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調(diào)頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置工作原理

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    大電容量的電氣設(shè)備(如大型發(fā)電機(jī)組、電力變壓器、電力電容器、GIS、電力電纜等)在一定頻率范圍內(nèi)的絕緣耐受與工頻耐壓具有一定的等效性,這樣就為利用調(diào)頻試驗(yàn)裝置的電感與被試品的電容串聯(lián)產(chǎn)生諧振電壓來進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)提供了可能,且由于試驗(yàn)裝置的勵磁電壓低、重量輕,非常方便于在施工現(xiàn)場使用。現(xiàn)就調(diào)頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的原理、特點(diǎn)和在實(shí)際應(yīng)用中的幾點(diǎn)體會進(jìn)行闡述。 

    一、調(diào)頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置原理

  發(fā)生串聯(lián)諧振的基本原理是:在R-L-C電路中(如圖1所示)



  由電工知識得到:Uc=I/ωC,UL=I*ωL,UR=I*R,U=Uc+UL+UR,當(dāng)LRC串聯(lián)回路中的感抗與試品容抗相等時,電感中的磁場能量與試品電容中的電場能量相互補(bǔ)償,試品所需的無功功率全部由電抗器供給,電源只提供回路的有功損耗。電源電壓與諧振回路電流同相位,電感上的電壓降與電容上的壓降大小相等,相位相反。由圖1 可知,當(dāng) ωL=1/ωc,回路的諧振頻率 f=1/2π√LC,也就是說,電路發(fā)生串聯(lián)諧振,電源提供很小的勵磁電壓,試品上就能得到很高的電壓,電源頻率為諧振頻率。

    二、調(diào)頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)

  利用串聯(lián)諧振原理在回路中產(chǎn)生高電壓,一般頻率為30~300Hz。串聯(lián)諧振高壓發(fā)生器原理如下圖2表示:


串聯(lián)諧振電路圖-2

 

  當(dāng)電源頻率(f)、電感(L)及被試設(shè)備電容(C)滿足下式時回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)此時:f=1/2π√LC,回路中電流為I=Ulx/R,被試設(shè)備電壓為Ucx=I/ωCx輸出電壓與勵磁電壓之比為試驗(yàn)回路的品質(zhì)因數(shù):Q=Ucx/Ulx=(ωL)/R,由于試驗(yàn)回路中電阻R很小,故試驗(yàn)回路品質(zhì)因數(shù)很大。一般正常時可達(dá)50以上,既輸出電壓是勵磁電壓50倍,因此用較低容量的試驗(yàn)變壓器就能得到較高的試驗(yàn)電壓。這樣就解決了在一般的交流耐壓試驗(yàn)中試驗(yàn)變壓器容量不能滿足試驗(yàn)要求的問題。而此時電容量與電感的關(guān)系為ωL=1/ωc,因?yàn)閷δ硞€試品而言,電容量是固有的,試驗(yàn)用可調(diào)電感的價格也非常昂貴,因此解決問題的途徑就引到了改變電源頻率回路的諧振頻率,在初始電壓下調(diào)節(jié)回路的頻率,觀察Uc的變化達(dá)最大值時,增加或減小頻率時諧振電壓都要下降,這時的頻率為諧振頻率,這時的電壓為諧振點(diǎn)電壓,增加勵磁電壓就能升高諧振電壓,從而達(dá)到試驗(yàn)電壓目的。另外,由于試驗(yàn)回路是處于諧振狀態(tài),回路本身具有良好的濾波作用,電源波形中的諧波分量在設(shè)備兩端大為減小,從而輸出良好的正弦波形。當(dāng)試品放電或擊穿時,即回路中等值電容被短路,諧振條件被破壞,電壓明顯下降,恢復(fù)電壓上升緩慢,試品上不發(fā)生暫態(tài)過電壓,且電源供給的短路電流受到電抗的限制而減少,從而限制被試設(shè)備的損壞程度。
    三、調(diào)聯(lián)串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的幾點(diǎn)應(yīng)用

  山東某熱電廠155WM發(fā)電機(jī),使用變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置進(jìn)行工頻交流耐壓的實(shí)驗(yàn),測得發(fā)電機(jī)一相定子繞組對地電容285nF,根據(jù)工頻耐壓50HZ的要求,需要定做兩個標(biāo)準(zhǔn)電感L1=L2=14H,如圖3所示。


串聯(lián)諧振電路圖-3

 

  耐壓試驗(yàn)時,根據(jù)計(jì)算頻率在初始電壓下進(jìn)行調(diào)頻。首先檢查接地,串聯(lián)諧振接地必須良好,試驗(yàn)設(shè)備接地點(diǎn)與發(fā)電機(jī)鐵心接地點(diǎn)連在一起一同接地。另外,測溫元件與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子也要保護(hù)接地,但是開始調(diào)頻實(shí)驗(yàn)時結(jié)果不太理想,頻率達(dá)不到工頻要求,斷開電源后檢查外部連線正確,懷疑兩個電抗器擺放位置的影響,由于兩個電抗器互感作用,使感抗值發(fā)生了變化,重新調(diào)整電抗器的距離、位置,找到工頻50HZ諧振點(diǎn),開始升壓,升到允許耐壓值后,保持一分鐘,工頻耐壓試驗(yàn)順利通過。通過此次試驗(yàn)使得在大型高壓電機(jī)的耐壓試驗(yàn)方面積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

    四、變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置進(jìn)行耐壓試驗(yàn)注意事項(xiàng)

