關于變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗裝置的應用

    本文介紹了變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗裝置的工作原理，闡明了其設計結構特點，并對實際使用中的問題進行了分析處理，具有一定的使用價值。   關鍵詞：電容、電感、串聯(lián)諧振耐壓試驗、品質(zhì)因數(shù)  頻率調(diào)整  近年來，大電容量的電氣設備（如大型發(fā)電機組、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裝置的電感與被試品的電容串聯(lián)產(chǎn)生諧振電壓來進行交流耐壓試驗提供了可能，且由于試驗裝置的勵磁電壓低、重量輕，非常方便于在施工現(xiàn)場使用?，F(xiàn)就變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗裝置的原理、特點和在實際應用中的幾點體會進行闡述。  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） 

    由電工知識得到：Uc＝I/ωC,UL＝I*ωL，UR＝I*R，U＝Uc＋UL＋UR，當 LRC 串聯(lián)回路中的感抗與試品容抗相等時，電感中的磁場能量與試品電容中的電場能量相互補償，試品所需的無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 ωL＝1/ωc，回路的諧振頻率 f＝1/2π√LC ,也就是說，電路發(fā)生串聯(lián)諧振，電源提供很小的勵磁電壓，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)諧振耐壓試驗裝置的特點   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：

     當電源頻率（f）、電感（L）及被試設備電容（C）滿足下式時回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)此時: f＝1/2π√LC，回路中電流為I=Ulx/R,被試設備電壓為Ucx=I/ωCx輸出電壓與勵磁電壓之比為試驗回路的品質(zhì)因數(shù)：Q=Ucx/Ulx=（ωL）/R，由于試驗回路中電阻R很小，故試驗回路品質(zhì)因數(shù)很大。一般正常時可達50以上，既輸出電壓是勵磁電壓50倍，因此用較低容量的試驗變壓器就能得到較高的試驗電壓。這樣就解決了在一般的交流耐壓試驗中試驗變壓器容量不能滿足試驗要求的問題。而此時電容量與電感的關系為ωL＝1/ωc，因為對某個試品而言，電容量是固有的，試驗用可調(diào)電感的價格也非常昂貴，因此解決問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的變化達大值時，增加或減小頻率時諧振電壓都要下降，這時的頻率為諧振頻率，這時的電壓為諧振點電壓，增加勵磁電壓就能升高諧振電壓，從而達到試驗電壓目的。另外，由于試驗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備兩端大為減小，從而輸出良好的正弦波形。當試品放電或擊穿時，即回路中等值電容被短路，諧振條件被破壞，電壓明顯下降，恢復電壓上升緩慢，試品上不發(fā)生暫態(tài)過電壓，且電源供給的短路電流受到電抗的限制而減少，從而限制被試設備的損壞程度。 三、串聯(lián)諧振耐壓試驗裝置的幾點應用  山東某熱電廠155WM發(fā)電機，使用變頻串聯(lián)諧振試驗裝置進行工頻交流耐壓的實驗，測得發(fā)電機一相定子繞組對地電容285nF，根據(jù)工頻耐壓50HZ的要求，需要定做兩個標準電感L1=L2=14H，                        

    耐壓試驗時，根據(jù)計算頻率在初始電壓下進行調(diào)頻。首先檢查接地，串聯(lián)諧振接地必須良好，試驗設備接地點與發(fā)電機鐵心接地點連在一起一同接地。另外，測溫元件與發(fā)電機轉(zhuǎn)子也要保護接地，但是開始調(diào)頻實驗時結果不太理想，頻率達不到工頻要求，斷開電源后檢查外部連線正確，懷疑兩個電抗器擺放位置的影響，由于兩個電抗器互感作用，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，開始升壓，升到允許耐壓值后，保持一分鐘，工頻耐壓試驗順利通過。通過此次試驗使得在大型高壓電機的耐壓試驗方面積累寶貴經(jīng)驗。           四、當前，使用變頻串聯(lián)諧振裝置進行耐壓試驗比較廣泛，但在應用中有如下幾個方面的問題，值得關注。   4.1、試驗頻率的調(diào)整  對試驗裝置與被試品構成的回路，其諧振頻率是確定的，有時可能會出現(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)電感和改變電容量兩個辦法，但由于可調(diào)電感的設備價格相對要高得多，為此選擇用并聯(lián)電容的辦法（如圖4所示）， 

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

    所以 C 約為 27000-48000pF。根據(jù)介損試驗數(shù)據(jù)，變壓器高對低的電容量一般要小于27000pF，顯然不能滿足諧振條件。例如，我們在做某臺主變220KV中性點套管耐壓試驗時，根據(jù)高對低地的電容量 Cx＝18000pF，試驗電壓為 72KV,實際條件選用 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)，考慮到高壓引線對地的雜散電容影響，實際測量值要比計算值略低?，F(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)為f＝55.6HZ，與計算值相符。又如電纜，其耐壓試驗的頻率一般要求在30-75HZ間。由于不同長度、不同截面電纜的電容量不同，要實際情況實際計算，通過并聯(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，可并聯(lián)電容器。   4.2、提高試驗的穩(wěn)定性  在應用中，發(fā)現(xiàn)當電壓升到接近試驗電壓時，電壓上升速度太快并伴有較大的電壓波動，甚至能導致電壓保護動作，使試驗必須重新開始，這對設備安全是不利的。但如果電壓保護值設定過大，就不能很好的起到保護被試設備免受過電壓的作用。根據(jù)R-L-C電路的通用頻率特性曲線。