變頻串聯(lián)諧振現(xiàn)場試驗技術(shù)

1、syec 變頻串聯(lián)諧振試驗電源現(xiàn) 場 試 驗 技 術(shù) 匯 編上 海 思 源 電 氣 股 份 有 限 公 司shanghai siyuan electric co.,ltd原 理 部 分（本文主要討論容性負(fù)載的現(xiàn)場高壓試驗方法）一、 概述1.1絕緣耐壓試驗分為直流耐壓試驗和交流耐壓試驗兩種，交流耐壓又分為工頻（近工頻）高電壓試驗、沖擊高電壓試驗等。1.2 絕緣相關(guān)及高壓試驗技術(shù)的一個通用原則是：試品上所施加的試驗電壓場強(qiáng)必須模擬高壓電器的運(yùn)行工況。高壓試驗得出的通過與不通過的結(jié)論要能代表高壓電器中的薄弱點(diǎn)是否對今后的運(yùn)行帶來危害。這就意味著試驗中的故障機(jī)理應(yīng)與電器運(yùn)行中的機(jī)理有相同的物理過程。為

2、了加速這一物理過程，試驗電壓要高于運(yùn)行電壓。根據(jù)上述原理，實(shí)踐中高壓電器的交直流耐壓試驗、雷電沖擊、操作沖擊試驗是最典型的應(yīng)用。1.3耐壓試驗的物理模型一切絕緣體，在電場作用下等效模型如右圖的多個電路串并聯(lián)組成，對于不同的材料的絕緣設(shè)備，其電容及電阻大小是不同的。一切耐壓都是建立在此模型的基礎(chǔ)上的。不同的耐壓方法它所產(chǎn)生的電壓都將加在此模型上；對于直流耐壓試驗，加在絕緣體上的電壓是按照電阻分布的，對于交流耐壓試驗則是按照電容分布的，選擇那種耐壓方法是根據(jù)絕緣材料的特性和應(yīng)用場合等多種因素決定地。例如：油紙絕緣電纜采用直流電源試驗取得了很成功的試驗成果，但直流試驗卻不適合于交聯(lián)電纜的試驗。實(shí)踐證

3、明，直流耐壓對gis、git、gib也沒有效果。 所以現(xiàn)場試驗最佳的電源是工頻電源，如試驗室的電源45-65hz。根據(jù)cigre wg21.9的建議導(dǎo)則，現(xiàn)場的電纜、gis試驗采用更大頻率范圍的30-300hz?，F(xiàn)場局放測量可以將產(chǎn)品出廠試驗的數(shù)據(jù)用于現(xiàn)場試驗中。二、 產(chǎn)生高電壓電源的設(shè)備2.1直流電源2.1.1工頻高壓整流為獲得直流高電壓，通常采用工頻高電壓經(jīng)高壓硅堆整流而變換成直流高壓的方法，如圖2.1-1，圖中高壓變壓器輸出高壓經(jīng)過高壓負(fù)半波整流后得到高壓，該類設(shè)備一般用于電壓較低的場合。 圖2.1-1 圖2.1-22.1.2串級直流高壓發(fā)生器利用倍壓整流電路作為基本單元，多級串聯(lián)起來，

4、即可組成一臺串級直流高壓發(fā)生器，如圖2.1-2，圖中輸入電源一般為中頻電源，經(jīng)變壓器隔離升壓，經(jīng)過倍壓回路產(chǎn)生直流高電壓。該設(shè)備有重量輕、可移動性好、容量低等優(yōu)點(diǎn)。2.2交流電源2.2.1傳統(tǒng)的試驗變壓器，可帶補(bǔ)償電抗器，工頻。 圖2.2-1 圖2.2-22.2.2可調(diào)電感式諧振系統(tǒng)，工頻。2.2.3調(diào)頻式諧振系統(tǒng)，固定電抗器，通過變頻電源將一可調(diào)頻率電壓加到試品上，改變頻率以大到諧振。2.2.4超低頻交流電源、振蕩電源、沖擊電源等，略三、 定義及基本原理1.1直流試驗電壓值 是指它的算數(shù)平均值。1.2串聯(lián)諧振由電感（感性試品）與電容（容性試品）以及中壓電源串聯(lián)組成。改變回路參數(shù)或電源頻率，回