  4.1、試驗(yàn)頻率的調(diào)整

  對試驗(yàn)裝置與被試品構(gòu)成的回路,其諧振頻率是確定的,有時可能會出現(xiàn)被試品頻率不能滿足試品所要求的頻率。由公式:ωL=1/ωC,為滿足頻率要求,有調(diào)節(jié)電感和改變電容量兩個辦法,但由于可調(diào)電感的設(shè)備價格相對要高得多,為此選擇用并聯(lián)電容的辦法(如圖4所示)。


串聯(lián)諧振電路圖-4

 

  在施工現(xiàn)場,并聯(lián)電容的來源有耦合電容器、開關(guān)的斷口電容器等。在選用并聯(lián)電容時,必須考慮并聯(lián)電容器能夠承受試驗(yàn)電壓的考驗(yàn),電容量的大小必須使試驗(yàn)電壓頻率能夠滿足規(guī)程規(guī)定。例如對變壓器耐壓試驗(yàn),試驗(yàn)頻率一般要求在工頻,即45-60HZ。由串聯(lián)諧振條件:LC=1/ω,因?yàn)長=2*131=262H,所以C 約為27000-48000pF。根據(jù)介損試驗(yàn)數(shù)據(jù),變壓器高對低的電容量一般要小于27000pF,顯然不能滿足諧振條件。例如,我們在做某臺主變220KV中性點(diǎn)套管耐壓試驗(yàn)時,根據(jù)高對低地的電容量Cx=18000pF,試驗(yàn)電壓為 72KV,實(shí)際條件選用 110KV耦合電容器(C1-10000PF)。這樣,C=C1+Cx=28000pF,f=58.8HZ,在規(guī)定范圍內(nèi),考慮到高壓引線對地的雜散電容影響,實(shí)際測量值要比計(jì)算值略低。現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)為f=55.6HZ,與計(jì)算值相符。又如電纜,其耐壓試驗(yàn)的頻率一般要求在30-75HZ間。由于不同長度、不同截面電纜的電容量不同,要實(shí)際情況實(shí)際計(jì)算,通過并聯(lián)電容器和改變電感的串并聯(lián),使得頻率符合要求。如110KV 電纜,YJLW03-64/110,400平方毫米,440米,單芯電容量為65nF,可計(jì)算得f=2*(65*10*131)=53HZ,在范圍內(nèi)。若是遇到短電纜,在電容量不夠時,可并聯(lián)電容器。

  4.2、提高試驗(yàn)的穩(wěn)定性

  在應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓升到接近試驗(yàn)電壓時,電壓上升速度太快并伴有較大的電壓波動,甚至能導(dǎo)致電壓保護(hù)動作,使試驗(yàn)必須重新開始,這對設(shè)備安全是不利的。但如果電壓保護(hù)值設(shè)定過大,就不能很好的起到保護(hù)被試設(shè)備免受過電壓的作用。根據(jù)R-L-C電路的通用頻率特性曲線(如下圖5)。


串聯(lián)諧振電路圖-5

 

  改變這種情況的方法有以下兩種:

  4.2.1、選擇偏離諧振頻率下進(jìn)行試驗(yàn)。我們知道,為減少試驗(yàn)變壓器的容量,在選擇 Q 值時,Q 值盡量要大.但當(dāng) Q值較大時,而在偏離諧振頻率時,相對較緩。所以,我們可以在試驗(yàn)變壓器容量允許的條件下選擇偏離諧振頻率進(jìn)行升壓,達(dá)到了降低電壓上升速度的目的。

  4.2.2、調(diào)整回路的品質(zhì)因數(shù)。由圖 Q=Uc/U=1/ωCR 可知,為減少 Q值,必須增加回路電阻,這樣,為達(dá)到試驗(yàn)電壓,勵磁變壓器的輸出容量也要增加,所以,應(yīng)用這種方法時,必須在容量許可的條件下進(jìn)行。

  4.3、對接地電阻的要求

  接地線要于接地體可靠連接,接地電阻小于4Ω。

    五、變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

  5.1、體積小、重量輕,適合施工現(xiàn)場使用。高電壓等級時,電抗器采用積木式結(jié)構(gòu),同時便于運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝。

  5.2、在試品擊穿時,諧振條件破壞,短路電流小,只有試品額定電流的 1/10 以下,對試品的危害性小。

  5.3、采用一點(diǎn)接地、進(jìn)線保護(hù)、低通道濾波器、放電保護(hù)等,不僅可以在穩(wěn)態(tài)下使放電或擊穿電流小,而且還使暫態(tài)(瞬時)電流的破壞減小,從而保證設(shè)備和人身的安全。

  5.4、適用范圍廣??蓪﹄娏﹄娎|、斷路器、開關(guān)進(jìn)行調(diào)頻交流耐壓試驗(yàn),對大型發(fā)電機(jī)組、電力變壓器、互感器、套管等電氣設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn),還可用于局部放電試驗(yàn)及測量接地電阻。

  5.5、調(diào)頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置是先在低電壓下調(diào)諧振點(diǎn),然后再升高電壓幅值達(dá)到試驗(yàn)所需電壓,且能保持諧振點(diǎn),安全可靠。

  利用串聯(lián)諧振的方法進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)是完全可行的。對于試驗(yàn)中遇到的問題,采用調(diào)整試驗(yàn)頻率、選擇偏離諧振頻率下進(jìn)行試驗(yàn)和調(diào)整回路的品質(zhì)因數(shù)的方法也是行之有效的。前面所述僅僅是目前實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)的問題,今后還會遇到一些其它的技術(shù)問題,有待在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)和解決。目前電力規(guī)范中規(guī)定35KV及以上電纜試驗(yàn)必須做交流耐壓,這就要求我們不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),取長補(bǔ)短,逐漸改進(jìn),對新工藝、新材料提出更高的要求,用行之有效科學(xué)方法去應(yīng)對日益發(fā)展新技術(shù)。


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