串聯諧振耐壓試驗中電抗器的組配驗鼻李中勝【摘要】分析了R、L、C串聯電路發生諧振的原理和諧振時電路的特性，以及諧振電源在電力系統中應用的一些優點，并根據電氣設備的試驗要求介紹了使用諧振電源有效地對試驗的對象進行試驗和串聯諧振交流耐壓試驗設備選型、組配的方法.【期刊名稱】《湖南工業職業技術學院學報》【年(卷)，期】2014(014)001【總頁數】3頁(P4-6)【關鍵詞】諧振;交流;耐壓試驗;電抗器【作者】李中勝【作者單位】福建水利電力職業技術學院，福建永安,366000【正文語種】中文【中圖分類】TM471對高壓電氣設備進行交流耐壓試驗的必要性及諧振升壓方法的應用在電力系統中，為了準確判斷電氣設備是否符合運行條件，預防設備損壞，保證系統的安全運行，其中的一項有效措施就是對設備進行絕緣耐壓試驗。絕緣耐壓試驗，包括直流耐壓和交流耐壓兩種試驗方法。直流耐壓試驗因其裝置的容量小、體積小、重量輕、攜帶方便等而被廣泛應用。但并不是所有的電氣設備都可以通過直流耐壓試驗來說明問題，如發電機的轉子耐壓試驗、交聯電力電纜、GIS、互感器等耐壓試驗；實踐表明，只有交流耐壓試驗才能達到某些電氣設備的耐壓試驗的實際效果，能有效地發現較危險的集中性缺陷，對于判斷電氣設備能否安全投入運行具有決定性的意義,是避免電氣設備發生絕緣事故的重要手段，是鑒定電氣設備絕緣強度最直接最有效的方法。由于對地做交流耐壓試驗時，電氣設備通常表現（或等效）為一電容性負載（用Cx表示），如交聯電力電纜約為0.1~0.7pF/km,發電機約為0.1~3代，若用f=50Hz的工頻電源給電氣設備做交流耐壓試驗時，要求試驗設備的容量可由公式計算得為：式中Us為電氣設備所要求的實驗電壓。如10kV交聯電纜的耐壓試驗，若取Us>20kV/C0>0.5pF/km,則由上式可得長度為1km的電纜需要試驗變壓器容量P實際值>88kVA;試驗設備重量若按（15~30）kg/kVA計算，則試驗設備總重量可達（1320~2460）kg，造成現場試驗很不方便。隨著國家電網的發展，電氣設備的電壓等級越來越高，容量越來越大。在現場對高壓電氣做交流耐壓試驗時，傳統的靠工頻試驗變壓器升壓的方法由于設備很笨重，體積龐大，不便搬運，且大電流的工作電源在現場不易獲取，已不能滿足現代試驗要求。諧振升壓方法是目前對于電力系統大電容性試品比較適用的方法，分為工頻諧振升壓法和變頻諧振升壓法。工頻交流高壓試驗適用范圍廣，但是調諧比較繁瑣，通常采用調感法；變頻交流高壓試驗受到試驗標準的限制，但是調諧簡單，操作方便，通常采用調頻法。工頻定義為45Hz-55Hz（甚至定義為45Hz-65Hz）后，特別是調頻調感方法同時使用，使得系統很方便的滿足規程對頻率的要求和設備對寬范圍電容量的試品的要求。2變頻串聯諧振耐壓試驗的原理及在電力系統應用中的優點2.1變頻串聯諧振耐壓試驗的原理變頻串聯諧振耐壓試驗裝置由變頻電源、勵磁變壓器、高壓電抗器和電容分壓器組成，通過改變試驗系統的電感量和試驗頻率，使回路處于諧振狀態，此時電路阻抗Z(3o)=R為純電阻，電壓和電流同相。這樣試驗回路中試品上的大部分容性電流與電抗器上的感性電流相抵消，電源只提供回路中消耗的有功功率的能量。其基本原理及等值電路如圖1所示：圖1串聯諧振基本原理及等值電路圖Fig.1Basicprinciplediagramofseriesresonanceanddiagramofequivalentcircuit如圖1所示等值電路中，當XL=XC，即3L=1/(3C)時，整個電路為純電阻電路，電路工作在諧振狀態。