变频串联谐振在电力工程中的应用

1.引言

按照电气设备交接试验要求，变压器、GIS系统、SF6断路器、电流互感器、电力电缆、套管等容性设备交接时需进行交流耐压试验[1]。采用传统的工频电压试验法进行容性设备交流耐压试验时，升压试验变压器笨重、庞大，且现场大电流试验电源不易取得。与传统试验方法相比较，变频串联谐振具有输入电源容量小、设备重量轻，品质因数高，并具有自动调谐、多重保护、组合方式灵活等优点[2]。

由于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，试验电源只需提供系统有功的消耗，因此其所需电源功率只有试验容量的1/Q。而且，由于串联谐振试验不需要大功率调压装置和工频试验变压器，谐振激磁电源只需试验容量的1/Q，使得串联谐振系统重量和体积大大减少。另外，谐振电源是谐振式滤波电路，其能改善输出电压波形，从而防止谐波峰值对试品的误击穿。而在串联谐振状态下，当试品绝缘弱点被击穿时，电路立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q，故其还可防止大的短路电流对故障点的烧伤。

2.串联谐振原理分析

在电阻、电感及电容所组成的串联电路中，当容抗与感抗相等时，电路中的电压与电流相位相同，电路呈现纯电阻性，此即为串联谐振[3]。当电路发生串联谐振时，电路的阻抗Z=R，此时回路总阻抗值最小，回路电流最大值。图1(a)所示为电感和电容元件串联组成的一端口网络，其等效阻抗，当发生谐振时，其端口电压与电流同相位，即，由此可推得谐振角频率和谐振频率分别为，。定义谐振时的感抗或容抗 为特性阻抗ρ，则特性阻抗ρ与电阻R的比值即为品质因数Q。

电路谐振时阻抗值最小，当端口电压一定时，电路电流将达到最大值，如图1(b)所示，且该值的大小仅与电阻的阻值有关而与电感和电容无关。谐振时电感电压与电容电压数值相等、相位相反，为总电压的Q倍[4]，即。RLC串联电路的电流是电源频率的函数，

即，在电路的电感L、电容C和电源电压US不变的情况下，不同的R值得到不同的Q值，图2(a)所示为不同Q值时的电流幅频特性曲线。

为了研究电路参数对谐振特性的影响，通常采用通用谐振曲线，图2(b)所示为串联谐振电路的通用谐振曲线。通用谐振曲线的形状只与Q值有关，且曲线形状越尖锐，电路的选频性能越好。幅值大于峰值的0.707倍所对应的频率范围为通带宽，理论推导可得，由该式可知通带宽与品质因数成反比。

3.变频串联谐振的工程应用分析

变频串联谐振其谐振频率，其中L为电抗器的电感值，如有几个电抗器串并联使用应考虑互感的影响;C为被试品及分压电容器的和，现场可以用电桥或介损仪进行实际测量获得。高压电流I=2πfCU，由被试品的电气参数和出厂耐压试验值，可确定现场的耐压试验电压U;有功功率P=1.2(P0+PK)，其中P0为励磁变空载损耗，PK为电抗器额定有功损耗。

变频串联谐振试验过程中，励磁变的容量应大于有功功率P，并在励磁变最低输出电压满足试验要求的前提下尽量降低励磁变的变比，从而相应减小励磁变原边的输入电流。试验电源容量S=P+P1，其中P1为变频电源本身的损耗，由电源端输入电压为380V可得电源电流I1=。试验中电抗器的额定电压和电流也应大于试验电压和高压电流，当电抗器采取串并联以满足试验要求时，必须计算每个电抗器上所承受的电压和电流不超限值。

在现场试验中，通常采用16mm2以上的裸铜线接地，裸铜线其寄生电感在μH数量级，约0.1-1μH/m，直流电阻约0.1mΩ，如果接地线有弯曲环绕现象，电感量可增加到10-1000μH/m。试品绝缘通常在交流电压的正峰值或负峰值被击穿，试品被击穿瞬间试品上的电压最高，击穿后试品上的电压跌落到零的时间一般在0.1-10μs之间，具体情况与击穿点的实际情况有关。从放电能量上看，即使放电时，试品的最小电容量只有0.002μF，实际试验时试品电容量远大于该值。如以放电时频率为100kHz、地线寄生电感为1μH、放电电流为1000A计算，地线的寄生感抗XL==0.628Ω，地线可能产生的过电压Ud=If XL=1000×0.628=628V。如果地线连接不规范，寄生电感就会增大很多，产生的过电压可能更大，可危及变频电源及人身安全。所以高压试验系统必须一点可靠接地，分压器的接地点与大地的连接线应尽量短，接地线应粗、直、短，从而保证试验安全。

4.变频串联谐振在工程中的应用范例分析

以某变电站220kV GIS导体对外壳耐压试验为例，产品出厂试验电压导体对地为460kV，现场交接试验电压值为出厂试验的80%，即368kV。试验设备采用变频式串联谐振耐压试验装置，试验按电气设备交接试验标准和规程进行[1，5]。试验时GIS设备所有气室均充额定压力SF6气体且微水测量合格，架空线、电力变压器、避雷器和保护间隙与GIS隔离开。导体对外壳耐压加压试验时，220kV GIS试验电压由#1主变220kV侧套管处施加，每次一相，其他两相与接地的外壳短接。

为进行GIS导体对外壳交流耐压试验，试验前先用介损仪在该变#1主变220kV侧测得各相对地电容，并根据被试设备电容量估算所需电感以及试验电流及容量，各相对地电容量如表1所示。根据理论计算进行准备试验工作，现场试验实际谐振频率为73.8Hz，试验过程中未发生设备部件的闪络、放电，且试验前后试品绝缘无明显变化，设备顺利通过交流耐压试验。

表1 试品电容的测量及参数的估算

相别 电容量(nF) 电感量(H) 谐振频率(Hz) 一次电流(A) 二次电流(A) 电源电流(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.结论

变频串联谐振与交流工频耐压试验装置比较，其具有电源容量小、试验设备重量轻、输出电压波形好等优点，并可有效的防止谐波峰值对试品的误击穿、且可避免大的短路电流烧伤故障点。变频串联谐振原理、工程应用分析及现场试验表明，变频串联谐振在电力工程试验中具有突出的技术优势和良好的应用前景。