變頻串聯(lián)諧振現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)

1、syec 介損測(cè)試儀技術(shù)資料syec 變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)電源現(xiàn) 場(chǎng) 試 驗(yàn) 技 術(shù) 匯 編上 海 思 源 電 氣 股 份 有 限 公 司shanghai siyuan electric co.,ltd原 理 部 分（本文主要討論容性負(fù)載的現(xiàn)場(chǎng)高壓試驗(yàn)方法）一、 概述1.1絕緣耐壓試驗(yàn)分為直流耐壓試驗(yàn)和交流耐壓試驗(yàn)兩種，交流耐壓又分為工頻（近工頻）高電壓試驗(yàn)、沖擊高電壓試驗(yàn)等。1.2 絕緣相關(guān)及高壓試驗(yàn)技術(shù)的一個(gè)通用原則是：試品上所施加的試驗(yàn)電壓場(chǎng)強(qiáng)必須模擬高壓電器的運(yùn)行工況。高壓試驗(yàn)得出的通過(guò)與不通過(guò)的結(jié)論要能代表高壓電器中的薄弱點(diǎn)是否對(duì)今后的運(yùn)行帶來(lái)危害。這就意味著試驗(yàn)中的故障機(jī)理應(yīng)與電器運(yùn)行

2、中的機(jī)理有相同的物理過(guò)程。為了加速這一物理過(guò)程，試驗(yàn)電壓要高于運(yùn)行電壓。根據(jù)上述原理，實(shí)踐中高壓電器的交直流耐壓試驗(yàn)、雷電沖擊、操作沖擊試驗(yàn)是最典型的應(yīng)用。1.3耐壓試驗(yàn)的物理模型一切絕緣體，在電場(chǎng)作用下等效模型如右圖的多個(gè)電路串并聯(lián)組成，對(duì)于不同的材料的絕緣設(shè)備，其電容及電阻大小是不同的。一切耐壓都是建立在此模型的基礎(chǔ)上的。不同的耐壓方法它所產(chǎn)生的電壓都將加在此模型上；對(duì)于直流耐壓試驗(yàn)，加在絕緣體上的電壓是按照電阻分布的，對(duì)于交流耐壓試驗(yàn)則是按照電容分布的，選擇那種耐壓方法是根據(jù)絕緣材料的特性和應(yīng)用場(chǎng)合等多種因素決定地。例如：油紙絕緣電纜采用直流電源試驗(yàn)取得了很成功的試驗(yàn)成果，但直流試驗(yàn)卻不

3、適合于交聯(lián)電纜的試驗(yàn)。實(shí)踐證明，直流耐壓對(duì)gis、git、gib也沒(méi)有效果。 所以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最佳的電源是工頻電源，如試驗(yàn)室的電源45-65hz。根據(jù)cigre wg21.9的建議導(dǎo)則，現(xiàn)場(chǎng)的電纜、gis試驗(yàn)采用更大頻率范圍的30-300hz?，F(xiàn)場(chǎng)局放測(cè)量可以將產(chǎn)品出廠試驗(yàn)的數(shù)據(jù)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中。二、 產(chǎn)生高電壓電源的設(shè)備2.1直流電源2.1.1工頻高壓整流為獲得直流高電壓，通常采用工頻高電壓經(jīng)高壓硅堆整流而變換成直流高壓的方法，如圖2.1-1，圖中高壓變壓器輸出高壓經(jīng)過(guò)高壓負(fù)半波整流后得到高壓，該類(lèi)設(shè)備一般用于電壓較低的場(chǎng)合。 圖2.1-1 圖2.1-22.1.2串級(jí)直流高壓發(fā)生器利用倍壓整流電路

