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高压试验设备变频串联谐振介绍
2021-10-07


变频串联谐振装置主要针对交联电缆、水力发电机、主变、母线、GIS 等的 交流耐压试验,具有较宽的适用范围,是地、市、县级高压试验部门 及电力安装、修试工程单位理想的耐压设备。该装置主要由变频控制电源、激励变压器、电抗器、电容分压器、 补偿电容器(选配)组成。


变频串联谐振装置


变频串联谐振仪器优点:


1、所需电源容量大大减小。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,在整个系统中,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。


2、设备的重量和体积大大减少。串联谐振电源中,不但省去了 笨重的大功率调压装置和普通的大功率工频试验变压器,而且,谐振 励磁电源只需试验容量的 1/Q,使得系统重量和体积大大减少,一般 为普通试验装置的 1/10-1/30。


3、改善输出电压的波形。谐振电源是谐振式滤波电路,能改善 输出电压的波形畸变,获得很好的正弦波形,有效的防止了谐波峰值 对试品的误击穿。


4、防止大的短路电流烧伤故障点。在串联谐振状态,当试品的 绝缘弱点被击穿时,电路立即脱谐,回路电流迅速下降为正常试验电 流的 1/Q。而并联谐振或者试验变压器方式做耐压试验时,击穿电流 立即上升几十倍,两者相比,短路电流与击穿电流相差数百倍。所以串联谐振能有效的找到绝缘弱点,又不存在大的短路电流烧伤故障点 的隐患。


5、不会出现任何恢复过电压。试品发生击穿时,因失去谐振条 件,高电压也立即消失,电弧即刻熄灭,且恢复电压的再建立过程很 长,很容易在再次达到闪络电压前断开电源,这种电压的恢复过程是 一种能量积累的间歇振荡过程,其过程长,而且,不会出现任何恢复 过电压。


串联谐振的产生原理:


谐振是由 R、L、C 元件组成的电路在一定条件下发生的一种特殊 现象。首先,我们来分析 R、L、C 串联电路发生谐振的条件和谐振时 电路的特性。图 1 所示 R、L、C 串联电路,在正弦电压 U 作用下,其 复阻抗:Z = R + j ωL − 1 ωC = R + j XL − XC = R + jX 式中电抗 X=XL—Xc 是角频率ω的函数,X 随ω变化的情况如图 2 所示。当ω从零开始向∞变化时,X 从﹣∞向﹢∞变化,在ω<ω0 时、X<0,电路为容性;在ω>ω0时,X>0,电路为感性;在ω= ω0时 图 1 图 2 Χ(ω0) = ω0L − 1 ω0C = 0 (式 1) 8 此时电路阻抗 Z(ω0)=R 为纯电阻。电压和电流同相,我们将电 路此时的工作状态称为谐振。由于这种谐振发生在 R、L、C 串联电路 中,所以又称为串联谐振。式 1 就是串联电路发生谐振的条件。由此 式可求得谐振角频率ω0如下:ω0 = 1 LC 谐振频率为 f0 = 1 2π LC 由此可知,串联电路的谐振频率是由电路自身参数 L、C 决定 的.与外部条件无关,故又称电路的固有频率。当电源频率一定时, 可以调节电路参数 L 或 C,使电路固有频率与电源频率一致而发生谐 振;在电路参数一定时,可以改变电源频率使之与电路固有频率一致 而发生谐振。


串联谐振的品质因数:


串联电路谐振时,其电抗 X(ω0)=0,所以电路的复阻抗 Z ω0 = R 呈现为一个纯电阻,而且阻抗为最小值。谐振时,虽然电抗 X= XL—Xc=0,但感抗与容抗均不为零,只是二者相等。我们称谐振时的 感抗或容抗为串联谐振电路的特性阻抗,记为ρ,即 ρ = ω0L = 1 ω0C = 1 LC ∙ L = L C ρ的单位为欧姆,它是一个由电路参数 L、C 决定的量,与频率 无关。工程上常用特性阻抗与 9 并称此比值为串联电路的品质因数,用 Q 表示,即 Q = ρ R = ω0L R = 1 ω0CR = 1 R L C 品质因数又称共振系数,有时简称为 Q 值。它是由电路参数 R、 L、C 共同决定的一个无量纲的量。


串联谐振时的电压关系:


谐振时各元件的电压分别为 URO = RI O = US ULO = jω0LIO = jω0L U s R = jQUs UCO = j 1 ω0C o =− j 1 ω0C US R =− jQUS 即谐振时电感电压和电容电压有效值相等,均为外施电压的 Q 倍,但电感电压超前外施电压 90°;,电容电压滞后外施电压 90°;, 总的电抗电压为 0。在电路 Q 值较高时,电感电压和电容电压的数值 都将远大于外施电压的值,所以串联谐振又称电压谐振。常见的试品如变压器、GIS 系统、SF6 断路器、电流互感器、电 力电缆、套管等均为容性,系统配备的电抗器为感性,试验时先通过 调节变频电源的输出频率使回路发生串联谐振,再在回路谐振的条件 下调节变频电源输出电压使试品电压达到试验值。由于回路的谐振, 变频电源较小的输出电压就可在试品上产生较高的试验电压。在实际现场应用中试品上的高压电压和低压电压遵循以下公式:U 试 = QU 激 其中:U 试为高压谐振试验电压,Q 为系统串联谐振的品质因数, U 激为激励变压器输出电压。10 例如:假设系统串联谐振的品质因数 Q 为 30,激励变压器选择 16kV 的抽头,激励变压器额定输入电压为 400V,如果激励变压器输 入电压为 100V 时,高压电压计算步骤如下:①计算激励变压器变比 激励变压器变比 N=激励变压器所选抽头电压/输入额定电压 即:N=16kV/400V=16000/400=40 ②计算激励变压器输出电压 激励变压器输出电压=激励变压器输入电压*激励变压器变比 即:U 激=100V*40=4kV ③计算高压谐振试验电压 高压谐振试验电压=激励变压器输出电压*系统品质因数 即:U 试=4kV*30=120kV 故系统最终的高压谐振试验电压为 120kV。


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