串联谐振耐压试验

ScienceAndTechnologyScienceTechnology串联谐振耐压试验ScienceAndTechnology模块描述本模块包含串联谐振试验的基本概念、目的及意义、测试方法、基本测试回路接线和方法。通过串联谐振试验整个理论内容的介绍，掌握串联谐振试验基本概念、试验接线和方法。ScienceAndTechnology高电压、大容量设备进行交流耐压试验所需的试验设备容量越来越大，常规工频耐压方法往往不能满足现场试验的要求，所以现场试验广泛采用串联谐振试验方法。ScienceAndTechnology一、试验目的和原理由于串联谐振试验装置具有试验设备体积小、试验电源电压低、功率小（仅需提供试验回路中的有功功率）、试验电压波形好的特点，因此串联谐振试验广泛应用于现场橡塑电缆、气体绝缘组合电器(GIS)、大型发电机组、大型电力变压器、耦合电容器等高电压、大容量电力设备的交流耐压、感应耐压、局部放电等试验。ScienceAndTechnology大容量、高电压被试品的交流耐压试验运用串联谐振的原理，利用励磁变压器激发串联谐振回路，通过调节电感或改变电源的输出频率，使回路中的感抗和容抗相等，回路呈谐振状态，回路中无功趋于零，此时回路电流最大，见式（式-1）。（式-1）式中Im——谐振时回路最大电流，A；R——为回路的等效电阻（一般主要为电抗器的内阻），Ω；U——励磁变压器高压侧的输出电压，V；XL——回路中感抗，Ω；XC——回路中容抗，Ω。ScienceAndTechnology（一）调感式串联谐振调感式串联谐振原理接线如图1所示。调感式串联谐振装置采用铁芯气隙可调节的高压串联电抗器，由于被试品的电容量是一定的，通过调节电感使回路发生工频串联谐振。谐振时，回路呈纯阻性，回路电流等于励磁电压U除以回路的等效电阻R，此时回路电流最大。ScienceAndTechnology图1调感式串联谐振原理接线T-励磁变压器；L-可变电感；Cx-被试品；U-励磁电压；R-回路等效电阻；UO-谐振时被试品两端的电压电感和电容两端的电压见式（式-2）。（式-2）式中U0——谐振时被试品两端的电压,VL——串联电抗器电感，H；CX——被试品电容量，F；ω——角频率;Im、R、U——意义同式（式-1）。电路谐振后电感或电容两端的电压U0等于Q倍的励磁电压U，见式（式-3）。22()mLCUUIRRXXScienceAndTechnology电路谐振后电感或电容两端的电压U0等于Q倍的励磁电压U，见式（式-3）。（式-3）式中Q——回路品质因数。工频串联谐振回路品质因数一般可达40～80，计算见（式-4）。（式-4）0UQU100LQRScienceAndTechnology工频串联谐振试验系统在实际应用中是通过调整串联电抗器的铁芯间隙来改变电抗的，所以在调整电压的时候，由于机械结构的惯性，电压有时较难控制，因此工频串联谐振耐压装置现场试验时．应合理选择品质因数。试验电压较高时，通过电容和电感的合理匹配，如并联电抗或加补偿电容，使回路等效电阻尽量小，提高回路品质因数，以减小现场试验时需要的电源容量；试验电压较低时．为了准确平稳控制试验电压，品质因数可选择较低水平，能满足试验要求即可。谐振时串联电抗器的电感计算见式（式-5）。（式-5）ScienceAndTechnology（二）变频式串联谐振变频式串联谐振交流试验装置的特点是：调谐电抗器的重量小，结构简单，更适合大容量设备现场试验。变频式串联谐振原理接线如图2所示。图2变频式串联谐振原理接线FC-变频电源；T-励磁变压器；L-电感；Cx-被试品；U-励磁电压；R-回路等效电阻；UO-谐振时被试品两端的电压ScienceAndTechnology变频串联谐振试验运用串联谐振原理,采用调频调压方式。