4、作為基本單元，多級(jí)串聯(lián)起來(lái)，即可組成一臺(tái)串級(jí)直流高壓發(fā)生器，如圖2.1-2，圖中輸入電源一般為中頻電源，經(jīng)變壓器隔離升壓，經(jīng)過(guò)倍壓回路產(chǎn)生直流高電壓。該設(shè)備有重量輕、可移動(dòng)性好、容量低等優(yōu)點(diǎn)。2.2交流電源2.2.1傳統(tǒng)的試驗(yàn)變壓器，可帶補(bǔ)償電抗器，工頻。 圖2.2-1 圖2.2-22.2.2可調(diào)電感式諧振系統(tǒng)，工頻。2.2.3調(diào)頻式諧振系統(tǒng)，固定電抗器，通過(guò)變頻電源將一可調(diào)頻率電壓加到試品上，改變頻率以大到諧振。2.2.4超低頻交流電源、振蕩電源、沖擊電源等，略三、 定義及基本原理1.1直流試驗(yàn)電壓值 是指它的算數(shù)平均值。1.2串聯(lián)諧振由電感（感性試品）與電容（容性試品）以及中壓電源串聯(lián)組成

5、。改變回路參數(shù)或電源頻率，回路即可調(diào)諧至諧振，同時(shí)將有一個(gè)幅值遠(yuǎn)大于電源電壓，且波形接近于正弦波的電壓加在試品上。諧振條件和試驗(yàn)電壓的穩(wěn)定性取決于電源頻率和試驗(yàn)回路特性的穩(wěn)定性。當(dāng)試品放電時(shí)，電源輸出的電流較小，從而限制了對(duì)試品絕緣的損壞。當(dāng)試品（如電容、電纜或氣體絕緣的試品）的外絕緣上泄漏電流同流過(guò)試品電容電流相比很小或者形成破壞性放電的能量很小時(shí)，串聯(lián)諧振回路特別有用。諧振原理：如圖：1.1-1圖中r等效為電抗器l的內(nèi)阻感抗：xl=2f l容抗：xc=1/2fc串聯(lián)回路總阻抗：z=r2+(xl -xc)2ur2+( xl xc)2uz串聯(lián)回路電 流：i= =電容上的電壓為：uc=ixc12

6、lc當(dāng)xl = 2f lxc=1/2fc時(shí)，回路阻抗有最小值：z=r有：2f l1/2fc f即串聯(lián)回路頻率特性滿(mǎn)足f1/2lc時(shí)，回路阻抗有最小值z(mì)=r，我們稱(chēng)此時(shí)為串聯(lián)諧振狀態(tài)。當(dāng)串聯(lián)回路處于諧振狀態(tài)時(shí)，電容上的電壓為：xcrxlru xcr2+( xlxc)2uc=ixc= =u = u =uq(電抗器品質(zhì)因素)由上式可以看出在電容上的電壓uc高于電源輸入電壓u的q倍，在工程應(yīng)用中，電抗器品質(zhì)因素（q）一般取幾十到幾百。當(dāng)串聯(lián)回路在諧振狀態(tài)時(shí)，z=r2+( xl -xc)2 =r 回路成阻性，電感上的電流il和電容上電流ic方向相反，大小相等，相互抵消?；芈分械囊曉诠β蕿椋簊= ui有功

7、功率為：p= i2r無(wú)功功率為：q= i2(xl xc)=0電感上和電容上的無(wú)功功率為： q l= q c = uc i= ul i在工程實(shí)際應(yīng)用中a.諧振回路的有功損耗還有電暈、電導(dǎo)損耗、頻率損耗等，故有功損耗將會(huì)大于i2r。b.諧振回路中的電阻是等效出來(lái)的，其實(shí)際是電抗器的內(nèi)阻rl和電容器的等效損耗電阻rc之和，所以工程中所測(cè)電壓和電流之積為電抗器或電容器上的視在功率。c.諧振回路中的電源提供容量（有功功率等于視在功率），為電抗器上所產(chǎn)生容量的1/q倍（q為諧振回路的品質(zhì)因素）。1.2并聯(lián)諧振由電感（感性試品）與電容（容性試品）以及中壓電源并聯(lián)組成。改變回路參數(shù)或電源頻率，回路即可調(diào)諧至諧

