變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置在電力工程中的應(yīng)用
1、文章引言
按照電氣設(shè)備交接試驗(yàn)要求，變壓器、GIS系統(tǒng)、SF6斷路器、電流互感器、電力電纜、套管等容性設(shè)備交接時(shí)需進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。采用傳統(tǒng)的工頻電壓試驗(yàn)法進(jìn)行容性設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，升壓試驗(yàn)變壓器笨重、龐大，且現(xiàn)場大電流試驗(yàn)電源不易取得。與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比較，變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)成套裝置具有輸入電源容量小、設(shè)備重量輕，品質(zhì)因數(shù)高，并具有自動(dòng)調(diào)諧、多重保護(hù)、組合方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。
由于串聯(lián)諧振電源是利用諧振電抗器和被試品電容諧振產(chǎn)生高電壓和大電流的，試驗(yàn)電源只需提供系統(tǒng)有功的消耗，因此其所需電源功率只有試驗(yàn)容量的1/Q。而且，由于串聯(lián)諧振試驗(yàn)不需要大功率調(diào)壓裝置和工頻試驗(yàn)變壓器，諧振激磁電源只需試驗(yàn)容量的1/Q，使得串聯(lián)諧振系統(tǒng)重量和體積大大減少。另外，諧振電源是諧振式濾波電路，其能改善輸出電壓波形，從而防止諧波峰值對試品的誤擊穿。而在串聯(lián)諧振狀態(tài)下，當(dāng)試品絕緣弱點(diǎn)被擊穿時(shí)，電路立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗(yàn)電流的1/Q，故其還可防止大的短路電流對故障點(diǎn)的燒傷。
2、串聯(lián)諧振原理分析
在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路中，當(dāng)容抗與感抗相等時(shí)，電路中的電壓與電流相位相同，電路呈現(xiàn)純電阻性，此即為串聯(lián)諧振[3]。當(dāng)電路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，電路的阻抗Z=R，此時(shí)回路總阻抗值最小，回路電流最大值。電感和電容元件串聯(lián)組成的一端口網(wǎng)絡(luò)，其等效阻抗，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，其端口電壓與電流同相位，即，由此可推得諧振角頻率和諧振頻率分別為，。定義諧振時(shí)的感抗或容抗 為特性阻抗ρ，則特性阻抗ρ與電阻R的比值即為品質(zhì)因數(shù)Q。
電路諧振時(shí)阻抗值最小，當(dāng)端口電壓一定時(shí)，電路電流將達(dá)到最大值，且該值的大小僅與電阻的阻值有關(guān)而與電感和電容無關(guān)。諧振時(shí)電感電壓與電容電壓數(shù)值相等、相位相反，為總電壓的Q倍，即。RLC串聯(lián)電路的電流是電源頻率的函數(shù)，
即，在電路的電感L、電容C和電源電壓US不變的情況下，不同的R值得到不同的Q值，不同Q值時(shí)的電流幅頻特性曲線。
為了研究電路參數(shù)對諧振特性的影響，通常采用通用諧振曲線，串聯(lián)諧振電路的通用諧振曲線。通用諧振曲線的形狀只與Q值有關(guān)，且曲線形狀越尖銳，電路的選頻性能越好。幅值大于峰值的0.707倍所對應(yīng)的頻率范圍為通帶寬，理論推導(dǎo)可得，由該式可知通帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比。
3、變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的工程應(yīng)用分析
變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置其諧振頻率，其中L為電抗器的電感值，如有幾個(gè)電抗器串并聯(lián)使用應(yīng)考慮互感的影響；C為被試品及分壓電容器的和，現(xiàn)場可以用電橋或介損儀進(jìn)行實(shí)際測量獲得。高壓電流I=2πfCU，由被試品的電氣參數(shù)和出廠耐壓試驗(yàn)值，可確定現(xiàn)場的耐壓試驗(yàn)電壓U；有功功率P=1.2（P0+PK），其中P0為勵(lì)磁變空載損耗，PK為電抗器額定有功損耗。