5、路即可調(diào)諧至諧振，同時將有一個幅值遠(yuǎn)大于電源電壓，且波形接近于正弦波的電壓加在試品上。諧振條件和試驗電壓的穩(wěn)定性取決于電源頻率和試驗回路特性的穩(wěn)定性。當(dāng)試品放電時，電源輸出的電流較小，從而限制了對試品絕緣的損壞。當(dāng)試品（如電容、電纜或氣體絕緣的試品）的外絕緣上泄漏電流同流過試品電容電流相比很小或者形成破壞性放電的能量很小時，串聯(lián)諧振回路特別有用。諧振原理：如圖：1.1-1圖中r等效為電抗器l的內(nèi)阻感抗：xl=2f l容抗：xc=1/2fc串聯(lián)回路總阻抗：z=r2+(xl -xc)2ur2+( xl xc)2uz串聯(lián)回路電 流：i= =電容上的電壓為：uc=ixc12lc當(dāng)xl = 2f lxc

6、=1/2fc時，回路阻抗有最小值：z=r有：2f l1/2fc f即串聯(lián)回路頻率特性滿足f1/2lc時，回路阻抗有最小值z=r，我們稱此時為串聯(lián)諧振狀態(tài)。當(dāng)串聯(lián)回路處于諧振狀態(tài)時，電容上的電壓為：xcrxlru xcr2+( xlxc)2uc=ixc= =u = u =uq(電抗器品質(zhì)因素)由上式可以看出在電容上的電壓uc高于電源輸入電壓u的q倍，在工程應(yīng)用中，電抗器品質(zhì)因素（q）一般取幾十到幾百。當(dāng)串聯(lián)回路在諧振狀態(tài)時，z=r2+( xl -xc)2 =r 回路成阻性，電感上的電流il和電容上電流ic方向相反，大小相等，相互抵消。回路中的視在功率為：s= ui有功功率為：p= i2r無功功率

7、為：q= i2(xl xc)=0電感上和電容上的無功功率為： q l= q c = uc i= ul i在工程實(shí)際應(yīng)用中a.諧振回路的有功損耗還有電暈、電導(dǎo)損耗、頻率損耗等，故有功損耗將會大于i2r。b.諧振回路中的電阻是等效出來的，其實(shí)際是電抗器的內(nèi)阻rl和電容器的等效損耗電阻rc之和，所以工程中所測電壓和電流之積為電抗器或電容器上的視在功率。c.諧振回路中的電源提供容量（有功功率等于視在功率），為電抗器上所產(chǎn)生容量的1/q倍（q為諧振回路的品質(zhì)因素）。1.2并聯(lián)諧振由電感（感性試品）與電容（容性試品）以及中壓電源并聯(lián)組成。改變回路參數(shù)或電源頻率，回路即可調(diào)諧至諧振，同時將有一個幅值遠(yuǎn)大于電

8、源電流，且波形接近于正弦波的電壓加在試品上。諧振條件和試驗電壓的穩(wěn)定性取決于電源頻率和試驗回路特性的穩(wěn)定性。當(dāng)試品放電時，電源輸出的電流較小，從而限制了對試品絕緣的損壞。1.3諧振電抗器用于同試品電容進(jìn)行諧振，以獲得高電壓或大電流的電抗器。1.4電容分壓器采用電容元件，由高壓臂和低壓臂組成的轉(zhuǎn)換裝置。輸入電壓加到整個裝置上，而輸出電壓則取自低壓臂。通常低壓臂輸出電壓恒定為100vac。1.5勵磁變壓器 用于給諧振電抗器、試品提供能量的變壓器。1.6變頻電源可連續(xù)調(diào)整輸出頻率和電壓的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備。1.7峰值表能夠測量交直流電壓的各種參數(shù)的儀表。峰值表常與分壓器組合，測量高電壓的1.8高壓電流流過

9、諧振電抗器、試品的電流，等于諧振回路電流。1.9勵磁電壓勵磁變壓器的輸入電壓。1.10勵磁電流勵磁變壓器的輸入電流。1.11電壓比（占空比）在變頻電源的逆變電路中，逆變電路為開關(guān)電路，電壓的調(diào)節(jié)是以開關(guān)開通的時間來控制的。電壓比指的是開關(guān)開通時間與關(guān)斷時間之比。在串聯(lián)諧振回路，電壓比是相對量，相對控制變頻電源輸出電壓或容量。1.12 品質(zhì)因素（q值）試品所獲得的容量與勵磁變壓器輸出容量之比。在串聯(lián)諧振回路，可用試品的電壓值與勵磁變壓器的輸出電壓之比或串聯(lián)諧振回路的無功與有功之比代替。品質(zhì)因素主要取決于諧振電抗器的品質(zhì)因素，約等于諧振電抗器的感抗與直流電阻之比。1.13試驗電壓值試驗電壓值指其峰

