串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)中電抗器的組配驗(yàn)算

串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)中電抗器的組配驗(yàn)鼻李中勝【摘要】分析了R、L、C串聯(lián)電路發(fā)生諧振的原理和諧振時(shí)電路的特性，以及諧振電源在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的一些優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)電氣設(shè)備的試驗(yàn)要求介紹了使用諧振電源有效地對(duì)試驗(yàn)的對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)和串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備選型、組配的方法.【期刊名稱】《湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2014(014)001【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P4-6)【關(guān)鍵詞】諧振;交流;耐壓試驗(yàn);電抗器【作者】李中勝【作者單位】福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建永安,366000【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM471對(duì)高壓電氣設(shè)備進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)的必要性及諧振升壓方法的應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確判斷電氣設(shè)備是否符合運(yùn)行條件，預(yù)防設(shè)備損壞，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，其中的一項(xiàng)有效措施就是對(duì)設(shè)備進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)。絕緣耐壓試驗(yàn)，包括直流耐壓和交流耐壓兩種試驗(yàn)方法。直流耐壓試驗(yàn)因其裝置的容量小、體積小、重量輕、攜帶方便等而被廣泛應(yīng)用。但并不是所有的電氣設(shè)備都可以通過(guò)直流耐壓試驗(yàn)來(lái)說(shuō)明問(wèn)題，如發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子耐壓試驗(yàn)、交聯(lián)電力電纜、GIS、互感器等耐壓試驗(yàn)；實(shí)踐表明，只有交流耐壓試驗(yàn)才能達(dá)到某些電氣設(shè)備的耐壓試驗(yàn)的實(shí)際效果，能有效地發(fā)現(xiàn)較危險(xiǎn)的集中性缺陷，對(duì)于判斷電氣設(shè)備能否安全投入運(yùn)行具有決定性的意義,是避免電氣設(shè)備發(fā)生絕緣事故的重要手段，是鑒定電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度最直接最有效的方法。由于對(duì)地做交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，電氣設(shè)備通常表現(xiàn)（或等效）為一電容性負(fù)載（用Cx表示），如交聯(lián)電力電纜約為0.1~0.7pF/km,發(fā)電機(jī)約為0.1~3代，若用f=50Hz的工頻電源給電氣設(shè)備做交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，要求試驗(yàn)設(shè)備的容量可由公式計(jì)算得為：式中Us為電氣設(shè)備所要求的實(shí)驗(yàn)電壓。如10kV交聯(lián)電纜的耐壓試驗(yàn)，若取Us>20kV/C0>0.5pF/km,則由上式可得長(zhǎng)度為1km的電纜需要試驗(yàn)變壓器容量P實(shí)際值>88kVA;試驗(yàn)設(shè)備重量若按（15~30）kg/kVA計(jì)算，則試驗(yàn)設(shè)備總重量可達(dá)（1320~2460）kg，造成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)很不方便。隨著國(guó)家電網(wǎng)的發(fā)展，電氣設(shè)備的電壓等級(jí)越來(lái)越高，容量越來(lái)越大。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高壓電氣做交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，傳統(tǒng)的靠工頻試驗(yàn)變壓器升壓的方法由于設(shè)備很笨重，體積龐大，不便搬運(yùn)，且大電流的工作電源在現(xiàn)場(chǎng)不易獲取，已不能滿足現(xiàn)代試驗(yàn)要求。諧振升壓方法是目前對(duì)于電力系統(tǒng)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(yàn)適用范圍廣，但是調(diào)諧比較繁瑣，通常采用調(diào)感法；變頻交流高壓試驗(yàn)受到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的限制，但是調(diào)諧簡(jiǎn)單，操作方便，通常采用調(diào)頻法。工頻定義為45Hz-55Hz（甚至定義為45Hz-65Hz）后，特別是調(diào)頻調(diào)感方法同時(shí)使用，使得系統(tǒng)很方便的滿足規(guī)程對(duì)頻率的要求和設(shè)備對(duì)寬范圍電容量的試品的要求。2變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)的原理及在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)2.1變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)的原理變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置由變頻電源、勵(lì)磁變壓器、高壓電抗器和電容分壓器組成，通過(guò)改變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)的電感量和試驗(yàn)頻率，使回路處于諧振狀態(tài)，此時(shí)電路阻抗Z(3o)=R為純電阻，電壓和電流同相。