變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)過程中，勵(lì)磁變的容量應(yīng)大于有功功率P，并在勵(lì)磁變最低輸出電壓滿足試驗(yàn)要求的前提下盡量降低勵(lì)磁變的變比，從而相應(yīng)減小勵(lì)磁變原邊的輸入電流。試驗(yàn)電源容量S=P+P1，其中P1為變頻電源本身的損耗，由電源端輸入電壓為380V可得電源電流I1=。試驗(yàn)中電抗器的額定電壓和電流也應(yīng)大于試驗(yàn)電壓和高壓電流，當(dāng)電抗器采取串并聯(lián)以滿足試驗(yàn)要求時(shí)，必須計(jì)算每個(gè)電抗器上所承受的電壓和電流不超限值。
在現(xiàn)場試驗(yàn)中，通常采用16mm2以上的裸銅線接地，裸銅線其寄生電感在μH數(shù)量級(jí)，約0.1-1μH/m，直流電阻約0.1mΩ，如果接地線有彎曲環(huán)繞現(xiàn)象，電感量可增加到10-1000μH/m。試品絕緣通常在交流電壓的正峰值或負(fù)峰值被擊穿，試品被擊穿瞬間試品上的電壓最高，擊穿后試品上的電壓跌落到零的時(shí)間一般在0.1-10μs之間，具體情況與擊穿點(diǎn)的實(shí)際情況有關(guān)。從放電能量上看，即使放電時(shí)，試品的最小電容量只有0.002μF，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)試品電容量遠(yuǎn)大于該值。如以放電時(shí)頻率為100kHz、地線寄生電感為1μH、放電電流為1000A計(jì)算，地線的寄生感抗XL==0.628Ω，地線可能產(chǎn)生的過電壓Ud=If XL=1000×0.628=628V。如果地線連接不規(guī)范，寄生電感就會(huì)增大很多，產(chǎn)生的過電壓可能更大，可危及變頻電源及人身安全。所以高壓試驗(yàn)系統(tǒng)必須一點(diǎn)可靠接地，分壓器的接地點(diǎn)與大地的連接線應(yīng)盡量短，接地線應(yīng)粗、直、短，從而保證試驗(yàn)安全。
4、變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置在工程中的應(yīng)用范例分析
以某變電站220kV GIS導(dǎo)體對外殼耐壓試驗(yàn)為例，產(chǎn)品出廠試驗(yàn)電壓導(dǎo)體對地為460kV，現(xiàn)場交接試驗(yàn)電壓值為出廠試驗(yàn)的80%，即368kV。試驗(yàn)設(shè)備采用變頻式串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)按電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進(jìn)行[1，5]。試驗(yàn)時(shí)GIS設(shè)備所有氣室均充額定壓力SF6氣體且微水測量合格，架空線、電力變壓器、避雷器和保護(hù)間隙與GIS隔離開。導(dǎo)體對外殼耐壓加壓試驗(yàn)時(shí)，220kV GIS試驗(yàn)電壓由#1主變220kV側(cè)套管處施加，每次一相，其他兩相與接地的外殼短接。
為進(jìn)行GIS導(dǎo)體對外殼交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)前先用介損儀在該變#1主變220kV側(cè)測得各相對地電容，并根據(jù)被試設(shè)備電容量估算所需電感以及試驗(yàn)電流及容量，各相對地電容量如表1所示。根據(jù)理論計(jì)算進(jìn)行準(zhǔn)備試驗(yàn)工作，現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)際諧振頻率為73.8Hz，試驗(yàn)過程中未發(fā)生設(shè)備部件的閃絡(luò)、放電，且試驗(yàn)前后試品絕緣無明顯變化，設(shè)備順利通過交流耐壓試驗(yàn)。
表1 試品電容的測量及參數(shù)的估算
相別 電容量（nF） 電感量（H） 諧振頻率（Hz） 一次電流（A） 二次電流（A） 電源電流（A）
A/B-C-E 16.81 260 70.13 3.21 160.61 68.56
B/A-C-E 16.52 260 70.65 3.19 159.43 67.38
C/A-B-E 16.63 260 70.45 3.20 159.88 68.03
5、文章結(jié)語
變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置與交流工頻耐壓試驗(yàn)裝置比較，其具有電源容量小、試驗(yàn)設(shè)備重量輕、輸出電壓波形好等優(yōu)點(diǎn)，并可有效的防止諧波峰值對試品的誤擊穿、且可避免大的短路電流燒傷故障點(diǎn)。變頻串聯(lián)諧振原理、工程應(yīng)用分析及現(xiàn)場試驗(yàn)表明，變頻串聯(lián)諧振在電力工程試驗(yàn)中具有突出的技術(shù)優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景。
