串联谐振耐压试验中电抗器的组配验算
李中胜
【摘 要】分析了R、L、C串联电路发生谐振的原理和谐振时电路的特性,以及谐振电源在电力系统中应用的一些优点,并根据电气设备的试验要求介绍了使用谐振电源有效地对试验的对象进行试验和串联谐振交流耐压试验设备选型、组配的方法.
【期刊名称】《湖南工业职业技术学院学报》
【年(卷),期】2014(014)001
【总页数】3页(P4-6)
【关键词】谐振;交流;耐压试验;电抗器
【作 者】李中胜
【作者单位】福建水利电力职业技术学院,福建永安,366000
【正文语种】中 文
【中图分类】TM47
1 对高压电气设备进行交流耐压试验的必要性及谐振升压方法的应用
在电力系统中，为了准确判断电气设备是否符合运行条件，预防设备损坏，保证系统的安全运行，其中的一项有效措施就是对设备进行绝缘耐压试验。绝缘耐压试验，包括直流耐压和交流耐压两种试验方法。直流耐压试验因其装置的容量小、体积小、重量轻、携带方便等而被广泛应用。但并不是所有的电气设备都可以通过直流耐压试验来说明问题，如发电机的转子耐压试验、交联电力电缆、GIS、互感器等耐压试验；实践表明，只有交流耐压试验才能达到某些电气设备的耐压试验的实际效果，能有效地发现较危险的集中性缺陷，对于判断电气设备能否安全投入运行具有决定性的意义,是避免电气设备发生绝缘事故的重要手段,是鉴定电气设备绝缘强度最直接最有效的方法。
由于对地做交流耐压试验时，电气设备通常表现(或等效)为一电容性负载(用Cx表示)，如交联电力电缆约为0.1～0.7μF/km，发电机约为0.1～3μF，若用f=50Hz的工频电源给电气设备做交流耐压试验时，要求试验设备的容量可由公式计算得为：
式中Us为电气设备所要求的实验电压。如10kV交联电缆的耐压试验，若取Us≥20kV,C0≥0.5μF/km，则由上式可得长度为1 km的电缆需要试验变压器容量P实际值≥88kVA；试验设备重量若按(15～30)kg/kVA计算，则试验设备总重量可达(1320～2460)kg，造成现场试验很不方便。随着国家电网的发展，电气设备的电压等级越来越高，容量越来越大。在现场对高压电气做交流耐压试验时，传统的靠工频试验变压器升压的方法由于设备很笨重，体积庞大，不便搬运，且大电流的工作电源在现场不易获取，已不能满足现代试验要求。
谐振升压方法是目前对于电力系统大电容性试品比较适用的方法，分为工频谐振升压法和变频谐振升压法。工频交流高压试验适用范围广，但是调谐比较繁琐，通常采用调感法；变频交流高压试验受到试验标准的限制，但是调谐简单，操作方便，通常采用调频法。工频定义为45Hz-55Hz(甚至定义为45Hz-65Hz)后，特别是调频调感方法同时使用，使得系统很方便的满足规程对频率的要求和设备对宽范围电容量的试品的要求。
2 变频串联谐振耐压试验的原理及在电力系统应用中的优点
2.1 变频串联谐振耐压试验的原理
变频串联谐振耐压试验装置由变频电源、励磁变压器、高压电抗器和电容分压器组成，通过改变试验系统的电感量和试验频率，使回路处于谐振状态，此时电路阻抗Z(ωo)＝R为纯电阻，电压和电流同相。这样试验回路中试品上的大部分容性电流与电抗器上的感性电流相抵消，电源只提供回路中消耗的有功功率的能量。其基本原理及等值电路如图1所示：
图1 串联谐振基本原理及等值电路图Fig.1 Basic principle diagram of series resonance and diagram ofequivalentcircuit
如图1所示等值电路中，当XL＝XC，即ωL＝1/（ωC）时，整个电路为纯电阻电路，电路工作在谐振状态。此时回路的谐振频率
流经试品的电流和试品两端的电压分别为:
采用变频串联揩振成套试验装置对电气设备进行耐压试验时，所配置电抗器的电感量L，被测试品的电容量Cx，回路有功损耗等效电阻R，构成R、L、C串联电路，U为励磁变压器输出。当调节变频电源频率f为：f0=1/2π时,被试品回路呈现谐振状态。此时，被试品两端电压为:Us=QU,其电压值比励磁变压器的输出U0提高了Q倍。由于试验回路中的R很小，故试验
回路的品质因数很大，在工程应用中，Q一般在20—200之间。因此用这种方法能用电压较低，较小容量试验变压器对较大电容量的GIS、XLPE等电气设备进行交流耐压试验。其试验接线如图2所示：
