变频串联谐振耐压试验的探讨

变频串联谐振耐压试验的探讨

房江朝

(绍兴大明电力建设有限公司浙江绍兴312000)

摘要：运用谐振原理，通过调节RLC串联回路中输入电源的频率使回路中的感抗值等于容抗值，以使得整个回路电流值达到最大，并在电容上获得最高的电压，这就是变频串联谐振。利用变频串联谐振原理进行一些主要试品如交联聚乙烯电缆、GIS、变压器、发电机等的现场耐压试验，对检测电气设备的绝缘水平，保障系统和设备的安全运行具有非常大的意义。

关键词：过电压；绝缘水平；变频谐振；品质因数；交联聚乙烯；GIS

1引言

电气设备在运行时可能受到暂时过电压、操作过电压、雷电过电压的作用，需承受的电压可能达到设备工频工作电压的几倍，为了保证设备绝缘强度能适应各种过电压的需要，电气设备的绝缘结构必须经受冲击波耐压试验以及工频耐压试验的考验。而在实际的生产现场，因条件的限制一般直接用交流耐压来替代。交流耐压试验对绝缘的作用接近于设备的运行状况，能检出绝缘在正常运行时的最弱点。

2基本原理

变频串联谐振又称VFSR，即VarietyFrequencySeriesResonance：通过改变频率达成的串联谐振。其基本原理如下图所示：

由图可知，串联回路电流：I0＝U0/［R+ωL+(1/ωC)］

对于串联回路，流过各元件的电流大小相等，IL与IC的方向相反。

当ωL=1/ωC时，流过整个串联回路的电流最大I0=U0ωL/R（U0为恒压源）

这时加在电容器C上的电压UC为最大UCmax=U0/RωC=U0/R

由品质因数或谐振系数Q的定义可知Q＝ωL/R，则UCmax=QU0

也就是说：电容器上的电压比电源电压抬高了Q倍。

功率P=U0×I0=UC×1/Q×I0=PC×1/Q，也就是电容的无功容量的1/Q。

串联谐振的特征正好符合高压耐压试验的要求。一般来说，高压电器的绝缘都相当于若干个电容和电阻的串并联。可以用下面的简图来表示它的基本结构：

要满足谐振条件，也就是电抗器的感抗等于试品电容的容抗有两种方法：一是改变电抗器的电感量，使电抗器和试品在工频（50Hz）时发生谐振，另一种方式是改变试验频率，使试验频率,这时的感抗等于容抗，也可以达到谐振条件。

3两种谐振方式的优缺点比较

1.调电感型谐振试验系统

调电感型谐振试验系统是通过调节试验回路电抗器的电感量，从而实现在工频下的谐振，其原理图见图一

图一、调感式串联谐振试验系统原理图

1－调压器2－励磁变压器3－可调电抗器4－被试品5－高压测试仪器

调感式串联谐振（VISR）试验系统有以下特点：

1）VISR系统谐振频率固定为50Hz，调节与被试品串联的电抗器的电感量，电感量的改变通过采用机械结构改变铁心空气间隙而调节电感，设备笨重，调节不便而且需要额外的调节机构。

2）VISR系统采用单相供电，要求输入电流大；且采用电压调整器调节励磁变压器输入电压；Q值比较低（Q值一般小于30）。

3）电抗器的额定电流一般到4～6A、电压250－400kV时体积容量已经相当大；电缆试品长度一般也在2km以内。

4变频串联谐振在高压试验的实际应用

1.交联聚乙烯（XLPE）电力电缆的交流耐压试验

交联聚乙烯电缆（XLPE）属于固体绝缘电缆，是经过特殊的物理、化学方法交联而成；具有良好的电气绝缘性能，击穿强度高，介质损耗角正切值tgδ小，绝缘电阻高。有直流电压下绝缘击穿处往往发生在交流工作条件下绝缘平时不发生击穿的地点。

国内外有关标准机构也对于高压电缆的试验方法作出了更改和修订。。

电缆交流耐压试验的容量是非常大的，普通的试验方式根本无法满足。而采用变频串联谐振方式所需要的电源容量仅为30kVA左右。

2.GIS、变压器外施交流耐压试验

GIS是一种把断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、测量仪表组合在一台密封的、金属屏蔽的“变电站”内，并以SF6气体绝缘的组合电器，它在功能上相当于一个小型变电站；它一般由1－7个间隔组成，电容量一般在10000pF以下。

在现场试验中已经得到了多次验证。变频电源的输出频率在30～300Hz之间，能够很好地满足GIS耐压试验的要求，

3.大型变压器的交流耐压试验（外施工频交流耐压及感应耐压试验）

变压器应该进行外施耐压试验，它是考验产品主绝缘电气强度的最基本的绝缘试验，对试验频率一般要求在工频，即45～65Hz。

对于容量大、电压等级高的变压器，由于试品电容大，采用试验变压器的方法难以满足要求，因此传统的方法一般采用发电机作电源，但输出的起始电压较高、阻抗较大，容升现象较严重，所以要采用电抗器进行补偿。

当采用变频谐振的方式，使频率控制在工频范围内，通过补偿电容器使其达到谐振状态，由于Q值高，这样可大大减小试验电源的容量，并且频率可变，也增加了试品的范围。试验接线如下图所示：

变压器外施耐压试验接线图

为了检验变压器的主绝缘和本身的纵绝缘，应该对试品进行感应耐压试验。感应耐压的倍数，对于电力变压器一般采用额定电压的两倍。为了不使铁心中的磁通饱和，应使用两倍以上额定频率的电源。一般规定频率应在100～400Hz范围内，但经验证明感应耐压试验的频率一般为150～200Hz为宜。

传统的试验方法一般采用多倍频发生器，如三倍频发生器。而当采用变频的方式时，输出频率容易满足，再配以合适的电抗器，在容量方面也很容易得到满足。

5.大型发电机组的交流耐压试验

根据国家和地方电力部门的规定，发电机在制造、安装、检修和运行以及预防性试验中都应进行交流耐压实验，试验时试验电压和工作电压的波形、频率一致，作用于绝缘内部的电压分布及击穿性能能够适应发电机的工作状态。试验电压一般为0.75(2Un+2250)或1.5Un，频率要求为工频。

6.其它容性试品的交流耐压试验

互感器、套管等设备在作耐压试验时，都相当于一电容，利用电抗器和补偿电容器也可以使系统在50Hz附近发生谐振，达到工频绝缘试验的目的。

7结束语

变频串联谐振耐压试验由于其独特的优越的特点，必将逐步取代传统的耐压试验而越来越广泛地应用于现场工作中。

参考文献：

1.陈化钢电气设备预防性试验方法（修订版）水利电力出版社1994年9月

2.许实章电机学（修订版）机械工业出版社1988年11月