諧振在高壓試驗(yàn)中的應(yīng)用分析

王 建

（國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830011）

諧振在高壓試驗(yàn)中的應(yīng)用分析

王 建

（國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830011）

諧振是在電力系統(tǒng)應(yīng)用中普遍存在的現(xiàn)象，尤其是在高壓試驗(yàn)中應(yīng)用較為廣泛。為掌握高壓試驗(yàn)中利用諧振的方法，明確試驗(yàn)中無功補(bǔ)償情況，分析從諧振的基本原理入手，對(duì)高壓試驗(yàn)中利用諧振進(jìn)行高壓耐壓試驗(yàn)的原理進(jìn)行了總結(jié)，通過與現(xiàn)場高壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行印證，理論計(jì)算的諧振頻率點(diǎn)誤差在10%以內(nèi)，無功補(bǔ)償量均滿足現(xiàn)場試驗(yàn)需求，對(duì)今后的開關(guān)交流耐壓試驗(yàn)和變壓器局部放電試驗(yàn)等高壓試驗(yàn)給出了理論依據(jù)。

串聯(lián)諧振；并聯(lián)諧振；高壓試驗(yàn)；應(yīng)用分析

0 引言

電感和電容是系統(tǒng)中的任何一個(gè)電路都存在的元件，無論是分布式的還是集中式的電感和電容，當(dāng)電路中的交流電源所施加的信號(hào)（電流或電壓）頻率與電容、電感作用，出現(xiàn)感抗等于容抗的情況時(shí)，電路中會(huì)出現(xiàn)“虛短”或是“虛斷”現(xiàn)象，此時(shí)在電路中可能產(chǎn)生較高的電流或是電壓，這種可以在一個(gè)或若干個(gè)頻率上發(fā)生的現(xiàn)象即為諧振，對(duì)應(yīng)的電路統(tǒng)稱為諧振電路［1～6］。在現(xiàn)有的高壓試驗(yàn)中，利用諧振開展電氣設(shè)備的電氣試驗(yàn)較為廣泛，尤其是斷路器或間隔交流耐壓試驗(yàn)和超高壓等級(jí)的大容量變壓器局部放電試驗(yàn)應(yīng)用較多。在此情況下對(duì)目前諧振的具體應(yīng)用加以總結(jié)，進(jìn)而對(duì)實(shí)際的電氣試驗(yàn)印象因素的具體分析起到積極的指導(dǎo)作用，而且對(duì)諧振電路的研究，無論是從利用方面，或是從限制其危害方面來看，都有重要意義［7～9］。

1 諧振的基本電路

諧振電路是當(dāng)電感L和電容C同時(shí)存在于電路中時(shí)特有的一種現(xiàn)象。諧振電路中根據(jù)電感和電容的串并聯(lián)關(guān)系，可以分為兩類基本的諧振電路，即串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，其他諧振電路都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同組合而衍生出有多個(gè)諧振頻率的諧振電路。

高壓試驗(yàn)中多使用充油電抗器作為諧振電感元件，電抗器除了有固定的電感值L。本身還帶有一定數(shù)值的電阻R即自阻，一般情況下，電抗器自阻與其工頻感抗相比都非常小，必要時(shí)可以忽略不計(jì)，而現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用中被測試品在交流作用下多顯現(xiàn)為容性設(shè)備，構(gòu)成了諧振回路中的負(fù)載電容C，利用電源的調(diào)頻或調(diào)幅特性使電路發(fā)生諧振，達(dá)到取得試驗(yàn)大電壓或點(diǎn)電流的要求。

根據(jù)回路集中參數(shù)的分布特性可知諧振回路的阻抗特性。阻抗的頻率特性如圖1所示，電路在某個(gè)頻率點(diǎn)f0時(shí)電路阻抗的模|Z|達(dá)到極值，電路發(fā)生諧振現(xiàn)象。

此時(shí)諧振點(diǎn)頻率、回路容性電流I、試品消耗的無功Qc計(jì)算為:

諧振電路的特征阻抗ρ為:

圖1 諧振電路的阻抗特性

電路的諧振阻抗大小與電源無關(guān)，只與電路的集中參數(shù)L和C有關(guān)系。而諧振電路中品質(zhì)因數(shù)定義為:

因此可以得到串聯(lián)諧振中試品兩端的耐受電壓UC和并聯(lián)諧振電路中試品的耐受電流IC可以表示為:UC=QU，IC=QI。一般情況下Q值可以達(dá)到10～150之間，所以可在試品兩端得到遠(yuǎn)高于電源電壓幾十倍的試驗(yàn)電壓或試驗(yàn)電流，因此串聯(lián)諧振也稱之為電壓諧振，而并聯(lián)諧振稱之為電流諧振。

無論是電壓諧振還是電流諧振，都要滿足ωL =1/ωC，高壓試驗(yàn)中往往改變電容C、電感L或電源頻率f實(shí)現(xiàn)諧振。實(shí)際中被試品一般表現(xiàn)為容性，電容大小固定，可以通過串并聯(lián)電容改變電容的大小或是使用可調(diào)電感調(diào)節(jié)電感量尋找諧振點(diǎn)，但較高電壓等級(jí)的電容器和電感器的體積非常巨大，極不利于現(xiàn)場試驗(yàn)，因此實(shí)際高壓試驗(yàn)中最多的是使用變頻諧振法。

