高壓變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)

    現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)取高電壓直接的方法是使用試驗(yàn)變壓器將電壓升到耐壓試驗(yàn)所需要的電壓值，但該方法存在很多局限性。被試驗(yàn)設(shè)備電壓等級(jí)越高，試驗(yàn)變壓器的變比就越大，由于試驗(yàn)電壓比被試設(shè)備運(yùn)行電壓高很多，對(duì)變壓器的絕緣水平要求較高，且?guī)ж?fù)載能力受到二次繞組的容量和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電源的很大限制；因此，只有較低電壓等級(jí)和較小電容值的被試設(shè)備才使用試驗(yàn)變壓器產(chǎn)生高壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。對(duì)于較高電壓等級(jí)和較大電容值的被試設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)常用串聯(lián)諧振方法產(chǎn)生高電壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)；對(duì)于較低電壓等級(jí)和大電容值的被試設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)常用并聯(lián)諧振方法產(chǎn)生高電壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。并聯(lián)諧振方法主要用于電力電纜的交流耐壓，它較好地滿足了被試設(shè)備較大電力的要求，但產(chǎn)生的電壓并不高，本文對(duì)這種方法不進(jìn)行討論。串聯(lián)諧振產(chǎn)生高電壓方法的應(yīng)用較為廣泛，但現(xiàn)場(chǎng)使用這種方法進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)也遇到不少問(wèn)題。本文主要就變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)的原理及應(yīng)用進(jìn)行分析與研究。
    
    一、對(duì)高壓電氣設(shè)備進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)的必要性
    (1)直流耐壓試驗(yàn)不能反映設(shè)備實(shí)際工況下的電場(chǎng)分布，難以正確發(fā)現(xiàn)高壓電氣設(shè)備的內(nèi)部缺陷。直流電壓下，電氣元件上的電壓按電阻分布，交流電壓下電氣設(shè)備上的電壓則是按介電常數(shù)分布，它反映實(shí)際運(yùn)行的情況。例如:對(duì)于交聯(lián)電纜、全膜或紙膜電容器，其固體介質(zhì)的電阻率可高達(dá)1-100EΩ*m，當(dāng)其電容元件絕緣薄膜絕緣不良時(shí)，其電阻率可大幅下降，只有原電阻率的幾分之一。做直流耐壓時(shí)。電阻率高、絕緣良好的電容元件可承受的電壓較不良電容元件反而高出幾倍，使絕緣不良的電容元件反而更容易通過(guò)試驗(yàn)，但在運(yùn)行電壓下，其絕緣缺陷便會(huì)暴露出來(lái)，誘發(fā)故障。(2)直流電壓可使高壓電氣設(shè)備內(nèi)部的局部放電大為減弱，不利于絕緣缺陷的檢出。高壓電氣設(shè)備內(nèi)部的某些絕緣弱點(diǎn)或極板邊緣電場(chǎng)集中的部位均可能產(chǎn)生局部放電，持續(xù)的局部放電對(duì)絕緣是有害的。因高壓電氣絕緣的多樣性，在導(dǎo)體和絕緣介質(zhì)之間往往存在多種絕緣介質(zhì)，而各種介質(zhì)的場(chǎng)強(qiáng)分布不同，加壓時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)較高的介質(zhì)會(huì)先發(fā)生局部放電，但是同樣的復(fù)合材料，在直流電壓作用下，局部放電會(huì)大大減弱。氣隙發(fā)生局部放電后產(chǎn)生的正、負(fù)離子形成反向電場(chǎng)強(qiáng)度E'，使氣隙中的合成場(chǎng)強(qiáng)下降，使局部放電削弱甚至熄滅。而交流電壓則不然，只要外加試驗(yàn)電壓高于局部放電起始電壓，每半周內(nèi)至少會(huì)發(fā)生兩次局部放電，因此交流耐壓試驗(yàn)檢出的絕緣缺陷遠(yuǎn)比直流耐壓敏感。(3)工頻交流耐壓試驗(yàn)反映(符合)實(shí)際運(yùn)行電壓波形，與運(yùn)行中出現(xiàn)的工頻暫態(tài)電壓升高的情況較為符合，不存在等價(jià)性問(wèn)題。但工頻耐壓，試驗(yàn)設(shè)備的容量不易解決:工頻耐壓試驗(yàn)由于其設(shè)備龐大笨重，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸困難，一般僅能在現(xiàn)場(chǎng)做110kv電壓等級(jí)的GIS和SF6斷路器，且試驗(yàn)過(guò)程中若被試品發(fā)生閃絡(luò)或擊穿，短路電流極易燒傷被試品。綜上所述，施加交流耐壓才能真實(shí)地考核高壓電氣設(shè)備的提供質(zhì)量，才能有效地檢出因各種因素造成的絕緣缺陷，但工頻耐壓存在一些缺陷。
    
    二、變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)的原理和應(yīng)用
    (1)根據(jù)串聯(lián)諧振的原理(見(jiàn)圖1)當(dāng)L、C、R串聯(lián)回路中的感抗與試品容抗相等時(shí)，感抗中的磁場(chǎng)能量與試品電容中的電場(chǎng)能量相互補(bǔ)償，試品所需的無(wú)功功率全部由電抗器供給，電源只提供回路的有功功率，此時(shí)電路的功率因數(shù)cosψ=1.0，即電源電壓與諧振回路電流同相位，電感上的電壓降與電容上的電壓降相等，相位相反。
     
    (2)變頻串聯(lián)諧振裝置是運(yùn)用串聯(lián)諧振的原理，利用勵(lì)磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻電源的輸出頻率，使得回路中的電抗器的電感L和試品電容器的電容C發(fā)生諧振，后通過(guò)調(diào)整勵(lì)磁的輸出電壓，使諧振電壓達(dá)到所要求的試驗(yàn)電壓。變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置廣泛應(yīng)用于電纜、大型電力變壓器、氣體絕緣組合電器(GIS)、電力電容器等高電壓、大容量的電力設(shè)備的交流耐壓、感應(yīng)耐壓等試驗(yàn)項(xiàng)目中。   
    原理總結(jié):串諧裝置可提供被試設(shè)備高于高于電源電壓Q倍的試驗(yàn)電壓。由于電源容量減小且電感、電容可做成分段式，使試驗(yàn)設(shè)備輕巧，運(yùn)輸方便，為大容量、長(zhǎng)距離現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成為可能并提供極大方便，同時(shí)利用試驗(yàn)頻率允許在一定可調(diào)范圍內(nèi)(30一300Hz)和試驗(yàn)電抗器固定可調(diào)(單一電抗器是不可調(diào)的，但是通過(guò)串并聯(lián)，zong電感可調(diào))的原理，使得系統(tǒng)的柔性大大增加。IEC517和GB7674-1997均認(rèn)為試驗(yàn)電壓在10一300Hz范圍內(nèi)與土頻電壓試驗(yàn)基本等效。
    調(diào)諧式串諧具有體積小、重量輕，消耗的電源能量小，試驗(yàn)電壓獲得容易，操作方便，省時(shí)省工，同時(shí)串諧試驗(yàn)將避免被試設(shè)備擊穿時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的短路電流，而使設(shè)備進(jìn)一步受損。但是，在試驗(yàn)過(guò)程中一定要做好一次引線及導(dǎo)電部分的屏蔽，盡量降低線路電暈損耗引起的等效電阻，提高設(shè)備品質(zhì)因數(shù)Q，才能保證耐壓試驗(yàn)順利進(jìn)行。