變頻串聯(lián)諧振在電力工程中的應用

1.引言

按照電氣設備交接試驗要求，變壓器、GIS系統、SF6斷路器、電流互感器、電力電纜、套管等容性設備交接時(shí)需進(jìn)行交流耐壓試驗。采用傳統的工頻電壓試驗法進(jìn)行容性設備交流耐壓試驗時(shí)，升壓試驗變壓器笨重、龐大，且現場(chǎng)大電流試驗電源不易取得。與傳統試驗方法相比較，變頻串聯(lián)諧振具有輸入電源容量小、設備重量輕，品質(zhì)因數高，并具有自動(dòng)調諧、多重保護、組合方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。

由于串聯(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，試驗電源只需提供系統有功的消耗，因此其所需電源功率只有試驗容量的1/Q。而且，由于串聯(lián)諧振試驗不需要大功率調壓裝置和工頻試驗變壓器，諧振激磁電源只需試驗容量的1/Q，使得串聯(lián)諧振系統重量和體積大大減少。另外，諧振電源是諧振式濾波電路，其能改善輸出電壓波形，從而防止諧波峰值對試品的誤擊穿。而在串聯(lián)諧振狀態(tài)下，當試品絕緣弱點(diǎn)被擊穿時(shí)，電路立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗電流的1/Q，故其還可防止大的短路電流對故障點(diǎn)的燒傷。

2.串聯(lián)諧振原理分析

在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路中，當容抗與感抗相等時(shí)，電路中的電壓與電流相位相同，電路呈現純電阻性，此即為串聯(lián)諧振。當電路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，電路的阻抗Z=R，此時(shí)回路總阻抗值小，回路電流大值。圖1（a）所示為電感和電容元件串聯(lián)組成的一端口網(wǎng)絡(luò )，其等效阻抗，當發(fā)生諧振時(shí)，其端口電壓與電流同相位，即，由此可推得諧振角頻率和諧振頻率分別為。定義諧振時(shí)的感抗或容抗 為特性阻抗ρ，則特性阻抗ρ與電阻R的比值即為品質(zhì)因數Q。

電路諧振時(shí)阻抗值小，當端口電壓一定時(shí)，電路電流將達到大值，如圖1（b）所示，且該值的大小僅與電阻的阻值有關(guān)而與電感和電容無(wú)關(guān)。諧振時(shí)電感電壓與電容電壓數值相等、相位相反，為總電壓的Q倍，即。RLC串聯(lián)電路的電流是電源頻率的函數，

即，在電路的電感L、電容C和電源電壓US不變的情況下，不同的R值得到不同的Q值，圖2（a）所示為不同Q值時(shí)的電流幅頻特性曲線(xiàn)。

為了研究電路參數對諧振特性的影響，通常采用通用諧振曲線(xiàn)，圖2（b）所示為串聯(lián)諧振電路的通用諧振曲線(xiàn)。通用諧振曲線(xiàn)的形狀只與Q值有關(guān)，且曲線(xiàn)形狀越尖銳，電路的選頻性能越好。幅值大于峰值的0.707倍所對應的頻率范圍為通帶寬，理論推導可得，由該式可知通帶寬與品質(zhì)因數成反比。

3.變頻串聯(lián)諧振的工程應用分析

變頻串聯(lián)諧振其諧振頻率，其中L為電抗器的電感值，如有幾個(gè)電抗器串并聯(lián)使用應考慮互感的影響；C為被試品及分壓電容器的和，現場(chǎng)可以用電橋或介損儀進(jìn)行實(shí)際測量獲得。高壓電流I=2πfCU，由被試品的電氣參數和出廠(chǎng)耐壓試驗值，可確定現場(chǎng)的耐壓試驗電壓U；有功功率P=1.2（P0+PK），其中P0為勵磁變空載損耗，PK為電抗器額定有功損耗。