当交流电压的频率改变时，电路中的感抗、容抗随之而变，电路中的电流也随之而变，通过调节电源的频率使感抗等于容抗，电路发生串联谐振，回路中的无功几乎为零，此时电流最大，且与输入电压同相位，使电感或电容两端获得一个高于励磁电压Q倍的电压。变频串联谐振电路由于频率调节比较精细，回路谐振时幅频特性曲线较陡，电路的品质因数Q值一般在50～150。变频串联谐振试验电路的品质因数计算见式（式-6）。（式-6）式中UL——谐振时电感两端电压，V；UC——谐振时电容两端电压，V。CLUULQRUUScienceAndTechnology⑴谐振频率的计算：根据电感和电容计算频率，频率计算见（式-7）。（式-7）式中f0——谐振频率，Hz;L——电抗器电感量，H；C——被试品和分压器电容，μF。301021LCfScienceAndTechnology⑵电感和电容中的电流计算：串联谐振电路中流过电感的电流等于流过电容的电流，电流可按（式-8）计算。（式-8）式中IL、IC——流过电感或电容的电流，A。310UCIIXCLScienceAndTechnology二、串联谐振系统的主要特点（1）适用范围广，体积小、重量轻，试验容量大、试验电压高。（2）安全可靠性高，操作简洁方便，试验的等效性好。（3）串联谐振装置对高次谐波分量回路阻抗很大，所以试品上的电压波形好；同时若在耐压试验过程中发生闪络、击穿，因失去了谐振条件，高电压立即消失，从而使电弧立即熄灭。（4）恢复电压建立过程较长，很容易在再次达到闪络电压之前控制电源跳闸．避免重复击穿，恢复电压并不产生任何过冲所引起的过电压。ScienceAndTechnology三、串联谐振系统及主要元件1．电源交流输入电源为串联谐振系统提供激励能量，为保证串联谐振系统正常工作，必须保证电源的容量能满足试验要求。试验容量较大时必须采用三相交流电源。电源的输出电流大于励磁变压器或变频电源的输入电流，励磁变压器或变频电源的输入电流按（式-9）计算。单相：（式-9）三相：式中——励磁变压器或变频电源的输入电流，A；P——励磁变压器或变频电源的容量，W；——励磁变压器或变频电源的输入电压，V。IIUPI3IIUPIIIIUScienceAndTechnology2．可变电感可变电感一般工作在工频状态下，是在一定范围可连续调整电感值的电抗器，其电感值变化范围满足设计的最小可试电容到最大可试电容的范围，可试电容的范围在（式-10）和（式-11）之间。最小可试电容（式-10）式中——最小可试电容，μF；——可变电感的最大值，H。最大可试电容（式-11）式中——最大可试电容，μF；——可变电感的最小值，H。在这一范围内可变电抗器输出电流应大于回路谐振时的电流才能满足试验要求。6min2max110()CL6max2min110()CLminCmaxLmaxCminLScienceAndTechnology3．变频电源变频电源是在一定范围可连续调整频率的电源，变频电源分正弦波调频电源和方波变频电源。变频电源输出功率应满足试验要求，一般大于或等于励磁变压器的输出容量。谐振装置工作制应满足试验方式的要求（谐振装置工作制是指设计谐振装置的满负荷允许工作时间和50%负荷的允许工作时间）。ScienceAndTechnology1)按试验容量估算，试验容量等于电感或电容两端的试验电压乘以流过它们电流，可按（式-12）计算。（式-12）根据式（式-6）可导出，谐振时系统的输入容量比试验容量小Q倍，所以可以根据试验容量估算出励磁变压器容量，见（式-13）。（式-13）式中——试验容量，VA。Q值的选择。容量小于100kVA时品质因数应不小于15，容量在100kVA～400kVA时品质因数应不小于30，容量大于400kVA时品质因数应大于40。CCLLIUIUP00PPQ0PScienceAndTechnology2)按回路谐振时的电流计算，见（式-14）。（式-14）式中——励磁变压器容量，VA；——试验回路谐振时电流，A;UN——励磁变压器高压侧额定电压，V。