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变频串联谐振试验装置的工作原理

大电容量的电气设备(如大型发电机组、电力变压器、电力电容器、GIS、电力电缆等)在一定频率范围内的绝缘耐受与工频耐压具有一定的等效性,这样就为利用调频试验装置的电感与被试品的电容串联产生谐振电压来进行交流耐压试验提供了可能,且由于试验装置的励磁电压低、重量轻,非常方便于在施工现场使用。现就调频串联谐振试验装置的原理、特点和在实际应用中的几点体会进行阐述。
一、变频串联谐振试验装置的工作原理
  发生串联谐振的基本原理是:在R-L-C电路中(如图1所示)
  
 
  由电工知识得到:Uc=I/ωC,UL=I*ωL,UR=I*R,U=Uc+UL+UR,当LRC串联回路中的感抗与试品容抗相等时,电感中的磁场能量与试品电容中的电场能量相互补偿,试品所需的无功功率全部由电抗器供给,电源只提供回路的有功损耗。电源电压与谐振回路电流同相位,电感上的电压降与电容上的压降大小相等,相位相反。由图1可知,当 ωL=1/ωc,回路的谐振频率f=1/2π√LC,也就是说,电路发生串联谐振,电源提供很小的励磁电压,试品上就能得到很高的电压,电源频率为谐振频率。
二、变频串联谐振试验装置的工作原理
  利用串联谐振原理在回路中产生高电压,一般频率为30~300Hz。串联谐振高压发生器原理如下图2表示:
  
 
  当电源频率(f)、电感(L)及被试设备电容(C)满足下式时回路处于串联谐振状态此时:f=1/2π√LC,回路中电流为I=Ulx/R,被试设备电压为Ucx=I/ωCx输出电压与励磁电压之比为试验回路的品质因数:Q=Ucx/Ulx=(ωL)/R,由于试验回路中电阻R很小,故试验回路品质因数很大。一般正常时可达50以上,既输出电压是励磁电压50倍,因此用较低容量的试验变压器就能得到较高的试验电压。这样就解决了在一般的交流耐压试验中试验变压器容量不能满足试验要求的问题。而此时电容量与电感的关系为ωL=1/ωc,因为对某个试品而言,电容量是固有的,试验用可调电感的价格也非常昂贵,因此解决问题的途径就引到了改变电源频率回路的谐振频率,在初始电压下调节回路的频率,观察Uc的变化达*大值时,增加或减小频率时谐振电压都要下降,这时的频率为谐振频率,这时的电压为谐振点电压,增加励磁电压就能升高谐振电压,从而达到试验电压目的。另外,由于试验回路是处于谐振状态,回路本身具有良好的滤波作用,电源波形中的谐波分量在设备两端大为减小,从而输出良好的正弦波形。当试品放电或击穿时,即回路中等值电容被短路,谐振条件被破坏,电压明显下降,恢复电压上升缓慢,试品上不发生暂态过电压,且电源供给的短路电流受到电抗的限制而减少,从而限制被试设备的损坏程度。
三、变频串联谐振试验装置的几点应用
  山东某热电厂155WM发电机,使用变频串联谐振试验装置进行工频交流耐压的实验,测得发电机一相定子绕组对地电容285nF,根据工频耐压50HZ的要求,需要定做两个标准电感L1=L2=14H,如图3所示。
  
 
  耐压试验时,根据计算频率在初始电压下进行调频。首先检查接地,串联谐振接地必须良好,试验设备接地点与发电机铁心接地点连在一起一同接地。另外,测温元件与发电机转子也要保护接地,但是开始调频实验时结果不太理想,频率达不到工频要求,断开电源后检查外部连线正确,怀疑两个电抗器摆放位置的影响,由于两个电抗器互感作用,使感抗值发生了变化,重新调整电抗器的距离、位置,找到工频50HZ谐振点,开始升压,升到允许耐压值后,保持一分钟,工频耐压试验顺利通过。通过此次试验使得在大型高压电机的耐压试验方面积累宝贵经验。
四、变频串联谐振试验装置的工作原理
  4.1、试验频率的调整
  对试验装置与被试品构成的回路,其谐振频率是确定的,有时可能会出现被试品频率不能满足试品所要求的频率。由公式:ωL=1/ωC,为满足频率要求,有调节电感和改变电容量两个办法,但由于可调电感的设备价格相对要高得多,为此选择用并联电容的办法(如图4所示)。
  
