變頻串聯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需進行交流耐壓試驗[1]。採用傳統的工頻電壓試驗法進行容性設備交流耐壓試驗時，升壓試驗變壓器笨重、龐大，且現場大電流試驗電源不易取得。與傳統試驗方法相比較，變頻串聯諧振具有輸入電源容量小、設備重量輕，品質因數高，並具有自動調諧、多重保護、組合方式靈活等優點[2]。
由於串聯諧振電源是利用諧振電抗http://wwW.LWlm.cOM器和被試品電容諧振產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，由於串聯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。而在串聯諧振狀態下，當試品絕緣弱點被擊穿時，電路立即脫諧，迴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的燒傷。
2.串聯諧振原理分析
在電阻、電感及電容所組成的串聯電路中，當容抗與感抗相等時，電路中的電壓與電流相位相同，電路呈現純電阻性，此即為串聯諧振[3]。當電路發生串聯諧振時，電路的阻抗Z=R，此時迴路總阻抗值最小，迴路電流最大值。圖1（a）所示為電感和電容元件串聯組成的一埠網絡，其等效阻抗，當發生諧振時，其埠電壓與電流同相位，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的比值即為品質因數Q。
電路諧振時阻抗值最小，當埠電壓一定時，電路電流將達到最大值，如圖1（b）所示，且該值的大小僅與電阻的阻值有關而與電感和電容無關。諧振時電感電壓與電容電壓數值相等、相位相反，為總電壓的Q倍[4]，即。RLC串聯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值時的電流幅頻特性曲線。
為了研究電路參數對諧振特性的影響，通常採用通用諧振曲線，圖2（b）所示為串聯諧振電路的通用諧振曲線。通用諧振曲線的形狀只與Q值有關，且曲線形狀越尖銳，電路的選頻性能越好。幅值大於峰值的0.707倍所對應的頻率範圍為通帶寬，理論推導可得，由該式可知通帶寬與品質因數成反比。
3.變頻串聯諧振的工程應用分析
變頻串聯諧振其諧振頻率，其中L為電抗器的電感值，如有幾個電抗器串並聯使用應考慮互感的影響；C為被試品及分壓電容器的和，現場可以用電橋或介損儀進行實際測量獲得。高壓電流I=2πfCU，由被試品的電氣參數和出廠耐壓試驗值，可確定現場的耐壓試驗電壓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。
變頻串聯諧振試驗過程中，勵磁變的容量應大於有功功率P，並在勵磁變最低輸出電壓滿足試驗要求的前提下儘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於試驗電壓和高壓電流，當電抗器採取串並聯以滿足試驗要求時，必須計算每個電抗器上所承受的電壓和電流不超限值。
在現場試驗中，通常採用16mm2以上的裸銅線接地，裸銅線其寄生電感在μH數量級，約0.1-1μH/m，直流電阻約0.1mΩ，如果接地線有彎曲環繞現象，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最高，擊穿後試品上的電壓跌落到零的時間一般在0.1-10μs之間，具體情況與擊穿點的實際情況有關。從放電能量上看，即使放電時，試品的最小電容量只有0.002μF，實際試驗時試品電容量遠大於該值。如以放電時頻率為100kHz、地線寄生電感為1μH、放電電流為1000A計算，地線的寄生感抗XL==0.628Ω，地線可能產生的過電壓Ud=If XL=1000×0.628=628V。如果地線連接不規範，寄生電感就會增大很多，產生的過電壓可能更大，可危及變頻電源及人身安全。所以高壓試驗系統必須一點可靠接地，分壓器的接地點與大地的連接線應儘量短，接地線應粗、直、短，從而保證試驗安全。
4.變頻串聯諧振在工程中的應用範例分析
以某變電站220kV GIS導體對外殼耐壓試驗為例，產品出廠試驗電壓導體對地為460kV，現場交接試驗電壓值為出廠試驗的80%，即368kV。試驗設備採用變頻式串聯諧振耐壓試驗裝置，試驗按電氣設備交接試驗標準和規程進行[1，5]。試驗時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、電力變壓器、避雷器和保護間隙與GIS隔離開。導體對外殼耐壓加壓試驗時，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，並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。根據理論計算進行準備試驗工作，現場試驗實際諧振頻率為73.8Hz，試驗過程中未發生設備部件的閃絡、放電，且試驗前後試品絕緣無明顯變化，設備順利通過交流耐壓試驗。
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點，並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。變頻串聯諧振原理、工程應用分析及現場試驗表明，變頻串聯諧振在電力工程試驗中具有突出的技術優勢和良好的應用前景。