U0——试验回路谐振时电抗器或电缆两端电压，U0=UL=UC。NmUIPmIPQUUN0ScienceAndTechnology5．谐振电抗器谐振电抗器用于与试验回路中的电容进行谐振，以获得高电压。谐振电抗器与可变电感比较，由于没有机械系统，所以容量可以做的比较大。在试验频率范围内，可试电容范围在（式-15）和（式-16）之间。最小可试电容：（式-15）式中——最小可试电容，μF；——最高试验频率，Hz;——电抗器电感值，H。6max2min110(2)CfLmaxCminfLScienceAndTechnology最大可试电容：（式-16）式中——最大可试电容，μF；——最低试验频率，Hz;——电抗器电感值，H。谐振电抗器的额定电压应满足试验电压的要求，其额定容量应满足试验容量的要求。6max2min110(2)CfLmaxCminfLScienceAndTechnology6．电容分压器电容分压器直接测量高压侧电压并提供保护信号，谐振系统计算各参数时应考虑电容分压器的电容量。7．电容补偿器电容补偿器用于补偿试验回路电感，使试验回路满足谐振条件和试验要求，电容补偿器额定电压应满足试验要求。ScienceAndTechnology8．各部件的连接与匹配（1）电源线的选择和连接。电源线截面一定要满足要求，连接牢固并尽量短。（2）根据试验电压和Q值选择励磁变低压侧和高压侧抽头，以满足试验要求，励磁变输出电压可用高压绝缘导线与串联电抗连接。（3）采用正弦波变频电源时，由于采用晶体管模拟电路，输出与负载很好的匹配才能获得最大输出。接线时，反复调整励磁变低压侧和高压侧抽头，使变频电源输出电压最高为止，变频电源输出电压最好不低于晶体管电路工作电压的一半。ScienceAndTechnologyScienceTechnology四、试验接线和步骤（一）调感式串联谐振试验ScienceAndTechnology1、试验接线调感式串联谐振试验接线如图3所示。图3调感式串联谐振试验接线T1-调压器；T2-励磁变压器；L-可变电感；CX-被试品；C1、C2-电容分压器高、低压臂电容；U-励磁电压；PV-电压表；UO-谐振时电感或电容两端的电压ScienceAndTechnology2、试验步骤（1）合理布置试验设备，并检查试验设备是否安放稳固。（2）试验前应测量被试品绝缘电阻，然后按图3进行接线，并检查接线和分压器档位是否正确。（3）检查试验电源的容量应符合试验要求，先合上试验电源开关，再合上控制回路电源，检查和传动调压器电机升、降压和可变电感机械系统是否正常，然后将电感量指示器调至中间位置。ScienceAndTechnology（4）检查调压器零位，合上主回路开关。（5）适当调节调压器输出电压，使高压回路电压达到试验电压的3～5%。仔细调节电感至谐振点，使试品两端电压最高。按要求均匀调节电压至试验电压，升压过程中应密切监视高压回路，监听被试品有何异响，到达试验时间后，迅速将电压降到零，切断主回路和控制回路开关，拉开试验电源开关，对被试品放电，试验结束。注意：试验结束后应将两节可调电感的铁芯间隙调至最小位置，便于以后试验的拼装，同时避免运输时拉动铁芯。ScienceAndTechnology（二）变频式串联谐振试验1．试验接线变频式串联谐振试验接线如图4所示。图4变频式串联谐振试验接线FC-变频电源；T-励磁变压器；L-谐振电抗器；CX-被试品；C1、C2-电容分压器高、低压臂电容ScienceAndTechnology2.试验步骤（1）合理布置试验设备，检查谐振电抗器是否安放稳固。将励磁变、谐振电抗器和被试设备的外壳及分压器接地端接地。（2）试验前应测量被试设备的绝缘电阻，然后按图4进行接线，并检查接线和分压器档位。（3）检查试验电源的容量应符合试验要求，先合上试验电源开关，再合上变频电源的控制电源和工作电源开关，稳定后合上变频电源主回路开关，设定保护电压为试验电压的1.1～1.2倍。Scienc