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串联谐振电路研究问题
2021-03-16

 在具有电阻、 电感和电容元件的电路中,电路两端的电压与电路中的电流一般是不同相的,如果我们调节电路中电感和电容元件的参数或改变电源的频率就能够使得电路中的电流和电压出现了同相的情况,电路的这种情况即电路的这种状态称为谐振,R、L、C串联谐振又称为电压谐振。   

 即电源电压u与电路中电流i同相,由于是在串联电路中出现的谐振故称为串联谐振。    

  谐振时的角频率用w0表示为

  谐振时的周期用T0表示为 

  R L C串联电压谐振特征 

  (1) 电路的阻抗

  电路对电源呈现电阻性,其值很小,电源供给电路的能量全被电阻所消耗,电源与电路之间不发生能量互换,能量互换只能发生在电感线圈L与电容器C之间。

  当电源电压U不变的情况下,见图7-2所示,电路的电流将在谐振时达到最大值,电流的大小决定于电阻的大小,电阻R越小,电流就越大,当电阻R趋近于零时,则电流趋向无穷大,当电阻R越大时则电流就越小。

  实验原理: 

  电路处于谐振状态时的特性

2)回路电流I0的数值最大,I0=US/R,

4)电感上的电压UL与电容上的电压UC数值相等,相位相差180°,UL=UC=QUS。

  电路中电压与电流随频率变化的特性称频率特性,它们随频率变化的曲线称频率特性曲线,也称谐振曲线。


  改变电源频率f,可得到响应电压随电源频率f变化的谐振曲线,回路电流与电阻电压成正比,从图中可以看到,U0的最大值在谐振频率f0处,而后改变输出电压,使其达到最大值的 2/2处,测得fL和fH求出通频带宽。

  RLC串联谐振电路在发生谐振时,电感上的电压UL与电容上的电压UC大小相等,相位相反,幅频特性曲线和相频特性曲线也显示了谐振点的频率与理论计算值一致,大大加深了对谐振电路的理解,具有直观性这时电路处于纯电阻状态, 且阻抗最小, 激励电源的电压与回路的响应电压同相位,谐振频率f0与回路中的电感L和电容C有关, 与电阻R和激励电源无关,品质因数Q值反映了曲线的尖锐程度,电阻R的阻值直接影响。

  电力电缆采用变频谐振耐压试验的背景与优势分析

  为了保证线路安全运行,电力电缆投入运行前必须进行交接验收试验,以避免机械损伤、安装工艺缺陷等问题引起运行故障损失 ;在电力电缆运行期间,也要定期进行预防性试验,以便及时发现故障隐患和潜伏性缺陷,在这些试验中,按照被试绝缘的危险程度分为非破坏性试验和破坏性试验两大类,前者因为施加的电压低于额定电压,不会损伤电缆的绝缘性能而被称为非破坏性试验,主要试验项目包括绝缘电阻测量、泄漏电流测量、介质损耗因数测量等 ;后者要在高于工作电压条件下进行试验,可能引起绝缘损伤和破坏,故称之为破坏性试验,主要试验项目是直流耐压试验和交流耐压试验,虽然非破坏性试验能发现许多绝缘缺陷,但因为试验电压较低,某些局部缺陷还是不能够被检出,所以必须通过破坏性试验来进一步暴露这些缺陷,直流耐压试验设备体积小、重量轻、操作简单、便于现场实施,同时早期的油浸纸绝缘电力电缆的绝缘结构为油和纸的组合,采用直流耐压试验不会因累积电荷而造成绝缘损伤,所以曾经很长一段时间作为现场的主要试验项目,但是直流耐压试验不合适用于 XLPE 电缆,因为它的绝缘结构是固体介质,这与油浸纸电缆绝缘结构迥异,在直流电场作用下容易储存和聚集空间电荷而形成“记忆效应”,需要很长时间才能完全释放出累积的电荷,而交接试验和预防性试验后都不大可能等待这么久再投运,这样很容易出现累积的电荷叠加在工频交流电压峰值上而击穿电缆;另一方面 XLPE 电缆中的“水树枝” (指水分浸入绝缘结构并在电场作用形成的树枝状物)在直流电压作用下会迅速转化为“电树枝” (指绝缘结构内部形成的树枝状放电通道),从而加速绝缘老化和引起电缆击穿故障,交流耐压试验环境更接近实际运行环境,而且电场分布也与直流电压不同,交流电场由介电参数控制,直流电场由电阻率控制,这些特点决定了交流耐压试验是鉴定XLPE 电缆更有效、更安全的方法。

