高壓變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗

    現場(chǎng)耐壓試驗取高電壓直接的方法是使用試驗變壓器將電壓升到耐壓試驗所需要的電壓值，但該方法存在很多局限性。被試驗設備電壓等級越高，試驗變壓器的變比就越大，由于試驗電壓比被試設備運行電壓高很多，對變壓器的絕緣水平要求較高，且帶負載能力受到二次繞組的容量和現場(chǎng)試驗電源的很大限制；因此，只有較低電壓等級和較小電容值的被試設備才使用試驗變壓器產(chǎn)生高壓進(jìn)行耐壓試驗。對于較高電壓等級和較大電容值的被試設備，現場(chǎng)常用串聯(lián)諧振方法產(chǎn)生高電壓進(jìn)行耐壓試驗；對于較低電壓等級和大電容值的被試設備，現場(chǎng)常用并聯(lián)諧振方法產(chǎn)生高電壓進(jìn)行耐壓試驗。并聯(lián)諧振方法主要用于電力電纜的交流耐壓，它較好地滿(mǎn)足了被試設備較大電力的要求，但產(chǎn)生的電壓并不高，本文對這種方法不進(jìn)行討論。串聯(lián)諧振產(chǎn)生高電壓方法的應用較為廣泛，但現場(chǎng)使用這種方法進(jìn)行耐壓試驗時(shí)也遇到不少問(wèn)題。本文主要就變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗的原理及應用進(jìn)行分析與研究。
    
    一、對高壓電氣設備進(jìn)行交流耐壓試驗的必要性
    (1)直流耐壓試驗不能反映設備實(shí)際工況下的電場(chǎng)分布，難以正確發(fā)現高壓電氣設備的內部缺陷。直流電壓下，電氣元件上的電壓按電阻分布，交流電壓下電氣設備上的電壓則是按介電常數分布，它反映實(shí)際運行的情況。例如:對于交聯(lián)電纜、全膜或紙膜電容器，其固體介質(zhì)的電阻率可高達1-100EΩ*m，當其電容元件絕緣薄膜絕緣不良時(shí)，其電阻率可大幅下降，只有原電阻率的幾分之一。做直流耐壓時(shí)。電阻率高、絕緣良好的電容元件可承受的電壓較不良電容元件反而高出幾倍，使絕緣不良的電容元件反而更容易通過(guò)試驗，但在運行電壓下，其絕緣缺陷便會(huì )暴露出來(lái)，誘發(fā)故障。(2)直流電壓可使高壓電氣設備內部的局部放電大為減弱，不利于絕緣缺陷的檢出。高壓電氣設備內部的某些絕緣弱點(diǎn)或極板邊緣電場(chǎng)集中的部位均可能產(chǎn)生局部放電，持續的局部放電對絕緣是有害的。因高壓電氣絕緣的多樣性，在導體和絕緣介質(zhì)之間往往存在多種絕緣介質(zhì)，而各種介質(zhì)的場(chǎng)強分布不同，加壓時(shí)，場(chǎng)強較高的介質(zhì)會(huì )先發(fā)生局部放電，但是同樣的復合材料，在直流電壓作用下，局部放電會(huì )大大減弱。氣隙發(fā)生局部放電后產(chǎn)生的正、負離子形成反向電場(chǎng)強度E'，使氣隙中的合成場(chǎng)強下降，使局部放電削弱甚至熄滅。而交流電壓則不然，只要外加試驗電壓高于局部放電起始電壓，每半周內至少會(huì )發(fā)生兩次局部放電，因此交流耐壓試驗檢出的絕緣缺陷遠比直流耐壓敏感。(3)工頻交流耐壓試驗反映(符合)實(shí)際運行電壓波形，與運行中出現的工頻暫態(tài)電壓升高的情況較為符合，不存在等價(jià)性問(wèn)題。但工頻耐壓，試驗設備的容量不易解決:工頻耐壓試驗由于其設備龐大笨重，現場(chǎng)運輸困難，一般僅能在現場(chǎng)做110kv電壓等級的GIS和SF6斷路器，且試驗過(guò)程中若被試品發(fā)生閃絡(luò )或擊穿，短路電流極易燒傷被試品。綜上所述，施加交流耐壓才能真實(shí)地考核高壓電氣設備的提供質(zhì)量，才能有效地檢出因各種因素造成的絕緣缺陷，但工頻耐壓存在一些缺陷。
    
    二、變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗的原理和應用
    (1)根據串聯(lián)諧振的原理(見(jiàn)圖1)當L、C、R串聯(lián)回路中的感抗與試品容抗相等時(shí)，感抗中的磁場(chǎng)能量與試品電容中的電場(chǎng)能量相互補償，試品所需的無(wú)功功率全部由電抗器供給，電源只提供回路的有功功率，此時(shí)電路的功率因數cosψ=1.0，即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電壓降相等，相位相反。
     
    (2)變頻串聯(lián)諧振裝置是運用串聯(lián)諧振的原理，利用勵磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，通過(guò)調節變頻電源的輸出頻率，使得回路中的電抗器的電感L和試品電容器的電容C發(fā)生諧振，后通過(guò)調整勵磁的輸出電壓，使諧振電壓達到所要求的試驗電壓。變頻串聯(lián)諧振試驗裝置廣泛應用于電纜、大型電力變壓器、氣體絕緣組合電器(GIS)、電力電容器等高電壓、大容量的電力設備的交流耐壓、感應耐壓等試驗項目中。   
    原理總結:串諧裝置可提供被試設備高于高于電源電壓Q倍的試驗電壓。由于電源容量減小且電感、電容可做成分段式，使試驗設備輕巧，運輸方便，為大容量、長(cháng)距離現場(chǎng)試驗成為可能并提供極大方便，同時(shí)利用試驗頻率允許在一定可調范圍內(30一300Hz)和試驗電抗器固定可調(單一電抗器是不可調的，但是通過(guò)串并聯(lián)，zong電感可調)的原理，使得系統的柔性大大增加。IEC517和GB7674-1997均認為試驗電壓在10一300Hz范圍內與土頻電壓試驗基本等效。
    調諧式串諧具有體積小、重量輕，消耗的電源能量小，試驗電壓獲得容易，操作方便，省時(shí)省工，同時(shí)串諧試驗將避免被試設備擊穿時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的短路電流，而使設備進(jìn)一步受損。但是，在試驗過(guò)程中一定要做好一次引線(xiàn)及導電部分的屏蔽，盡量降低線(xiàn)路電暈損耗引起的等效電阻，提高設備品質(zhì)因數Q，才能保證耐壓試驗順利進(jìn)行。