10、值除以21.14容許偏差在整個試驗過程中試驗電壓的測量值應(yīng)保持在規(guī)定電壓值的1以內(nèi)；當(dāng)試驗持續(xù)時間超過60s時，在整個試驗過程中試驗電壓測量值可保持在規(guī)定電壓值的3以內(nèi)。四、 各類變頻電源及原理變頻電源通常是交直交電路，即交流電源經(jīng)過半導(dǎo)體整流后變換成直流，然后再通過半導(dǎo)體逆變電路變換成交流，通過控制逆變電路可以改變逆變輸出的頻率和電壓。在交流電源變換成直流電時，通常采用全橋（可控）整流，通過電容組慮波。直流變換交流有多種控制方式和多種逆變功率器件，但逆變電路相同，如圖4-14.1推挽式變頻電源（低干擾）早期的大功率逆變電路采用幾百個或更多功率放大晶體管串并聯(lián)組成，通過控制放大晶體管的基極時間

11、和電流控制輸出電壓、電流和頻率。由于該類逆變采用較多晶體管串并聯(lián)，故電路的可靠性降低，在實(shí)際應(yīng)用中，晶體管損壞較多。但該變頻電源由于采用推挽方式，可用在低干擾要求的場合，如局放測量等。4.2低干擾變頻電源 隨著大功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用有上述原理可知，變頻電源的輸出的波形并不是正弦波，其基波是方波，那么試驗電壓波形是如何滿足1失真度的要求呢。我們從高壓諧振回路來分析，當(dāng)串聯(lián)諧振回路產(chǎn)生諧振時，其激勵頻率只有一個，即為變頻電源的基波頻率，且該頻率的電壓被放大q倍，而非諧振頻率則被衰減q倍變頻串聯(lián)諧振原理五、 電力系統(tǒng)試驗簡介現(xiàn)給出人身與帶電體的最小安全距離，以供試驗時參考。試驗時帶電體與試驗人員的距

12、離不得小于規(guī)定距離。帶電體電壓（kv）10及以下3560110154220330500最小安全距離（m）0.40.60.71.01.41.82.63.6vfsr系列變頻串聯(lián)諧振成套試驗裝置一、 產(chǎn)品簡介圖、變頻串聯(lián)諧振試驗成套裝置原理圖vf: 變頻電源 t: 勵磁變壓器l: 試驗電抗器 cx: 試品 c1、c2: 分壓器 其中c1為分壓器高壓臂、c2為分壓器低壓臂 moa1： 避雷器主交流電送入變頻電源，經(jīng)整流轉(zhuǎn)換為幅值恒定的直流電壓,直流電壓經(jīng)變頻電源逆變器調(diào)制變?yōu)轭l率脈寬 (或稱占空比)可調(diào)的方波，整個控制過程由計算機(jī)完成。方波電壓經(jīng)濾波環(huán)節(jié)等處理后由變頻電源的變頻輸出口輸出，輸出電壓經(jīng)電

13、纜送勵磁變壓器t的低壓側(cè)，經(jīng)勵磁變壓器t升壓后送由高壓電抗器l、負(fù)載cx和分壓器（c1、c2）構(gòu)成的串聯(lián)諧振回路，諧振頻率由電抗器電感及負(fù)載cx和分壓器的電容共同決定。通過調(diào)節(jié)變頻電源輸出頻率使串聯(lián)諧振回路發(fā)生串聯(lián)諧振，在回路諧振的條件下再調(diào)節(jié)變頻電源輸出電壓使試品電壓到達(dá)試驗值。由于回路的諧振，變頻電源較小的輸出電壓就可在試品cx上產(chǎn)生較高的試驗電壓。1.1變頻電源1.1.1原理介紹變頻電源是由變頻控制器和濾波器組成。在系統(tǒng)中變頻電源的主要作用是把幅值和頻率固定的工頻380v的正弦交流電轉(zhuǎn)變成為幅值和頻率可調(diào)的單方波，并為整套設(shè)備提供能量。變頻電源具有過流、過壓保護(hù)，過壓保護(hù)可整定。當(dāng)試驗電

14、壓超過整定值時，控制臺自動跳閘。試驗人員可直接從變頻電源控制面板上讀取直流電壓、電流、當(dāng)前工作頻率、變頻電源輸出電壓及試品上所加諧振電壓等信號。其原理框圖見圖五。變頻電源原理圖三相系統(tǒng)電源經(jīng)空氣開關(guān)k1輸入，當(dāng)合閘按鈕按下時，接觸器k2閉合，三相系統(tǒng)電源經(jīng)三相整流橋整流輸出直流電壓，經(jīng)r0 限流給c0 充電，四十秒鐘后另一接觸器k3 閉合，主回路電路接通，這時如果面板操作（或計算機(jī)）調(diào)整輸出電壓u1 ，則cpu計算出序列單方波波形，驅(qū)動四個igbt對角導(dǎo)通，則在勵磁變付邊感應(yīng)勵磁電壓，激勵電抗器l與試品電容c構(gòu)成為串聯(lián)回路，調(diào)整頻率輸出時，cpu重新計算出對應(yīng)的方波波形，改變勵磁變b輸出電壓的

