變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置的原理

      2011年，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)場使用。現(xiàn)就變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的原理、特點(diǎn)和在實(shí)際應(yīng)用中的幾點(diǎn)體會進(jìn)行闡述。

　　一、變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置的原理

　　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)

變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置的原理

　　由電工知識得到：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)，電感中的磁場能量與試品電容中的電場能量相互補(bǔ)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(dāng) 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(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)要求的問題。而此時(shí)電容量與電感的關(guān)系為ωL=1/ωc，因?yàn)閷δ硞€(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)zui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。信息來源：www.88893507.com

　　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)，測得發(fā)電機(jī)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)電感L1=L2=14H，如圖3所示。

　　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，測溫元件與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子也要保護(hù)接地，但是開始調(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。通過此次試驗(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、變頻串聯(lián)諧振裝置進(jìn)行耐壓試驗(yàn)注意事項(xiàng)

　　4.1、試驗(yàn)頻率的調(diào)整

　　對試驗(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(gè)辦法，但由于可調(diào)電感的設(shè)備價(jià)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(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=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(diǎn)套管耐壓試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)高對低地的電容量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)，考慮到高壓引線對地的雜散電容影響，實(shí)際測量值要比計(jì)算值略低?，F(xiàn)場試驗(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，甚至能導(dǎo)致電壓保護(hù)動作，使試驗(yàn)必須重新開始，這對設(shè)備安全是不利的。但如果電壓保護(hù)值設(shè)定過大，就不能很好的起到保護(hù)被試設(shè)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(如下圖5)。

　　改變這種情況的方法有以下兩種：

　　4.2.1、選擇偏離諧振頻率下進(jìn)行試驗(yàn)。我們知道，為減少試驗(yàn)變壓器的容量，在選擇 Q 值時(shí)，Q值盡量要大.但當(dāng)Q值較大時(shí)，而在偏離諧振頻率時(shí)，相對較緩。所以，我們可以在試驗(yàn)變壓器容量允許的條件下選擇偏離諧振頻率進(jìn)行升壓，達(dá)到了降低電壓上升速度的目的。

　　4.2.2、調(diào)整回路的品質(zhì)因數(shù)。由圖 Q=Uc/U=1/ωCR可知，為減少Q(mào)值，必須增加回路電阻，這樣，為達(dá)到試驗(yàn)電壓，勵(lì)磁變壓器的輸出容量也要增加，所以，應(yīng)用這種方法時(shí)，必須在容量許可的條件下進(jìn)行。

　　4.3、對接地電阻的要求

　　接地線要于接地體可靠連接，接地電阻小于4Ω。

　　五、變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

　　5.1、體積小、重量輕，適合施工現(xiàn)場使用。高電壓等級時(shí)，電抗器采用積木式結(jié)構(gòu)，同時(shí)便于運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝。

　　5.2、在試品擊穿時(shí)，諧振條件破壞，短路電流小，只有試品額定電流的 1/10以下，對試品的危害性小。

　　5.3、采用一點(diǎn)接地、進(jìn)線保護(hù)、低通道濾波器、放電保護(hù)等，不僅可以在穩(wěn)態(tài)下使放電或擊穿電流小，而且還使暫態(tài)(瞬時(shí))電流的破壞減小，從而保證設(shè)備和人身的安全。

　　5.4、適用范圍廣?？蓪﹄娏﹄娎|、斷路器、開關(guān)進(jìn)行變頻交流耐壓試驗(yàn)，對大型發(fā)電機(jī)組、電力變壓器、互感器、套管等電氣設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，還可用于局部放電試驗(yàn)及測量接地電阻。

　　5.5、變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置是先在低電壓下調(diào)諧振點(diǎn)，然后再升高電壓幅值達(dá)到試驗(yàn)所需電壓，且能保持諧振點(diǎn)，安全可靠。