電壓互感器試驗原理

第一篇串聯(lián)諧振原理本篇將和大家討論串聯(lián)諧振電源產(chǎn)生的原理，并分析串聯(lián)諧振現(xiàn)象的一些特征，探索串聯(lián)諧振現(xiàn)象的一些基本規(guī)律，以便在應(yīng)用中能更自如的使用串聯(lián)諧振電源產(chǎn)品和分析在試驗過程中發(fā)生的一些現(xiàn)象。一、串聯(lián)諧振的產(chǎn)生：諧振是由R、L、C元件組成的電路在一定條件下發(fā)生的一種特殊現(xiàn)象。首先，我們來分析R、L、C串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件和諧振時電路的特性。圖1所示R、L、C串聯(lián)電路，在正弦電壓U作用下，其復(fù)阻抗為：z=尺十一舟)=尺+J(XL—xc)=R計jX式中電抗X=XI—Xc是角頻率3的函數(shù)，X隨3變化的情況如圖2所示。當(dāng)3從零開始向8變化時，X從-8向+8變化，在3<3o時、XVO,電路為容性;在3>30時，X>0,電路為感性；在3=30時圖1 圖2此時電路阻抗Z(3o)=R為純電阻。電壓和電流同相，我們將電路此時的工作狀態(tài)稱為諧振。由于這種諧振發(fā)生在R、L、C串聯(lián)電路中，所以又稱為串聯(lián)諧振。式1就是串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件。由此式可求得諧振角頻率30如下:

諧振頻率為2?r/IC由此可知，串聯(lián)電路的諧振頻率是由電路自身參數(shù)L、C決定的?與外部條件無關(guān)，故又稱電路的固有頻率。當(dāng)電源頻率一定時，可以調(diào)節(jié)電路參數(shù)L或C,使電路固有頻率與電源頻率一致而發(fā)生諧振；在電路參數(shù)一定時，可以改變電源頻率使之與電路固有頻率一致而發(fā)生諧振。二、串聯(lián)諧振的品質(zhì)因數(shù)：串聯(lián)電路諧振時，其電抗X(3o)=0,所以電路的復(fù)阻抗Z(wti)=R呈現(xiàn)為一個純電阻，而且阻抗為最小值。諧振時，雖然電抗X=XL—Xc=0,但感抗與容抗均不為零，只是二者相等。我們稱諧振時的感抗或容抗為串聯(lián)諧振電路的特性阻抗，)記為p,即)(因為P的單位為歐姆，它是一個由電路參數(shù)L、C決定的量，與頻率無關(guān)。工程上常用特性阻抗與電阻的比值來表征諧振電路的性能，并稱此比值為串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)，用Q表示，即記住：記?。浩焚|(zhì)因數(shù)又稱共振系數(shù)，有時簡稱為Q值。它是由電路參數(shù)R、L、C共同決定的一個無量綱的量。三、串聯(lián)諧振時的電壓關(guān)系諧振時各元件的電壓分別為5=—j忐人=—j層乍=_理4即諧振時電感電壓和電容電壓有效值相等，均為外施電壓的Q倍，但電感電壓超前外施電壓900，電容電壓落后外施電壓900，總的電抗電壓為0。而電阻電壓和外施電壓相等且同相，外施電壓全部加在電阻R上，電阻上的電壓達到了最大值。在電路Q值較高時，電感電壓和電容電壓的數(shù)值都將遠大于外施電壓的值,所以串聯(lián)諧振又稱電壓諧振。四、串聯(lián)諧振時的能量關(guān)系：現(xiàn)在分析諧振時的能量關(guān)系。設(shè)諧振時電路電流為mCOS*J0Z則電容電壓為電路中的電磁場總能量為7jJ=wc+w;,= —-^-CL7'nisinz<w(jf+Ll^cas2^!由于諧振時有所以W**'(X%產(chǎn)+A/n這表明，串聯(lián)諧振時，電路中電場能量最大恒等于磁場能量的最大值、而電感和電容中儲存的電磁能量總和是不隨時間變化的常量，且等于電場或磁場能量的最大值。圖3的曲線反映了諧振時電、磁場能量的關(guān)系。當(dāng)電場能量增加某一數(shù)值時，磁場能量必減小同一數(shù)值，反之亦然。這意味著在電容和電感之間，