  目前,在我国城市电网电缆线路中交联聚乙烯电缆的使用比例已经超过 90%,由于电力电缆线路造价高、停电损失大,因此选择有效的试验方法就显得尤为重要了,变频谐振试验方法近年来逐渐引起注意,随着人们重视程度的加深,该方法必然有着广阔的应用前景。

  以上电力设备其交接或预防性试验都要求进行工频耐压试验,但由于试品电容量大,使得试验设备功率巨大,体积庞大,现场试验非常困难,可替代的调感式工频并联谐振试验装置也由于设备笨重复杂,以前也仅主要用于对发电机定子的耐压试验,对电缆的直流高压试验,也随着电缆的普及而被主管部门禁止或不推荐,而代之以轻便、简单的串联变频谐振方式进行容性试品的交流耐压试验成为流行趋势,并迅速被各个行业所接受。

  现就电缆串联谐振试验的几种主要方法做一对比说明,明显可以看出被国内、外有关标准化机构和专家推荐的串联变频谐振试验的优越性。

  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。

  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。

  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落电压前断开电源,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。

  谐振的定义:电容和电感元件的线性无源二端网络对某一频率的正弦激励(达到稳态时)所表现的端口电压与电流同相的现象,谐振电路分为并联谐振电路与串联谐振电路,本次主要讨论串联谐振电路的应用。

  另外变频谐振试验方法主要用于对大电容值的容性电力设备的现场交流耐压试验,这类电力设备包括交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆(XLPE),全封闭高压组合电器(GIS)、发电机定子、大型变压器、架空线电力线路、电力电容器等,该作用主要是利用谐振时被试品电容两端电压为电源电压的Q倍;谐振时源的激励功率仅为电容C上电功率容量的1/Q,Q越大激励功率越小,基于上述两个优点串联变频谐振方式进行容性试品的交流耐压试验成为流行趋势。

一、变频串联谐振试验装置的原理

  发生串联谐振的基本原理是:在R-L-C电路中

二、变频串联谐振试验装置的特点

  由电工知识得到:Uc=I/ωC,UL=I*ωL,UR=I*R,U=Uc+UL+UR,当LRC串联回路中的感抗与试品容抗相等时,电感中的磁场能量与试品电容中的电场能量相互补偿,试品所需的无功功率全部由电抗器供给,电源只提供回路的有功损耗,电源电压与谐振回路电流同相位,电感上的电压降与电容上的压降大小相等,相位相反,由图1可知,当 ωL=1/ωc,回路的谐振频率f=1/2π√LC,也就是说,电路发生串联谐振,电源提供很小的励磁电压,试品上就能得到很高的电压,电源频率为谐振频率。


三、变频串联谐振试验装置的优点

2、在试品击穿时,谐振条件破坏,短路电流小,只有试品额定电流的 1/10以下,对试品的危害性小。

4、适用范围广,可对电力电缆、断路器、开关进行变频交流耐压试验,对大型发电机组、电力变压器、互感器、套管等电气设备进行耐压试验,还可用于局部放电试验及测量接地电阻。

  在工程实践中,现场工况经常发生变化,试验对象要求使用的谐振试验方法也各有特点,有的侧重于操作安全,有的侧重于试品击穿后的保护,有的侧重于升压电压的稳定并要求可做直流试验等等,用一种谐振试验方法很难同时满足用户的这些要求,华意电力总结了多年的经验,专门设计了一套变频串联谐振试验装置,能够完成工频串联谐振、并联谐振、谐振变压器、普通试验变压器、直流耐压试验及发电机通水工况下,采用正接法进行发电机定子端部外移电位测试等多项功能,随着科技的不断进步、电力事业的快速发展,电力试验设备越来越向智能和小型化转变,从而大大减少了工作人员的体力劳动,提高了工作效率,针对现场试验要求,华意电力研制了变频串联谐振试验装置,并广泛应用于电力、冶金、化工等方面,今天我们简单介绍一下变频串联谐振实验装置的功能和特点。

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