這樣試驗(yàn)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(lián)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(dāng)XL=XC，即3L=1/(3C)時(shí)，整個(gè)電路為純電阻電路，電路工作在諧振狀態(tài)。此時(shí)回路的諧振頻率流經(jīng)試品的電流和試品兩端的電壓分別為：采用變頻串聯(lián)揩振成套試驗(yàn)裝置對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，所配置電抗器的電感量L,被測(cè)試品的電容量Cx，回路有功損耗等效電阻R，構(gòu)成R、L、C串聯(lián)電路，U為勵(lì)磁變壓器輸出。當(dāng)調(diào)節(jié)變頻電源頻率f為：f0=1/2n時(shí)，被試品回路呈現(xiàn)諧振狀態(tài)。此時(shí)，被試品兩端電壓為:Us=QU,其電壓值比勵(lì)磁變壓器的輸出U0提高了Q倍。由于試驗(yàn)回路中的R很小，故試驗(yàn)回路的品質(zhì)因數(shù)很大，在工程應(yīng)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(yàn)變壓器對(duì)較大電容量的GIS、XLPE等電氣設(shè)備進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。其試驗(yàn)接線如圖2所示:2.2串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)裝置在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)：串聯(lián)諧振電源是利用諧振電抗器和被試品電容諧振產(chǎn)生高電壓和大電流的，電源只需要提供系統(tǒng)中有功消耗的部分，因此，試驗(yàn)所需的電源功率只有試驗(yàn)容量的1/Q，省去了笨重的大功率調(diào)壓裝置和大容量的工頻試驗(yàn)變壓器，設(shè)備的重量和體積都大大減小。諧振激磁電源系統(tǒng)重量，一般為普通試驗(yàn)裝置的1/3-1/5。高壓電抗器L與被試驗(yàn)設(shè)備Cx處于諧振狀態(tài)，此電路形成一個(gè)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(yàn)時(shí)能有效的防止諧波峰值對(duì)試品的誤擊穿。（3）串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)，如果被試品的絕緣弱點(diǎn)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(huì)在被試品上產(chǎn)生過(guò)電壓，整個(gè)回路電流迅速下降為正常試驗(yàn)電流的1/Q。因此串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)?zāi)苡行У恼业皆嚻方^緣弱點(diǎn)，絕緣擊穿處的短路電流又不會(huì)將故障點(diǎn)擴(kuò)大的危險(xiǎn)。3串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)中電抗器的組配驗(yàn)算3.1試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)目前，關(guān)于GIS、交聯(lián)電纜等大電容量的試品，IEC有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)支持并推薦使用工頻及近似工頻（30-300HZ）的交流試驗(yàn)方法進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，這種交流電壓可以重現(xiàn)與運(yùn)行工況下相同的場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)于電壓較低的試品，優(yōu)先選用45~65Hz的頻率范圍。國(guó)內(nèi)，各地區(qū)也有相應(yīng)的規(guī)程支持交聯(lián)電纜的非工頻交流耐壓試驗(yàn)，其試驗(yàn)頻率一般在30~300Hz范圍內(nèi)。對(duì)于10kV、35kV的中低壓交聯(lián)電纜，試驗(yàn)電壓一般都不高于相電壓的2倍（1.6-2.0倍）。對(duì)于發(fā)電機(jī)、變壓器的交流耐壓只限于工頻耐壓，GB/T16927.1-1997規(guī)定工頻試驗(yàn)頻率范圍為45-55HZ。在很多地方，甚至定義為45Hz-65Hz，也就是說(shuō)，發(fā)電機(jī)、電力變壓器的工頻交流耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)頻率可以為45Hz-65Hz。這也使變頻交流試驗(yàn)在一定范圍內(nèi)得到了更為廣泛的應(yīng)用。3.2對(duì)頻率沒(méi)有特殊要求的設(shè)備如：電纜試驗(yàn)、高壓開關(guān)、隔離刀閘、GIS組合電器等進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)電抗器的組配驗(yàn)算以采用西安四方機(jī)電有限公司成套串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置。對(duì)1km規(guī)格26/35kV120mm2的電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。該裝置由變頻電源、勵(lì)磁變、高壓電抗器、電容分壓器（電容量1000pF）、高壓補(bǔ)償電容器等組成，其設(shè)備配置步驟如下：表1電抗器的銘牌標(biāo)稱：Tab.1Thenominalnameplateofreactor額定電壓額定電流電感量工作頻率單個(gè)重量30kV1.9A61.2H20~300HZ60Kg3.2.1根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定試驗(yàn)電壓，并根據(jù)試驗(yàn)電壓考慮電抗器的組配。