存在著電場能量和磁場能經(jīng)相互轉(zhuǎn)換的周期性振蕩過程。電磁場能量的交換只在電感和電容元件之間進行．和電路外部沒有電磁能量的交換。電源只向電阻提供能量，故電路呈純阻性。圖3因為所以這就是說，在外加電壓一定時，電磁場總能量與Q2成正比，因此可用提高或降低Q值的辦法來增強或削弱電路振蕩程度。由于可知Q值的物理意義：即Q等于諧振時電路中儲存的電磁場總能量與電路消耗的平均功率之比乘以3o,或Q等于諧振時電路中儲存的電磁場總能量與電路在一個周期中所消耗的能量之比乘以2n。電阻R越小，電路消耗的能量（或功率）越小，Q值越大，振蕩越激烈。五、串聯(lián)諧振的諧振曲線電路中的阻抗（導(dǎo)納）是隨頻率的變化而變化的。在輸入信號的有效值保持不變情況下，電路的電壓、電流的大小也會隨頻率的變化而變化。阻抗（導(dǎo)納）、電流或電壓與頻率之間的關(guān)系稱為它們的頻率特性。在串聯(lián)諧振電路中．描繪電流、電壓與頻率關(guān)系的曲線稱諧振曲線。先來看復(fù)阻抗的頻率特性：Z=R~tjWL—^0=2?十j（XL一Xc）=R+jX復(fù)阻抗Z的頻率特性為電路中電流為i=E=久—"R+W—舟》即

Z（3）特性曲線電流的諧振曲線Z（3）特性曲線電流的諧振曲線圖4（0電流的相頻特性曲線從圖4各曲線可以看出，在3=3o處，X=0,此時電路阻抗最小，為Z=R；電流最大，為lo=UJR,電流與電壓同相位；電路處于諧振狀態(tài)。3工3o時，Z>R,iVlo,eHO,電路處于失諧狀態(tài)。3偏離3o越遠，Z越大，I越小，e越大，失諧越嚴(yán)重。其中，當(dāng)3<3o時，電路呈電容性，稱為容性失諧；當(dāng)3>3o時，電路呈電感性，稱為感性失諧。從電流諧振曲線可以看出，在諧振頻率及其附近，電路具有較大的電流，而當(dāng)外施信號頻率偏離諧振頻率越遠，電流就越小。換言之，串聯(lián)諧振電路具有選擇最接近于諧振頻率附近的信號同時抑制其它信號的能力，我們把電路所具有的這種性能稱為電路的選擇性。初步的觀察可以看出，選擇性的好壞與電流諧振曲線在諧振頻率附近的尖銳程度有關(guān)，曲線越尖銳、陡峭，選樣性越好。進一步的研究表明，電流諧振曲線的形狀與電路品質(zhì)因數(shù)Q值直接相關(guān)。因為以1/1。為縱坐標(biāo)，3/3。叫為橫坐標(biāo).Q為參變量，可以畫出如圖5所示的電流諧振曲線。從圖中可以清楚地看出.Q值越高，曲線越尖銳，當(dāng)3/

3。稍偏離1（即3稍偏離3。）時，1/1。就急劇地下降，表明電路對非諧振頻率的信號具有較強的抑制能力，電路的選擇性就越好。而Q值越低，在諧振頻率附近，電流變化不大，曲線頂部越平緩。選擇性就越差。由于Q值相同的任何R、L、C串聯(lián)電路只有一條這樣的曲線與之對應(yīng)，故稱這種曲線為通用諧振曲線。圖5通用諧振曲線六、串聯(lián)諧振的幅頻特性R、L、C串聯(lián)諧振電路中，電路中各元件電壓的幅頻特性為

