調頻串聯諧振試驗裝置工作原理

2012年08月10日 08:33:12人氣：4057來源：揚州拓普電氣科技有限公司

大電容量的電氣設備（如大型發電機組、電力變壓器、電力電容器、GIS、電力電纜等）在一定頻率范圍內的絕緣耐受與工頻耐壓具有一定的等效性，這樣就為利用調頻試驗裝置的電感與被試品的電容串聯產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場使用。現就調頻串聯諧振試驗裝置的原理、特點和在實際應用中的幾點體會進行闡述。

一、調頻串聯諧振試驗裝置原理

　　發生串聯諧振的基本原理是：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，電路發生串聯諧振，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、調頻串聯諧振試驗裝置的特點

　　利用串聯諧振原理在回路中產生高電壓,一般頻率為30~300Hz。串聯諧振高壓發生器原理如下圖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諧振狀態此時：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因數：Q=Ucx/Ulx=（ωL）/R，由于試驗回路中電阻R很小，故試驗回路品質因數很大。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，在初始電壓下調節回路的頻率，觀察Uc的變化達zui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，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，試品上不發生暫態過電壓，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、調聯串聯諧振試驗裝置的幾點應用

　　山東某熱電廠155WM發電機，使用變頻串聯諧振試驗裝置進行工頻交流耐壓的實驗，測得發電機一相定子繞組對地電容285nF，根據工頻耐壓50HZ的要求，需要定做兩個標準電感L1=L2=14H，如圖3所示。信息來源：

　　耐壓試驗時，根據計算頻率在初始電壓下進行調頻。首先檢查接地，串聯諧振接地必須良好，試驗設備接地點與發電機鐵心接地點連在一起一同接地。另外，測溫元件與發電機轉子也要保護接地，但是開始調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，使感抗值發生了變化，重新調整電抗器的距離、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驗。

四、變頻串聯諧振試驗裝置進行耐壓試驗注意事項

　　4.1、試驗頻率的調整

　　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，有調節電感和改變電容量兩個辦法，但由于可調電感的設備價格相對要高得多，為此選擇用并聯電容的辦法（如圖4所示）。

　　在施工現場，并聯電容的來源有耦合電容器、開關的斷口電容器等。在選用并聯電容時，必須考慮并聯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程規定。例如對變壓器耐壓試驗，試驗頻率一般要求在工頻，即45-60HZ。由串聯諧振條件：LC=1/ω，因為L=2*131=262H，所以C 約為27000-48000pF。根據介損試驗數據，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，在規定范圍內，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。現場試驗數據為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，通過并聯電容器和改變電感的串并聯，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。若是遇到短電纜，在電容量不夠時，可并聯電容器。

　　4.2、提高試驗的穩定性

　　在應用中，發現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行試驗。我們知道，為減少試驗變壓器的容量，在選擇 Q 值時，Q 值盡量要大.但當 Q值較大時，而在偏離諧振頻率時，相對較緩。所以，我們可以在試驗變壓器容量允許的條件下選擇偏離諧振頻率進行升壓，達到了降低電壓上升速度的目的。

　　4.2.2、調整回路的品質因數。由圖 Q=Uc/U=1/ωCR 可知，為減少 Q值，必須增加回路電阻，這樣，為達到試驗電壓，勵磁變壓器的輸出容量也要增加，所以，應用這種方法時，必須在容量許可的條件下進行。

　　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、變頻串聯諧振試驗裝置的優點

　　5.1、體積小、重量輕，適合施工現場使用。高電壓等級時，電抗器采用積木式結構，同時便于運輸和現場安裝。

　　5.2、在試品擊穿時，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、采用一點接地、進線保護、低通道濾波器、放電保護等，不僅可以在穩態下使放電或擊穿電流小，而且還使暫態（瞬時）電流的破壞減小，從而保證設備和人身的安全。

　　5.4、適用范圍廣。可對電力電纜、斷路器、開關進行調頻交流耐壓試驗，對大型發電機組、電力變壓器、互感器、套管等電氣設備進行耐壓試驗，還可用于局部放電試驗及測量接地電阻。

　　5.5、調頻串聯諧振試驗裝置是先在低電壓下調諧振點，然后再升高電壓幅值達到試驗所需電壓，且能保持諧振點，安全可靠。

　　利用串聯諧振的方法進行交流耐壓試驗是*可行的。對于試驗中遇到的問題，采用調整試驗頻率、選擇偏離諧振頻率下進行試驗和調整回路的品質因數的方法也是行之有效的。前面所述僅僅是目前實際操作中發現的問題，今后還會遇到一些其它的技術問題，有待在實踐中發現和解決。目前電力規范中規定35KV及以上電纜試驗必須做交流耐壓，這就要求我們不斷總結經驗，取長補短，逐漸改進，對新工藝、新材料提出更高的要求，用行之有效科學方法去應對日益發展新技術。
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關鍵詞：發電機變壓器電容器電力電纜電抗器

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