòng)作，使試驗(yàn)必須重新開(kāi)始，這對(duì)設(shè)備安全是不利的。但如果電壓保護(hù)值設(shè)定過(guò)大，就不能很好的起到保護(hù)被試設(shè)備免受過(guò)電壓的作用。根據(jù)R-L-C電路的通用頻率特性曲線。