信息整理：揚(yáng)州拓普電氣科技有限公司 信息來源：www.ewkbg.com
按照電氣設(shè)備交接試驗(yàn)要求，變壓器、GIS系統(tǒng)、SF6斷路器、電流互感器、電力電纜、套管等容性設(shè)備交接時(shí)需進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。采用傳統(tǒng)的工頻電壓試驗(yàn)法進(jìn)行容性設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，升壓試驗(yàn)變壓器笨重、龐大，且現(xiàn)場大電流試驗(yàn)電源不易取得。與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比較，變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)成套裝置具有輸入電源容量小、設(shè)備重量輕，品質(zhì)因數(shù)高，并具有自動(dòng)調(diào)諧、多重保護(hù)、組合方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。
由于串聯(lián)諧振電源是利用諧振電抗器和被試品電容諧振產(chǎn)生高電壓和大電流的，試驗(yàn)電源只需提供系統(tǒng)有功的消耗，因此其所需電源功率只有試驗(yàn)容量的1/Q。而且，由于串聯(lián)諧振試驗(yàn)不需要大功率調(diào)壓裝置和工頻試驗(yàn)變壓器，諧振激磁電源只需試驗(yàn)容量的1/Q，使得串聯(lián)諧振系統(tǒng)重量和體積大大減少。另外，諧振電源是諧振式濾波電路，其能改善輸出電壓波形，從而防止諧波峰值對試品的誤擊穿。而在串聯(lián)諧振狀態(tài)下，當(dāng)試品絕緣弱點(diǎn)被擊穿時(shí)，電路立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗(yàn)電流的1/Q，故其還可防止大的短路電流對故障點(diǎn)的燒傷。
2、串聯(lián)諧振原理分析
在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路中，當(dāng)容抗與感抗相等時(shí)，電路中的電壓與電流相位相同，電路呈現(xiàn)純電阻性，此即為串聯(lián)諧振[3]。當(dāng)電路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，電路的阻抗Z=R，此時(shí)回路總阻抗值最小，回路電流最大值。電感和電容元件串聯(lián)組成的一端口網(wǎng)絡(luò)，其等效阻抗，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，其端口電壓與電流同相位，即，由此可推得諧振角頻率和諧振頻率分別為，。定義諧振時(shí)的感抗或容抗 為特性阻抗ρ，則特性阻抗ρ與電阻R的比值即為品質(zhì)因數(shù)Q。
電路諧振時(shí)阻抗值最小，當(dāng)端口電壓一定時(shí)，電路電流將達(dá)到最大值，且該值的大小僅與電阻的阻值有關(guān)而與電感和電容無關(guān)。諧振時(shí)電感電壓與電容電壓數(shù)值相等、相位相反，為總電壓的Q倍，即。RLC串聯(lián)電路的電流是電源頻率的函數(shù)，
即，在電路的電感L、電容C和電源電壓US不變的情況下，不同的R值得到不同的Q值，不同Q值時(shí)的電流幅頻特性曲線。
為了研究電路參數(shù)對諧振特性的影響，通常采用通用諧振曲線，串聯(lián)諧振電路的通用諧振曲線。通用諧振曲線的形狀只與Q值有關(guān)，且曲線形狀越尖銳，電路的選頻性能越好。幅值大于峰值的0.707倍所對應(yīng)的頻率范圍為通帶寬，理論推導(dǎo)可得，由該式可知通帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比。
3、變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的工程應(yīng)用分析
變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置其諧振頻率，其中L為電抗器的電感值，如有幾個(gè)電抗器串并聯(lián)使用應(yīng)考慮互感的影響；C為被試品及分壓電容器的和，現(xiàn)場可以用電橋或介損儀進(jìn)行實(shí)際測量獲得。高壓電流I=2πfCU，由被試品的電氣參數(shù)和出廠耐壓試驗(yàn)值，可確定現(xiàn)場的耐壓試驗(yàn)電壓U；有功功率P=1.2（P0+PK），其中P0為勵(lì)磁變空載損耗，PK為電抗器額定有功損耗。