 
  在施工现场,并联电容的来源有耦合电容器、开关的断口电容器等。在选用并联电容时,必须考虑并联电容器能够承受试验电压的考验,电容量的大小必须使试验电压频率能够满足规程规定。例如对变压器耐压试验,试验频率一般要求在工频,即45-60HZ。由串联谐振条件:LC=1/ω,因为L=2*131=262H,所以C约为27000-48000pF。根据介损试验数据,变压器高对低的电容量一般要小于27000pF,显然不能满足谐振条件。例如,我们在做某台主变220KV中性点套管耐压试验时,根据高对低地的电容量Cx=18000pF,试验电压为72KV,实际条件选用110KV耦合电容器(C1-10000PF)。这样,C=C1+Cx=28000pF,f=58.8HZ,在规定范围内,考虑到高压引线对地的杂散电容影响,实际测量值要比计算值略低。现场试验数据为f=55.6HZ,与计算值相符。又如电缆,其耐压试验的频率一般要求在30-75HZ间。由于不同长度、不同截面电缆的电容量不同,要实际情况实际计算,通过并联电容器和改变电感的串并联,使得频率符合要求。如110KV电缆,YJLW03-64/110,400平方毫米,440米,单芯电容量为65nF,可计算得f=2*(65*10*131)=53HZ,在范围内。若是遇到短电缆,在电容量不够时,可并联电容器。
  4.2、提高试验的稳定性
  在应用中,发现当电压升到接近试验电压时,电压上升速度太快并伴有较大的电压波动,甚至能导致电压保护动作,使试验必须重新开始,这对设备安全是不利的。但如果电压保护值设定过大,就不能很好的起到保护被试设备免受过电压的作用。根据R-L-C电路的通用频率特性曲线(如下图5)。
  
 
  改变这种情况的方法有以下两种:
  4.2.1、选择偏离谐振频率下进行试验。我们知道,为减少试验变压器的容量,在选择 Q 值时,Q值尽量要大.但当Q值较大时,而在偏离谐振频率时,相对较缓。所以,我们可以在试验变压器容量允许的条件下选择偏离谐振频率进行升压,达到了降低电压上升速度的目的。
  4.2.2、调整回路的品质因数。由图Q=Uc/U=1/ωCR 可知,为减少Q值,必须增加回路电阻,这样,为达到试验电压,励磁变压器的输出容量也要增加,所以,应用这种方法时,必须在容量许可的条件下进行。
  4.3、对接地电阻的要求
  接地线要于接地体可靠连接,接地电阻小于4Ω。
五、变频串联谐振试验装置的工作原理
  5.1、体积小、重量轻,适合施工现场使用。高电压等级时,电抗器采用积木式结构,同时便于运输和现场安装。
  5.2、在试品击穿时,谐振条件破坏,短路电流小,只有试品额定电流的 1/10以下,对试品的危害性小。
  5.3、采用一点接地、进线保护、低通道滤波器、放电保护等,不仅可以在稳态下使放电或击穿电流小,而且还使暂态(瞬时)电流的破坏减小,从而保证设备和人身的安全。
  5.4、适用范围广。可对电力电缆、断路器、开关进行调频交流耐压试验,对大型发电机组、电力变压器、互感器、套管等电气设备进行耐压试验,还可用于局部放电试验及测量接地电阻。
  5.5、调频串联谐振试验装置是先在低电压下调谐振点,然后再升高电压幅值达到试验所需电压,且能保持谐振点,安全可靠。
  利用串联谐振的方法进行交流耐压试验是完全可行的。对于试验中遇到的问题,采用调整试验频率、选择偏离谐振频率下进行试验和调整回路的品质因数的方法也是行之有效的。前面所述仅仅是目前实际操作中发现的问题,今后还会遇到一些其它的技术问题,有待在实践中发现和解决。目前电力规范中规定35KV及以上电缆试验必须做交流耐压,这就要求我们不断总结经验,取长补短,逐渐改进,对新工艺、新材料提出更高的要求,用行之有效科学方法去应对日益发展新技术。
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