15、頻率，當(dāng)輸出頻率接近于電抗器l與電容cx的諧振頻率時，則試品上得到比勵磁輸出電壓高q倍的電壓。（q為l、c諧振回路的品質(zhì)因數(shù)）。變頻電源集電源、保護(hù)、測量于一體。具有igbt保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、放電保護(hù)、進(jìn)線保護(hù)等可靠的保護(hù)功能，保證試驗人員和試品的安全。測量部分：試驗人員可直接從變頻電源控制面板上讀取輸入電壓、電流、當(dāng)前工作頻率、變頻電源輸出電壓、電流及試品上所加諧振電壓等信號。1.1.2使用注意事項a.變頻電源輸出不可一端接地，且此時接地，變頻電源無保護(hù)，易導(dǎo)致變頻電源致命損壞。b.變頻電源外殼在試驗時需可靠接地。c.變頻電源在使用時應(yīng)注意防水和灰塵侵入，顯示屏應(yīng)避免受太陽直射d.變

16、頻電源使用時應(yīng)在通風(fēng)的環(huán)境下，在滿功率使用規(guī)定時間后，應(yīng)注意散熱。1.2勵磁變壓器勵磁變壓器的作用是將變頻電源的輸出電壓升到合適的試驗電壓，滿足電抗器、負(fù)載在一定品質(zhì)因數(shù)下的電壓要求（勵磁變壓器的容量一般與變頻電源相同）。勵磁變壓器設(shè)計滿足zbk41006-89及gb1094.1 - gb1094.6-96標(biāo)準(zhǔn)，高低壓繞組之間設(shè)靜電屏蔽層，頻率滿足30300hz要求。有14個繞組，滿足不同電壓等級、不同容量的試驗要求,通常勵磁變繞組個數(shù)與電抗器個數(shù)相同，在使用時則根據(jù)電抗器使用情況而定，電抗器串聯(lián)則勵磁變繞組也串聯(lián)，電抗器并聯(lián)則勵磁變繞組也并聯(lián)。如圖1.2-1所示：一臺ydc-50/3，6 的

17、勵磁變壓器，輸入為a、x，400v，輸出為a1、x1，a2、x2，每個繞組額定電壓為3000v，額定電流為8.3a，當(dāng)a1和a2短接，x1和x2短接，處于繞組并聯(lián)，則高壓側(cè)輸出電壓為3kv,輸出電流為 圖1.2-116.6a；當(dāng)x1和a2短接，處于繞組串聯(lián)，則高壓側(cè)輸出電壓為6kv,輸出電流為8.3a。 使用注意事項： 由圖可以看出，勵磁變壓器靜電屏在出廠前已與x2（xn n最大端子）連接，故在接線時應(yīng)把x2（xn n最大端子）接地，否則會導(dǎo)致勵磁變損壞。1.3試驗電抗器繞制注意事項：渦流等電抗器的接線較為簡單，可根據(jù)情況進(jìn)行串、并聯(lián)，以滿足電壓和電流的需要。如下圖所示： 電抗器的串、并聯(lián)接線

18、示意圖1.4電容分壓器高壓分壓器是高電壓測試器件，它由高壓臂c1和低壓臂c2組成，c1和c2采用同種材料制成，受溫度影響較小，測量信號從低壓臂c2上引出，作為高電壓測量和保護(hù)信號。如果不考慮寄生電感的影響，分壓比n實(shí)際上與頻率無關(guān)。n（分壓器的高壓臂一般由單節(jié)或多節(jié)組成，可以適用于不同電壓等級。分壓器的低壓臂如需要監(jiān)測波形，則有兩個輸出孔，一只用于信號的測量，另一個用于諧振電壓波形的檢測。1.5諧振電容器諧振電容器的配置是為了在進(jìn)行容量較小的試品試驗時，把頻率控制在一定的范圍內(nèi)，如工頻范圍。1.6避雷器是為了防止由于試品擊穿或電源突然掉電時，電抗器低壓端電位抬高對勵磁變壓器和電抗器的沖擊而采用避雷器保護(hù)。二、 技術(shù)指標(biāo) 系統(tǒng)工作