由GB50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可知26/35kV交聯(lián)電纜交接時(shí)交流耐壓試驗(yàn)電壓為2U0=2x26=52kV,由于XZKY-30/1.9/65電抗器額定電壓為30kV，單臺(tái)不能滿足52kV的試驗(yàn)電壓要求，就需要此型號(hào)兩臺(tái)電抗器串聯(lián)使用則有：2x30kV=60kV>52kV，則所選電抗器滿足試驗(yàn)電壓的要求。3.2.2估算或者通過(guò)儀器測(cè)量被試品的電容量，根據(jù)電容量驗(yàn)算電抗器組配是否滿足試驗(yàn)的頻率要求。根據(jù)上一步可得需要配置2個(gè)電抗器串聯(lián)使用，則L=2x61.2H=122.4H,1公里規(guī)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(shí)可忽略)計(jì)算可得f0=1/2n=38.47Hz在規(guī)程允許的頻率范圍內(nèi)。3.2.3驗(yàn)算回路電流是否超出設(shè)備名牌標(biāo)稱I=2nf0CUC=UL/2nf0L=52x103/(2x3.14x38.47x122.4)=1.76A<1.9A可見(jiàn)對(duì)于長(zhǎng)度為1km，規(guī)格為26/35kV120mm2電纜試驗(yàn)使用2臺(tái)型號(hào)為XZKY-30/1.9/65的電抗器串聯(lián)便可滿足其交流耐壓試驗(yàn)要求。3.3對(duì)頻率有特殊要求的設(shè)備如：發(fā)電機(jī)、變壓器、高壓電機(jī)等進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)電抗器的組配驗(yàn)算。以滿足對(duì)額定電壓為10.5kV，容量72.5~85MW的水輪發(fā)電機(jī)做交流耐壓試驗(yàn)為例，進(jìn)行諧振設(shè)備的組配。3.3.1根據(jù)被試品電容量，計(jì)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(fā)電機(jī)，其定子繞組單相的對(duì)地電容量約為0.694#,要求試驗(yàn)頻率45~65Hz，取頻率為45Hz進(jìn)行驗(yàn)算，則由公式L=1/(2nf)2C推算得所需電感為18.04H。型號(hào)為XZKY-30/1.9/65電抗器的額定電感量為61.2H，用4臺(tái)同型號(hào)電抗器并聯(lián)才能滿足試驗(yàn)要求。此時(shí)電路的電感L=15.3Hz實(shí)際諧振頻在規(guī)程要求范圍。3.3.2根據(jù)試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)選擇電抗器組配按電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程要求，運(yùn)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(fā)電機(jī)其試驗(yàn)電壓為1.5UN=1.5x10.5=15.75kV，則型號(hào)為XZKY-30/1.9/65電抗器額定電壓為30kV>15.75kV，能滿足試驗(yàn)要求。3.3.3驗(yàn)算回路電流是否超出設(shè)備名牌標(biāo)稱I=2nfCU=2x3.14x49x0.694x10-6x1.575x104=3.36A型號(hào)為XZKY-30/1.9/65電抗器的額定電流為1.9A，當(dāng)4臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)能保證電抗器的安全運(yùn)彳行可見(jiàn)對(duì)以額定電壓為10.5kV，容量72.5~85MW的發(fā)電機(jī)使用4臺(tái)該型號(hào)電抗器并聯(lián)便可滿足其串聯(lián)諧振的交流耐壓試驗(yàn)要求。4注意事項(xiàng)被試品的等效電容包括被試品電容及試驗(yàn)引線和被試品對(duì)地的雜散電容。設(shè)備的一次接線和設(shè)備兩端所連引線對(duì)地電容引起的，引線越長(zhǎng)，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(huán)，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?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)電抗器放置必須與周圍物件保持一定安全距離；電抗器嚴(yán)禁放置在鐵板上，因?yàn)榉胖迷阼F板上將產(chǎn)生渦流，影響諧振試驗(yàn)；電抗器串聯(lián)平鋪放置式使用時(shí)，第1節(jié)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(shè)備配置了可拖地的高壓引線不存在高壓危險(xiǎn))，第2節(jié)電抗器必須在底部放置專門的絕緣筒上。因?yàn)榇藭r(shí)在第2節(jié)電抗器的低壓端電壓為第1節(jié)電抗器高壓端輸出的電壓，根據(jù)電抗器型號(hào)不同，變頻電源輸出電壓不同，產(chǎn)生的高壓通常都在幾萬(wàn)伏。5結(jié)語(yǔ)串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)時(shí)設(shè)備配套主要取決于被試品的試驗(yàn)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(yīng)對(duì)不同設(shè)備的試驗(yàn)需要，常通過(guò)幾個(gè)電抗器的串聯(lián)或并聯(lián)的方式，以使整個(gè)試驗(yàn)回路的電抗?jié)M足電路諧振的需要。XZKY-30/1.9/65電抗器單臺(tái)重量為60Kg，現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)較為麻煩，為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)工作，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)前詳細(xì)了解被試品的型號(hào)參數(shù)，比如電纜的種類、長(zhǎng)度、導(dǎo)體截面，發(fā)電機(jī)的額定電壓等，通過(guò)查閱資料，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方式掌握被試品等效電容Cx的大至范圍，規(guī)程要求的試驗(yàn)電壓以及對(duì)頻率的要求，提前估計(jì)所需要的電