此時回路的諧振頻率流經試品的電流和試品兩端的電壓分別為：采用變頻串聯揩振成套試驗裝置對電氣設備進行耐壓試驗時，所配置電抗器的電感量L,被測試品的電容量Cx，回路有功損耗等效電阻R，構成R、L、C串聯電路，U為勵磁變壓器輸出。當調節變頻電源頻率f為：f0=1/2n時，被試品回路呈現諧振狀態。此時，被試品兩端電壓為:Us=QU,其電壓值比勵磁變壓器的輸出U0提高了Q倍。由于試驗回路中的R很小，故試驗回路的品質因數很大，在工程應用中，Q一般在20—200之間。因此用這種方法能用電壓較低，較小容量試驗變壓器對較大電容量的GIS、XLPE等電氣設備進行交流耐壓試驗。其試驗接線如圖2所示:2.2串聯諧振交流耐壓試驗裝置在電力系統應用中的優點：串聯諧振電源是利用諧振電抗器和被試品電容諧振產生高電壓和大電流的，電源只需要提供系統中有功消耗的部分，因此，試驗所需的電源功率只有試驗容量的1/Q，省去了笨重的大功率調壓裝置和大容量的工頻試驗變壓器，設備的重量和體積都大大減小。諧振激磁電源系統重量，一般為普通試驗裝置的1/3-1/5。高壓電抗器L與被試驗設備Cx處于諧振狀態，此電路形成一個良好的濾波電路，故輸出電壓Uc為良好的正弦波形，做耐壓試驗時能有效的防止諧波峰值對試品的誤擊穿。（3）串聯諧振交流耐壓試驗，如果被試品的絕緣弱點被擊穿，諧振條件被破壞，電路立即脫諧，被試品上的電壓瞬間回落，能量迅速得到釋放，不會在被試品上產生過電壓，整個回路電流迅速下降為正常試驗電流的1/Q。因此串聯諧振耐壓試驗能有效的找到試品絕緣弱點，絕緣擊穿處的短路電流又不會將故障點擴大的危險。3串聯諧振耐壓試驗中電抗器的組配驗算3.1試驗標準目前，關于GIS、交聯電纜等大電容量的試品，IEC有相關的標準支持并推薦使用工頻及近似工頻（30-300HZ）的交流試驗方法進行耐壓試驗，這種交流電壓可以重現與運行工況下相同的場強。對于電壓較低的試品，優先選用45~65Hz的頻率范圍。國內，各地區也有相應的規程支持交聯電纜的非工頻交流耐壓試驗，其試驗頻率一般在30~300Hz范圍內。對于10kV、35kV的中低壓交聯電纜，試驗電壓一般都不高于相電壓的2倍（1.6-2.0倍）。對于發電機、變壓器的交流耐壓只限于工頻耐壓，GB/T16927.1-1997規定工頻試驗頻率范圍為45-55HZ。在很多地方，甚至定義為45Hz-65Hz，也就是說，發電機、電力變壓器的工頻交流耐壓試驗的試驗頻率可以為45Hz-65Hz。這也使變頻交流試驗在一定范圍內得到了更為廣泛的應用。3.2對頻率沒有特殊要求的設備如：電纜試驗、高壓開關、隔離刀閘、GIS組合電器等進行耐壓試驗時電抗器的組配驗算以采用西安四方機電有限公司成套串聯諧振耐壓試驗裝置。對1km規格26/35kV120mm2的電纜進行耐壓試驗。該裝置由變頻電源、勵磁變、高壓電抗器、電容分壓器（電容量1000pF）、高壓補償電容器等組成，其設備配置步驟如下：表1電抗器的銘牌標稱：Tab.1Thenominalnameplateofreactor額定電壓額定電流電感量工作頻率單個重量30kV1.9A61.2H20~300HZ60Kg3.2.1根據試驗標準確定試驗電壓，并根據試驗電壓考慮電抗器的組配。由GB50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準可知26/35kV交聯電纜交接時交流耐壓試驗電壓為2U0=2x26=52kV,由于XZKY-30/1.9/65電抗器額定電壓為30kV，單臺不能滿足52kV的試驗電壓要求，就需要此型號兩臺電抗器串聯使用則有：2x30kV=60kV>52kV，則所選電抗器滿足試驗電壓的要求。3.2.2估算或者通過儀器測量被試品的電容量，根據電容量驗算電抗器組配是否滿足試驗的頻率要求。