reactor 原理2.2 串联谐振交流耐压试验装置在电力系统应用中的优点：
（1）串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品电容谐振产生高电压和大电流的，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q，省去了笨重的大功率调压装置和大容量的工频试验变压器，设备的重量和体积都大大减小。谐振激磁电源系统重量，一般为普通试验装置的1/3-1/5。
（2）高压电抗器L与被试验设备C x处于谐振状态，此电路形成一个良好的滤波电路，故输出电压U c为良好的正弦波形，做耐压试验时能有效的防止谐波峰值对试品的误击穿。
（3）串联谐振交流耐压试验，如果被试品的绝缘弱点被击穿，谐振条件被破坏，电路立即脱谐，被试品上的电压瞬间回落，能量迅速得到释放，不会在被试品上产生过电压，整个回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q。因此串联谐振耐压试验能有效的到试品绝缘弱点，绝缘击穿处的短路电流又不会将故障点扩大的危险。
3 串联谐振耐压试验中电抗器的组配验算
3.1 试验标准
目前，关于GIS、交联电缆等大电容量的试品，IEC有相关的标准支持并推荐使用工频及近似工频（30-300Hz）的交流试验方法进行耐压试验，这种交流电压可以重现与运行工况下相同的场强。对于电压较低的试品，优先选用45～65Hz的频率范围。国内，各地区也有相应的规程支持交联电缆的非工频交流耐压试验，其试验频率一般在30～300Hz范围内。对于10kV、35kV的中低压交联电缆，试验电压一般都不高于相电压的2倍(1.6-2.0倍)。
对于发电机、变压器的交流耐压只限于工频耐压，GB/T16927.1-1997规定工频试验频率范围为45-55Hz。在很多地方，甚至定义为45Hz-65Hz，也就是说，发电机、电力变压器的工频交流耐压试验的试验频率可以为45Hz-65Hz。这也使变频交流试验在一定范围内得到了更为广泛的应用。
3.2 对频率没有特殊要求的设备如：电缆试验、高压开关、隔离刀闸、GIS组合电器等进行耐压试验时电抗器的组配验算
以采用西安四方机电有限公司成套串联谐振耐压试验装置。对1km规格26/35kV120mm2的电缆进行耐压试验。该装置由变频电源、励磁变、高压电抗器、电容分压器(电容量1 000 pF)、高压补偿电容器等组成，其设备配置步骤如下：
表1 电抗器的铭牌标称：Tab.1 Thenominalnameplateof reactor额定电压 额定电流 电感量 工作频率 单个重量30kV 1.9A 61.2H 20～300HZ 60Kg
3.2.1 根据试验标准确定试验电压，并根据试验电压考虑电抗器的组配。
由GB50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准可知26/35kV交联电缆交接时交流耐压试验电压为2U0=2×26=52kV,由于XZKY-30/1.9/65电抗器额定电压为30kV，单台不能满足52kV的试验电压要求，就需要此型号两台电抗器串联使用则有：2×30kV=60kV>52kV，则所选电抗器满足试验电压的要求。
3.2.2 估算或者通过仪器测量被试品的电容量，根据电容量验算电抗器组配是否满足试验的频率要求。
根据上一步可得需要配置2个电抗器串联使用，则L=2×61.2H=122.4H，1公里规格为26/35k
V 120mm2电缆，估算电容量Cx=1×0.14=0.14μf（分压器电容量Cb=250Pf与被试品相比极小时可忽略）计算可得f0=1/2π=38.47Hz在规程允许的频率范围内。
3.2.3 验算回路电流是否超出设备名牌标称
I=2πf0CUC=UL/2πf0L=52×103/(2×3.14×38.47×122.4)=1.76A<1.9 A
可见对于长度为1km，规格为26/35kV 120mm2电缆试验使用2台型号为XZKY-30/1.9/65的电抗器串联便可满足其交流耐压试验要求。
3.3 对频率有特殊要求的设备如：发电机、变压器、高压电机等进行工频耐压试验时电抗器的组配验算。

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