變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)過程中，勵(lì)磁變的容量應(yīng)大于有功功率P，并在勵(lì)磁變最低輸出電壓滿足試驗(yàn)要求的前提下盡量降低勵(lì)磁變的變比，從而相應(yīng)減小勵(lì)磁變原邊的輸入電流。試驗(yàn)電源容量S=P+P1，其中P1為變頻電源本身的損耗，由電源端輸入電壓為380V可得電源電流I1=。試驗(yàn)中電抗器的額定電壓和電流也應(yīng)大于試驗(yàn)電壓和高壓電流，當(dāng)電抗器采取串并聯(lián)以滿足試驗(yàn)要求時(shí)，必須計(jì)算每個(gè)電抗器上所承受的電壓和電流不超限值。
在現(xiàn)場試驗(yàn)中，通常采用16mm2以上的裸銅線接地，裸銅線其寄生電感在μH數(shù)量級(jí)，約0.1-1μH/m，直流電阻約0.1mΩ，如果接地線有彎曲環(huán)繞現(xiàn)象，電感量可增加到10-1000μH/m。試品絕緣通常在交流電壓的正峰值或負(fù)峰值被擊穿，試品被擊穿瞬間試品上的電壓最高，擊穿后試品上的電壓跌落到零的時(shí)間一般在0.1-10μs之間，具體情況與擊穿點(diǎn)的實(shí)際情況有關(guān)。從放電能量上看，即使放電時(shí)，試品的最小電容量只有0.002μF，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)試品電容量遠(yuǎn)大于該值。如以放電時(shí)頻率為100kHz、地線寄生電感為1μH、放電電流為1000A計(jì)算，地線的寄生感抗XL==0.628Ω，地線可能產(chǎn)生的過電壓Ud=If XL=1000×0.628=628V。如果地線連接不規(guī)范，寄生電感就會(huì)增大很多，產(chǎn)生的過電壓可能更大，可危及變頻電源及人身安全。所以高壓試驗(yàn)系統(tǒng)必須一點(diǎn)可靠接地，分壓器的接地點(diǎn)與大地的連接線應(yīng)盡量短，接地線應(yīng)粗、直、短，從而保證試驗(yàn)安全。
4、變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置在工程中的應(yīng)用范例分析
以某變電站220kV GIS導(dǎo)體對外殼耐壓試驗(yàn)為例，產(chǎn)品出廠試驗(yàn)電壓導(dǎo)體對地為460kV，現(xiàn)場交接試驗(yàn)電壓值為出廠試驗(yàn)的80%，即368kV。試驗(yàn)設(shè)備采用變頻式串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)按電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進(jìn)行[1，5]。試驗(yàn)時(shí)GIS設(shè)備所有氣室均充額定壓力SF6氣體且微水測量合格，架空線、電力變壓器、避雷器和保護(hù)間隙與GIS隔離開。導(dǎo)體對外殼耐壓加壓試驗(yàn)時(shí)，220kV GIS試驗(yàn)電壓由#1主變220kV側(cè)套管處施加，每次一相，其他兩相與接地的外殼短接。
為進(jìn)行GIS導(dǎo)體對外殼交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)前先用介損儀在該變#1主變220kV側(cè)測得各相對地電容，并根據(jù)被試設(shè)備電容量估算所需電感以及試驗(yàn)電流及容量，各相對地電容量如表1所示。根據(jù)理論計(jì)算進(jìn)行準(zhǔn)備試驗(yàn)工作，現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)際諧振頻率為73.8Hz，試驗(yàn)過程中未發(fā)生設(shè)備部件的閃絡(luò)、放電，且試驗(yàn)前后試品絕緣無明顯變化，設(shè)備順利通過交流耐壓試驗(yàn)。
表1 試品電容的測量及參數(shù)的估算
相別 電容量（nF） 電感量（H） 諧振頻率（Hz） 一次電流（A） 二次電流（A） 電源電流（A）
A/B-C-E 16.81 260 70.13 3.21 160.61 68.56
B/A-C-E 16.52 260 70.65 3.19 159.43 67.38
C/A-B-E 16.63 260 70.45 3.20 159.88 68.03
5、文章結(jié)語
變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置與交流工頻耐壓試驗(yàn)裝置比較，其具有電源容量小、試驗(yàn)設(shè)備重量輕、輸出電壓波形好等優(yōu)點(diǎn)，并可有效的防止諧波峰值對試品的誤擊穿、且可避免大的短路電流燒傷故障點(diǎn)。變頻串聯(lián)諧振原理、工程應(yīng)用分析及現(xiàn)場試驗(yàn)表明，變頻串聯(lián)諧振在電力工程試驗(yàn)中具有突出的技術(shù)優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景。
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