5也“ Ct*圖6電壓的諧振曲線由電壓的諧振曲線可以看出，試品上出現(xiàn)電壓最高時并非系統(tǒng)處于完全諧振時，而是處于容性失諧狀態(tài)，此時電抗器上承受的電壓低于試品兩端的電壓，有利于設(shè)備的安全，因此,我們建議串聯(lián)諧振電源系統(tǒng)工作在這種狀態(tài)下。第二篇串聯(lián)諧振升壓裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用本篇將分析諧振產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的一些優(yōu)點，并提供電力系統(tǒng)一些主要產(chǎn)品的諧振試驗方法和要點，為諧振產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中更好的應(yīng)用提供一些技術(shù)思想和數(shù)據(jù)。在最后，列舉了兩個常用的選型方案，一方面可以幫助大家分析怎么樣對自己將要做試驗的對象進行設(shè)備選型，另一方面可以幫助大家分析怎么樣使用諧振試驗方法有效的對自己將要做試驗的對象進行試驗。一、串聯(lián)諧振電源在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)點：1、所需電源容量大大減小。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，在整個系統(tǒng)中電源只需要提供系統(tǒng)中有功消耗的部分，因此，試驗所需的電源功率只有試驗容量的1/Q。2、設(shè)備的重量和體積大大減少。串聯(lián)諧振電源中，不但省去了笨重的大功率調(diào)壓裝置和普通的大功率工頻試驗變壓器，而且，諧振激磁電源只需試驗容量的1/Q,使得系統(tǒng)重量和體積大大減少，一般為普通試驗裝置的1/3-1/5。3、 改善輸出電壓的波形。諧振電源是諧振式濾波電路，能改善輸出電壓的波形畸變，獲得很好的正弦波形，有效的防止了諧波峰值對試品的誤擊穿。4、 防止大的短路電流燒傷故障點。在串聯(lián)諧振狀態(tài)，當(dāng)試品的絕緣弱點被擊穿時，電路立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗電流的1/Q。而并聯(lián)諧振或者試驗變壓器方式做耐壓試驗時，擊穿電流立即上升幾十倍，兩者相比，短路電流與擊穿電流相差數(shù)百倍。所以，串聯(lián)諧振能有效的找到絕緣弱點，又不存在大的短路電流燒傷故障點的憂患。5、 不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓。試品發(fā)生擊穿時，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧即刻熄滅，且恢復(fù)電壓的再建立過程很長，很容易在再次達到閃落電壓前斷開電源，這種電壓的恢復(fù)過程是一種能量積累的間歇振蕩過程，其過程長，而且，不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓。二、諧振電源產(chǎn)品使用中的注意事項1、 諧振電源產(chǎn)品大多都是高壓試驗設(shè)備，要求由高壓試驗專業(yè)人員使用，使用前應(yīng)仔細閱讀使用說明書，并經(jīng)反復(fù)操作訓(xùn)練。2、 操作人員應(yīng)不少于2人。使用時應(yīng)嚴(yán)格遵守本單位有關(guān)高壓試驗的安全作業(yè)規(guī)程。3、 為了保證試驗的安全正確，除必須熟悉本產(chǎn)品說明書外，還必須嚴(yán)格按國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進行試驗操作。4、各聯(lián)接線不能接錯，特別是接地線不能接錯。否則可導(dǎo)致試驗裝置損壞。5、本裝置使用時，輸出的是高電壓或超高電壓，必須可靠接地，注意操作安全距離。6、串聯(lián)諧振試驗系統(tǒng)是利用諧振電抗器與被試品諧振產(chǎn)生高電壓的，也就是說，能不能產(chǎn)生高電壓主要是看試品與諧振電抗器是否諧振，所以，試驗人員在分析現(xiàn)場不能夠產(chǎn)生所需高電壓時，應(yīng)該分析什么破壞了諧振條件，回路是否接通等。7、串聯(lián)諧振試驗系統(tǒng)的激磁變壓器有特定的電壓和電流要求，在選用代替品時，一定要考慮電壓和電流，不能采用只是容量相同的普通的試驗變壓器。三、不同工頻諧振產(chǎn)品對比分析諧振升壓方法是目前對于電力系統(tǒng)大電容性試品比較適用的方法，分為工頻試驗和變頻試驗。諧振升壓方法有工頻諧振升壓法和變頻諧振升壓法，工頻諧振主要用于發(fā)電機、CVT，變頻諧振主要用于交聯(lián)電纜。工頻諧振升壓系統(tǒng)是在工頻條件下使得電感和被試品電容諧振，產(chǎn)生的是工頻高壓，因此，它適合幾乎所有的交流試驗場合。工頻諧振升壓系統(tǒng)一般采用調(diào)節(jié)電感的感抗的方式在激勵源的作用下使得電抗器和被試品電容諧振，通常稱為調(diào)感式；也可以采用在被試品兩端并聯(lián)電容器的方式改變被試系統(tǒng)的電容量使得在激勵源的作用下與電抗器諧振，通常稱為調(diào)頻式，還可以同時改變電抗器的感抗和被試系統(tǒng)的電容量使得系統(tǒng)達到諧振狀態(tài)，通常稱為調(diào)感調(diào)容式。調(diào)感式通常采用調(diào)節(jié)鐵心電抗器的氣隙的方式，可以連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)感抗值，操作比較方便；而調(diào)容式不但需要笨重的電容，而且電容不能連續(xù)的調(diào)節(jié)，所以不太適合現(xiàn)場操作。電力系統(tǒng)中，有的類型的試品的的電容量是幾個固定的量，比如說CVT，它只有幾個固定的電容值，有的試品是根據(jù)試品的容量和電壓等級及其他特征而變化的，比如說發(fā)電機，變壓器，電纜等。1、調(diào)頻調(diào)感諧振與工頻諧振、變頻諧振的比較調(diào)感型調(diào)容型調(diào)感調(diào)容型調(diào)諧原理采用調(diào)整電抗器電感的方式使得電抗器感抗與被試容性試品容抗相匹配，達到諧振狀態(tài)。采用調(diào)整系統(tǒng)工作頻率的方式使得電抗器感抗與被試容性試品容抗相匹配，達到諧振狀態(tài)。既可以米用調(diào)整電抗器電感的方式使得電抗器感抗與被試容性試品容抗相匹配，達到諧振狀態(tài)，也可以采用調(diào)整系統(tǒng)工作頻率的方式使得電抗器感抗與被試容性試品容抗相