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需進行交流耐壓試驗[1]。採用傳統的工頻電壓試驗法進行容性設備交流耐壓試驗時，升壓試驗變壓器笨重、龐大，且現場大電流試驗電源不易取得。與傳統試驗方法相比較，變頻串聯諧振具有輸入電源容量小、設備重量輕，品質因數高，並具有自動調諧、多重保護、組合方式靈活等優點[2]。
由於串聯諧振電源是利用諧振電抗http://wwW.LWlm.cOM器和被試品電容諧振產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，由於串聯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。而在串聯諧振狀態下，當試品絕緣弱點被擊穿時，電路立即脫諧，迴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的燒傷。
2.串聯諧振原理分析
在電阻、電感及電容所組成的串聯電路中，當容抗與感抗相等時，電路中的電壓與電流相位相同，電路呈現純電阻性，此即為串聯諧振[3]。當電路發生串聯諧振時，電路的阻抗Z=R，此時迴路總阻抗值最小，迴路電流最大值。圖1（a）所示為電感和電容元件串聯組成的一埠網絡，其等效阻抗，當發生諧振時，其埠電壓與電流同相位，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的比值即為品質因數Q。
電路諧振時阻抗值最小，當埠電壓一定時，電路電流將達到最大值，如圖1（b）所示，且該值的大小僅與電阻的阻值有關而與電感和電容無關。諧振時電感電壓與電容電壓數值相等、相位相反，為總電壓的Q倍[4]，即。RLC串聯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值時的電流幅頻特性曲線。
為了研究電路參數對諧振特性的影響，通常採用通用諧振曲線，圖2（b）所示為串聯諧振電路的通用諧振曲線。通用諧振曲線的形狀只與Q值有關，且曲線形狀越尖銳，電路的選頻性能越好。幅值大於峰值的0.707倍所對應的頻率範圍為通帶寬，理論推導可得，由該式可知通帶寬與品質因數成反比。
3.變頻串聯諧振的工程應用分析
變頻串聯諧振其諧振頻率，其中L為電抗器的電感值，如有幾個電抗器串並聯使用應考慮互感的影響；C為被試品及分壓電容器的和，現場可以用電橋或介損儀進行實際測量獲得。高壓電流I=2πfCU，由被試品的電氣參數和出廠耐壓試驗值，可確定現場的耐壓試驗電壓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。
變頻串聯諧振試驗過程中，勵磁變的容量應大於有功功率P，並在勵磁變最低輸出電壓滿足試驗要求的前提下儘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於試驗電壓和高壓電流，當電抗器採取串並聯以滿足試驗要求時，必須計算每個電抗器上所承受的電壓和電流不超限值。
在現場試驗中，通常採用16mm2以上的裸銅線接地，裸銅線其寄生電感在μH數量級，約0.1-1μH/m，直流電阻約0.1mΩ，如果接地線有彎曲環繞現象，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最高，擊穿後試品上的電壓跌落到零的時間一般在0.1-10μs之間，具體情況與擊穿點的實際情況有關。從放電能量上看，即使放電時，試品的最小電容量只有0.002μF，實際試驗時試品電容量遠大於該值。如以放電時頻率為100kHz、地線寄生電感為1μH、放電電流為1000A計算，地線的寄生感抗XL==0.628Ω，地線可能產生的過電壓Ud=If XL=1000×0.628=628V。如果地線連接不規範，寄生電感就會增大很多，產生的過電壓可能更大，可危及變頻電源及人身安全。所以高壓試驗系統必須一點可靠接地，分壓器的接地點與大地的連接線應儘量短，接地線應粗、直、短，從而保證試驗安全。
4.變頻串聯諧振在工程中的應用範例分析
以某變電站220kV GIS導體對外殼耐壓試驗為例，產品出廠試驗電壓導體對地為460kV，現場交接試驗電壓值為出廠試驗的80%，即368kV。試驗設備採用變頻式串聯諧振耐壓試驗裝置，試驗按電氣設備交接試驗標準和規程進行[1，5]。試驗時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、電力變壓器、避雷器和保護間隙與GIS隔離開。導體對外殼耐壓加壓試驗時，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，並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。根據理論計算進行準備試驗工作，現場試驗實際諧振頻率為73.8Hz，試驗過程中未發生設備部件的閃絡、放電，且試驗前後試品絕緣無明顯變化，設備順利通過交流耐壓試驗。
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點，並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。變頻串聯諧振原理、工程應用分析及現場試驗表明，變頻串聯諧振在電力工程試驗中具有突出的技術優勢和良好的應用前景。
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