8、振，同時(shí)將有一個(gè)幅值遠(yuǎn)大于電源電流，且波形接近于正弦波的電壓加在試品上。諧振條件和試驗(yàn)電壓的穩(wěn)定性取決于電源頻率和試驗(yàn)回路特性的穩(wěn)定性。當(dāng)試品放電時(shí)，電源輸出的電流較小，從而限制了對(duì)試品絕緣的損壞。1.3諧振電抗器用于同試品電容進(jìn)行諧振，以獲得高電壓或大電流的電抗器。1.4電容分壓器采用電容元件，由高壓臂和低壓臂組成的轉(zhuǎn)換裝置。輸入電壓加到整個(gè)裝置上，而輸出電壓則取自低壓臂。通常低壓臂輸出電壓恒定為100vac。1.5勵(lì)磁變壓器 用于給諧振電抗器、試品提供能量的變壓器。1.6變頻電源可連續(xù)調(diào)整輸出頻率和電壓的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備。1.7峰值表能夠測(cè)量交直流電壓的各種參數(shù)的儀表。峰值表常與分壓器組合，測(cè)

9、量高電壓的1.8高壓電流流過(guò)諧振電抗器、試品的電流，等于諧振回路電流。1.9勵(lì)磁電壓勵(lì)磁變壓器的輸入電壓。1.10勵(lì)磁電流勵(lì)磁變壓器的輸入電流。1.11電壓比（占空比）在變頻電源的逆變電路中，逆變電路為開(kāi)關(guān)電路，電壓的調(diào)節(jié)是以開(kāi)關(guān)開(kāi)通的時(shí)間來(lái)控制的。電壓比指的是開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間之比。在串聯(lián)諧振回路，電壓比是相對(duì)量，相對(duì)控制變頻電源輸出電壓或容量。1.12 品質(zhì)因素（q值）試品所獲得的容量與勵(lì)磁變壓器輸出容量之比。在串聯(lián)諧振回路，可用試品的電壓值與勵(lì)磁變壓器的輸出電壓之比或串聯(lián)諧振回路的無(wú)功與有功之比代替。品質(zhì)因素主要取決于諧振電抗器的品質(zhì)因素，約等于諧振電抗器的感抗與直流電阻之比。1.1

10、3試驗(yàn)電壓值試驗(yàn)電壓值指其峰值除以21.14容許偏差在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)電壓的測(cè)量值應(yīng)保持在規(guī)定電壓值的1以?xún)?nèi)；當(dāng)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間超過(guò)60s時(shí)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)電壓測(cè)量值可保持在規(guī)定電壓值的3以?xún)?nèi)。四、 各類(lèi)變頻電源及原理變頻電源通常是交直交電路，即交流電源經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體整流后變換成直流，然后再通過(guò)半導(dǎo)體逆變電路變換成交流，通過(guò)控制逆變電路可以改變逆變輸出的頻率和電壓。在交流電源變換成直流電時(shí)，通常采用全橋（可控）整流，通過(guò)電容組慮波。直流變換交流有多種控制方式和多種逆變功率器件，但逆變電路相同，如圖4-14.1推挽式變頻電源（低干擾）早期的大功率逆變電路采用幾百個(gè)或更多功率放大晶體管串并聯(lián)組成，

11、通過(guò)控制放大晶體管的基極時(shí)間和電流控制輸出電壓、電流和頻率。由于該類(lèi)逆變采用較多晶體管串并聯(lián)，故電路的可靠性降低，在實(shí)際應(yīng)用中，晶體管損壞較多。但該變頻電源由于采用推挽方式，可用在低干擾要求的場(chǎng)合，如局放測(cè)量等。4.2低干擾變頻電源 隨著大功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用有上述原理可知，變頻電源的輸出的波形并不是正弦波，其基波是方波，那么試驗(yàn)電壓波形是如何滿(mǎn)足1失真度的要求呢。我們從高壓諧振回路來(lái)分析，當(dāng)串聯(lián)諧振回路產(chǎn)生諧振時(shí)，其激勵(lì)頻率只有一個(gè)，即為變頻電源的基波頻率，且該頻率的電壓被放大q倍，而非諧振頻率則被衰減q倍變頻串聯(lián)諧振原理五、 電力系統(tǒng)試驗(yàn)簡(jiǎn)介現(xiàn)給出人身與帶電體的最小安全距離，以供試驗(yàn)時(shí)參考