變頻串聯(lián)諧振試驗過(guò)程中，勵磁變的容量應大于有功功率P，并在勵磁變低輸出電壓滿(mǎn)足試驗要求的前提下盡量降低勵磁變的變比，從而相應減小勵磁變原邊的輸入電流。試驗電源容量S=P+P1，其中P1為變頻電源本身的損耗，由電源端輸入電壓為380V可得電源電流I1=。試驗中電抗器的額定電壓和電流也應大于試驗電壓和高壓電流，當電抗器采取串并聯(lián)以滿(mǎn)足試驗要求時(shí)，必須計算每個(gè)電抗器上所承受的電壓和電流不超限值。

在現場(chǎng)試驗中，通常采用16mm2以上的裸銅線(xiàn)接地，裸銅線(xiàn)其寄生電感在μH數量級，約0.1-1μH/m，直流電阻約0.1mΩ，如果接地線(xiàn)有彎曲環(huán)繞現象，電感量可增加到10-1000μH/m。試品絕緣通常在交流電壓的正峰值或負峰值被擊穿，試品被擊穿瞬間試品上的電壓gao，擊穿后試品上的電壓跌落到零的時(shí)間一般在0.1-10μs之間，具體情況與擊穿點(diǎn)的實(shí)際情況有關(guān)。從放電能量上看，即使放電時(shí)，試品的小電容量只有0.002μF，實(shí)際試驗時(shí)試品電容量遠大于該值。如以放電時(shí)頻率為100kHz、地線(xiàn)寄生電感為1μH、放電電流為1000A計算，地線(xiàn)的寄生感抗XL==0.628Ω，地線(xiàn)可能產(chǎn)生的過(guò)電壓Ud=If XL=1000×0.628=628V。如果地線(xiàn)連接不規范，寄生電感就會(huì )增大很多，產(chǎn)生的過(guò)電壓可能更大，可危及變頻電源及人身安全。所以高壓試驗系統必須一點(diǎn)可靠接地，分壓器的接地點(diǎn)與大地的連接線(xiàn)應盡量短，接地線(xiàn)應粗、直、短，從而保證試驗安全。

4.變頻串聯(lián)諧振在工程中的應用范例分析

以某變電站220kV GIS導體對外殼耐壓試驗為例，產(chǎn)品出廠(chǎng)試驗電壓導體對地為460kV，現場(chǎng)交接試驗電壓值為出廠(chǎng)試驗的80%，即368kV。試驗設備采用變頻式串聯(lián)諧振耐壓試驗裝置，試驗按電氣設備交接試驗標準和規程進(jìn)行。試驗時(shí)GIS設備所有氣室均充額定壓力SF6氣體且微水測量合格，架空線(xiàn)、電力變壓器、避雷器和保護間隙與GIS隔離開(kāi)。導體對外殼耐壓加壓試驗時(shí)，220kV GIS試驗電壓由#1主變220kV側套管處施加，每次一相，其他兩相與接地的外殼短接。

為進(jìn)行GIS導體對外殼交流耐壓試驗，試驗前先用介損儀在該變#1主變220kV側測得各相對地電容，并根據被試設備電容量估算所需電感以及試驗電流及容量，各相對地電容量如表1所示。根據理論計算進(jìn)行準備試驗工作，現場(chǎng)試驗實(shí)際諧振頻率為73.8Hz，試驗過(guò)程中未發(fā)生設備部件的閃絡(luò )、放電，且試驗前后試品絕緣無(wú)明顯變化，設備順利通過(guò)交流耐壓試驗。

表1 試品電容的測量及參數的估算

相別 電容量（nF） 電感量（H） 諧振頻率（Hz） 一次電流（A） 二次電流（A） 電源電流（A）

A/B-C-E 16.81 260 70.13 3.21 160.61 68.56

B/A-C-E 16.52 260 70.65 3.19 159.43 67.38

C/A-B-E 16.63 260 70.45 3.20 159.88 68.03

5.結論

變頻串聯(lián)諧振與交流工頻耐壓試驗裝置比較，其具有電源容量小、試驗設備重量輕、輸出電壓波形好等優(yōu)點(diǎn)，并可有效的防止諧波峰值對試品的誤擊穿、且可避免大的短路電流燒傷故障點(diǎn)。變頻串聯(lián)諧振原理、工程應用分析及現場(chǎng)試驗表明，變頻串聯(lián)諧振在電力工程試驗中具有突出的技術(shù)優(yōu)勢和良好的應用前景。