根據上一步可得需要配置2個電抗器串聯使用，則L=2x61.2H=122.4H,1公里規格為26/35kV120mm2電纜，估算電容量Cx=1x0.14=0.14pf(分壓器電容量Cb=250Pf與被試品相比極小時可忽略)計算可得f0=1/2n=38.47Hz在規程允許的頻率范圍內。3.2.3驗算回路電流是否超出設備名牌標稱I=2nf0CUC=UL/2nf0L=52x103/(2x3.14x38.47x122.4)=1.76A<1.9A可見對于長度為1km，規格為26/35kV120mm2電纜試驗使用2臺型號為XZKY-30/1.9/65的電抗器串聯便可滿足其交流耐壓試驗要求。3.3對頻率有特殊要求的設備如：發電機、變壓器、高壓電機等進行工頻耐壓試驗時電抗器的組配驗算。以滿足對額定電壓為10.5kV，容量72.5~85MW的水輪發電機做交流耐壓試驗為例，進行諧振設備的組配。3.3.1根據被試品電容量，計算諧振電路所需電感量。額定電壓為10.5kV，容量72.5~85MW的水輪發電機，其定子繞組單相的對地電容量約為0.694#,要求試驗頻率45~65Hz，取頻率為45Hz進行驗算，則由公式L=1/(2nf)2C推算得所需電感為18.04H。型號為XZKY-30/1.9/65電抗器的額定電感量為61.2H，用4臺同型號電抗器并聯才能滿足試驗要求。此時電路的電感L=15.3Hz實際諧振頻在規程要求范圍。3.3.2根據試驗電壓標準選擇電抗器組配按電力設備預防性試驗規程要求，運行20年以下，大修前或局部更換定子繞組并修好后10.5kV容量容量72.5~85MW的水輪發電機其試驗電壓為1.5UN=1.5x10.5=15.75kV，則型號為XZKY-30/1.9/65電抗器額定電壓為30kV>15.75kV，能滿足試驗要求。3.3.3驗算回路電流是否超出設備名牌標稱I=2nfCU=2x3.14x49x0.694x10-6x1.575x104=3.36A型號為XZKY-30/1.9/65電抗器的額定電流為1.9A，當4臺并聯運行時能保證電抗器的安全運彳行可見對以額定電壓為10.5kV，容量72.5~85MW的發電機使用4臺該型號電抗器并聯便可滿足其串聯諧振的交流耐壓試驗要求。4注意事項被試品的等效電容包括被試品電容及試驗引線和被試品對地的雜散電容。設備的一次接線和設備兩端所連引線對地電容引起的，引線越長，C值越大，Q值越小。因此，我們必須盡量讓一次引線短些。另外，電抗器、旁路電容安裝均壓環，減少線路電暈損耗引起的等效電阻，也是提高Q值，降占空比的有效方法。現場試驗時電抗器放置必須與周圍物件保持一定安全距離；電抗器嚴禁放置在鐵板上，因為放置在鐵板上將產生渦流，影響諧振試驗；電抗器串聯平鋪放置式使用時，第1節電抗器可直接放置在地上(輸入電壓低通常才幾千伏，并且隨設備配置了可拖地的高壓引線不存在高壓危險)，第2節電抗器必須在底部放置專門的絕緣筒上。因為此時在第2節電抗器的低壓端電壓為第1節電抗器高壓端輸出的電壓，根據電抗器型號不同，變頻電源輸出電壓不同，產生的高壓通常都在幾萬伏。5結語串聯諧振交流耐壓試驗時設備配套主要取決于被試品的試驗電壓Us，被試品要求的頻率范圍和被試品等效電容Cx等。為了適應對不同設備的試驗需要，常通過幾個電抗器的串聯或并聯的方式，以使整個試驗回路的電抗滿足電路諧振的需要。XZKY-30/1.9/65電抗器單臺重量為60Kg，現場搬運較為麻煩，為了簡化試驗工作，到達現場前詳細了解被試品的型號參數，比如電纜的種類、長度、導體截面，發電機的額定電壓等，通過查閱資料，現場測試等方式掌握被試品等效電容Cx的大至范圍，規程要求的試驗電壓以及對頻率的要求，提前估計所需要的電