12、。試驗(yàn)時(shí)帶電體與試驗(yàn)人員的距離不得小于規(guī)定距離。帶電體電壓（kv）10及以下3560110154220330500最小安全距離（m）0.40.60.71.01.41.82.63.6vfsr系列變頻串聯(lián)諧振成套試驗(yàn)裝置一、 產(chǎn)品簡(jiǎn)介圖、變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)成套裝置原理圖vf: 變頻電源 t: 勵(lì)磁變壓器l: 試驗(yàn)電抗器 cx: 試品 c1、c2: 分壓器 其中c1為分壓器高壓臂、c2為分壓器低壓臂 moa1： 避雷器主交流電送入變頻電源，經(jīng)整流轉(zhuǎn)換為幅值恒定的直流電壓,直流電壓經(jīng)變頻電源逆變器調(diào)制變?yōu)轭l率脈寬 (或稱(chēng)占空比)可調(diào)的方波，整個(gè)控制過(guò)程由計(jì)算機(jī)完成。方波電壓經(jīng)濾波環(huán)節(jié)等處理后由變頻電源的

13、變頻輸出口輸出，輸出電壓經(jīng)電纜送勵(lì)磁變壓器t的低壓側(cè)，經(jīng)勵(lì)磁變壓器t升壓后送由高壓電抗器l、負(fù)載cx和分壓器（c1、c2）構(gòu)成的串聯(lián)諧振回路，諧振頻率由電抗器電感及負(fù)載cx和分壓器的電容共同決定。通過(guò)調(diào)節(jié)變頻電源輸出頻率使串聯(lián)諧振回路發(fā)生串聯(lián)諧振，在回路諧振的條件下再調(diào)節(jié)變頻電源輸出電壓使試品電壓到達(dá)試驗(yàn)值。由于回路的諧振，變頻電源較小的輸出電壓就可在試品cx上產(chǎn)生較高的試驗(yàn)電壓。1.1變頻電源1.1.1原理介紹變頻電源是由變頻控制器和濾波器組成。在系統(tǒng)中變頻電源的主要作用是把幅值和頻率固定的工頻380v的正弦交流電轉(zhuǎn)變成為幅值和頻率可調(diào)的單方波，并為整套設(shè)備提供能量。變頻電源具有過(guò)流、過(guò)壓保

14、護(hù)，過(guò)壓保護(hù)可整定。當(dāng)試驗(yàn)電壓超過(guò)整定值時(shí)，控制臺(tái)自動(dòng)跳閘。試驗(yàn)人員可直接從變頻電源控制面板上讀取直流電壓、電流、當(dāng)前工作頻率、變頻電源輸出電壓及試品上所加諧振電壓等信號(hào)。其原理框圖見(jiàn)圖五。變頻電源原理圖三相系統(tǒng)電源經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)k1輸入，當(dāng)合閘按鈕按下時(shí)，接觸器k2閉合，三相系統(tǒng)電源經(jīng)三相整流橋整流輸出直流電壓，經(jīng)r0 限流給c0 充電，四十秒鐘后另一接觸器k3 閉合，主回路電路接通，這時(shí)如果面板操作（或計(jì)算機(jī)）調(diào)整輸出電壓u1 ，則cpu計(jì)算出序列單方波波形，驅(qū)動(dòng)四個(gè)igbt對(duì)角導(dǎo)通，則在勵(lì)磁變付邊感應(yīng)勵(lì)磁電壓，激勵(lì)電抗器l與試品電容c構(gòu)成為串聯(lián)回路，調(diào)整頻率輸出時(shí)，cpu重新計(jì)算出對(duì)應(yīng)的方波

15、波形，改變勵(lì)磁變b輸出電壓的頻率，當(dāng)輸出頻率接近于電抗器l與電容cx的諧振頻率時(shí)，則試品上得到比勵(lì)磁輸出電壓高q倍的電壓。（q為l、c諧振回路的品質(zhì)因數(shù)）。變頻電源集電源、保護(hù)、測(cè)量于一體。具有igbt保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、放電保護(hù)、進(jìn)線保護(hù)等可靠的保護(hù)功能，保證試驗(yàn)人員和試品的安全。測(cè)量部分：試驗(yàn)人員可直接從變頻電源控制面板上讀取輸入電壓、電流、當(dāng)前工作頻率、變頻電源輸出電壓、電流及試品上所加諧振電壓等信號(hào)。1.1.2使用注意事項(xiàng)a.變頻電源輸出不可一端接地，且此時(shí)接地，變頻電源無(wú)保護(hù)，易導(dǎo)致變頻電源致命損壞。b.變頻電源外殼在試驗(yàn)時(shí)需可靠接地。c.變頻電源在使用時(shí)應(yīng)注意防水和灰塵侵入，