匹配，達到諧振狀態(tài)，還可以同時米用上述兩種方法。調(diào)諧方法一般采用調(diào)節(jié)鐵心電抗的氣隙。分自動型和手動型：自動型可以根據(jù)系統(tǒng)的功率因數(shù)自動的調(diào)整電抗器感抗，使得系統(tǒng)達到諧振；手動型則是先施加一定的電壓給試品，記下電流值，然后施加相同電壓給電抗器，調(diào)節(jié)電抗器氣隙，使得電流值與前者相同。一般采用調(diào)節(jié)激勵源的頻率。分自動型和手動型：自動型可以根據(jù)系統(tǒng)的功率因數(shù)自動的調(diào)整激勵源頻率，使得系統(tǒng)達到諧振；手動型則是手動的改變系統(tǒng)的頻率，找出相同激勵電壓卜系統(tǒng)輸出高壓最大值的激勵頻率，即為諧振頻率。一般采用調(diào)節(jié)鐵心電抗的氣隙和（或）調(diào)節(jié)激勵源的頻率的方法。單獨需要調(diào)頻時，與調(diào)頻型相同，只要是要用到調(diào)感時，先接好線，控制源可以自動的計算出試品的電容量，同時也自動的計算出在所需頻率下需要的電抗器感抗值和需要調(diào)節(jié)的氣隙值，斷電后調(diào)整電抗器氣隙到所需要的值即可。輸出電壓頻率由激勵電源決定。其頻率與激勵電源的頻率一致，激勵電源的頻率為固定頻率，一般為工頻，輸出高壓也為工頻由試品電容量決定。激勵電源的頻率根據(jù)試品電容量的不同而變化，所以輸出高壓的頻率也隨之變化，同時，頻率又得滿足一定的范圍，一般為30?300Hz由操作人員決定。當(dāng)需要什么頻率做試驗時，就將激勵源的頻率調(diào)整到需要的頻率，然后根據(jù)被試品的電容量調(diào)節(jié)電抗器的感抗，使系統(tǒng)諧振，產(chǎn)生咼壓。適用場合一般為需要做工頻試驗的場合。例如發(fā)電機、主變壓器等一般為可以采用變頻方式做試驗的場合。例如電纜、GIS等電力系統(tǒng)所有容性試品。既可以是需要做工頻試驗的場合，也可以是能采用變頻方式做試驗的場合被試電容量范圍由電抗器的電抗值調(diào)節(jié)范圍決定。由激勵源的頻率調(diào)節(jié)范圍和當(dāng)?shù)貑为毭子谜{(diào)感或者調(diào)感方式時，與調(diào)感型或者

電抗器的電抗值有效調(diào)節(jié)范圍一般為15倍，所以，被試品電容量的變化范圍也一般為15倍。規(guī)程決定。被試品電容量的變化