16、顯示屏應(yīng)避免受太陽(yáng)直射d.變頻電源使用時(shí)應(yīng)在通風(fēng)的環(huán)境下，在滿(mǎn)功率使用規(guī)定時(shí)間后，應(yīng)注意散熱。1.2勵(lì)磁變壓器勵(lì)磁變壓器的作用是將變頻電源的輸出電壓升到合適的試驗(yàn)電壓，滿(mǎn)足電抗器、負(fù)載在一定品質(zhì)因數(shù)下的電壓要求（勵(lì)磁變壓器的容量一般與變頻電源相同）。勵(lì)磁變壓器設(shè)計(jì)滿(mǎn)足zbk41006-89及gb1094.1 - gb1094.6-96標(biāo)準(zhǔn)，高低壓繞組之間設(shè)靜電屏蔽層，頻率滿(mǎn)足30300hz要求。有14個(gè)繞組，滿(mǎn)足不同電壓等級(jí)、不同容量的試驗(yàn)要求,通常勵(lì)磁變繞組個(gè)數(shù)與電抗器個(gè)數(shù)相同，在使用時(shí)則根據(jù)電抗器使用情況而定，電抗器串聯(lián)則勵(lì)磁變繞組也串聯(lián)，電抗器并聯(lián)則勵(lì)磁變繞組也并聯(lián)。如圖1.2-1所示：

17、一臺(tái)ydc-50/3，6 的勵(lì)磁變壓器，輸入為a、x，400v，輸出為a1、x1，a2、x2，每個(gè)繞組額定電壓為3000v，額定電流為8.3a，當(dāng)a1和a2短接，x1和x2短接，處于繞組并聯(lián)，則高壓側(cè)輸出電壓為3kv,輸出電流為 圖1.2-116.6a；當(dāng)x1和a2短接，處于繞組串聯(lián)，則高壓側(cè)輸出電壓為6kv,輸出電流為8.3a。 使用注意事項(xiàng)： 由圖可以看出，勵(lì)磁變壓器靜電屏在出廠前已與x2（xn n最大端子）連接，故在接線時(shí)應(yīng)把x2（xn n最大端子）接地，否則會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁變損壞。1.3試驗(yàn)電抗器繞制注意事項(xiàng)：渦流等電抗器的接線較為簡(jiǎn)單，可根據(jù)情況進(jìn)行串、并聯(lián)，以滿(mǎn)足電壓和電流的需要。如下圖

18、所示： 電抗器的串、并聯(lián)接線示意圖1.4電容分壓器高壓分壓器是高電壓測(cè)試器件，它由高壓臂c1和低壓臂c2組成，c1和c2采用同種材料制成，受溫度影響較小，測(cè)量信號(hào)從低壓臂c2上引出，作為高電壓測(cè)量和保護(hù)信號(hào)。如果不考慮寄生電感的影響，分壓比n實(shí)際上與頻率無(wú)關(guān)。n（分壓器的高壓臂一般由單節(jié)或多節(jié)組成，可以適用于不同電壓等級(jí)。分壓器的低壓臂如需要監(jiān)測(cè)波形，則有兩個(gè)輸出孔，一只用于信號(hào)的測(cè)量，另一個(gè)用于諧振電壓波形的檢測(cè)。1.5諧振電容器諧振電容器的配置是為了在進(jìn)行容量較小的試品試驗(yàn)時(shí)，把頻率控制在一定的范圍內(nèi)，如工頻范圍。1.6避雷器是為了防止由于試品擊穿或電源突然掉電時(shí)，電抗器低壓端電位抬高對(duì)勵(lì)磁變壓器和電抗器的沖擊而采用避雷器保護(hù)。二、 技術(shù)指標(biāo) 系統(tǒng)工作溫度范圍：-1045