2 諧振電路在高壓試驗(yàn)中的應(yīng)用

諧振回路中首先將電源接至可調(diào)電源，由可調(diào)電源輸入電壓到勵(lì)磁變壓器的二次端，由勵(lì)磁變壓器變壓到一次高壓再串聯(lián)（或是并聯(lián)）電感，將電感的另一頭接到被試品上。諧振回路應(yīng)用在開關(guān)交流耐壓試驗(yàn)、變壓器局部放電試驗(yàn)中較為廣泛。

2.1 耐壓試驗(yàn)與電壓諧振

目前，電力系統(tǒng)中的高壓試驗(yàn)，產(chǎn)生遠(yuǎn)高于電源提供的電壓的主要方法就是利用具有較大品質(zhì)因數(shù)的串聯(lián)諧振電路（電壓諧振）在負(fù)載電容上產(chǎn)生超過電源幾十甚至幾百倍的過電壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)加壓。針對(duì)變電站內(nèi)的間隔設(shè)備、斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，被測的電氣設(shè)備顯現(xiàn)的主要為容性設(shè)備，即可采用電壓諧振的方式來進(jìn)行加壓試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 電壓諧振耐壓試驗(yàn)接線

對(duì)容性設(shè)備Cx進(jìn)行高壓耐壓試驗(yàn)時(shí)，可以只需使用容量足夠的勵(lì)磁變?yōu)樵囼?yàn)電路提供有功，通過電抗器進(jìn)行補(bǔ)償無功即可，因?yàn)橹C振電路的無功消耗為零，所以改變勵(lì)磁變壓器的變比即可調(diào)整試驗(yàn)電路的輸出電壓和電流以保證試驗(yàn)電路的電流不超過電抗器的額定電流值。此種情況下也可以通過并聯(lián)兩個(gè)相同電感進(jìn)行分流，分流處理后的電路諧振頻率會(huì)增大為原來的倍，但是電路的品質(zhì)因數(shù)會(huì)相應(yīng)的減少為原來的倍，因此可能達(dá)不到原來預(yù)期的試驗(yàn)電壓值，因此需要平衡處理勵(lì)磁變的變比和電感量的調(diào)整，以滿足試驗(yàn)電壓的要求和試驗(yàn)電路的安全性要求。

2.2 低壓繞組及中性點(diǎn)耐壓試驗(yàn)

以某750變電站（Y站）為例，750kV單相自耦無勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器參數(shù)為:型號(hào):ODFPS-500000/750，額定容量:500/500/150 MVA，接線:Ia0i0（三相Yna0d11），冷卻方式:OFAF，額定電壓:765//230/±2×2.5%/63kV，額定電流:1132./3765/2380 A。繞組電容:高、中壓對(duì)低壓及地18.49nF（CH+M），低壓對(duì)高、中壓及地35.03nF（CL），高、中壓及低壓對(duì)地33.19nF（CL+H+M）。低壓繞組及中性點(diǎn)絕緣水平位140 kV。

試驗(yàn)在中所用的試驗(yàn)儀器如表1所示。

表1 試驗(yàn)用儀器

低壓繞組交流耐壓試驗(yàn)接線方式如圖3所示。

圖3 低壓繞組交流耐壓試驗(yàn)接線圖

中性點(diǎn)交流耐壓試驗(yàn)接線方式如圖4所示。

圖4 中性點(diǎn)交流耐壓試驗(yàn)接線圖

根據(jù)《750 kV超高壓電力設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，750 kV變壓器交接試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)電壓為出廠試驗(yàn)電壓（150 kV）的80%（即為120 kV）。根據(jù)主變壓器出廠繞組介損試驗(yàn)報(bào)告，K站750主變低壓繞組對(duì)高、中壓繞組及地的電容量C1約為35 030 pF，高、中壓繞組對(duì)低壓繞組及地電容量C2約為18 490 pF。

（1）低壓繞組耐壓時(shí)，采用1節(jié)串聯(lián)電抗器，L=400 H。使用式（1）計(jì)算可得諧振頻率為42.54 Hz，實(shí)驗(yàn)回路電流為1.12 A。

（2）中性點(diǎn)耐壓時(shí)，也采用一節(jié)電抗器串聯(lián)，此時(shí)L=400 H。使用式（1）計(jì)算可得諧振頻率為58.6 Hz，實(shí)驗(yàn)回路電流為0.816 A。

工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)間為1 min，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將變頻電源調(diào)諧至40～100 Hz。試驗(yàn)時(shí)被試線圈的端頭均應(yīng)短接，非被試線圈應(yīng)短路接地。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)得到如下表2所示。

耐壓試驗(yàn)的檢測結(jié)果顯示試驗(yàn)時(shí)諧振頻率比計(jì)算值都偏小，低壓繞組耐壓試驗(yàn)時(shí)諧振頻率為43.5 Hz，計(jì)算值為42.54 Hz，相對(duì)誤差為2.2%，中性點(diǎn)耐壓試驗(yàn)頻率為60.5 Hz，計(jì)算值為58.6 Hz，相對(duì)誤差為3.1%。造成計(jì)算出現(xiàn)偏差可能是測量用分壓器電容的引入以及其他回路雜散參數(shù)造成的。

表2 檢測結(jié)果

勵(lì)磁變壓器變比選擇關(guān)系到電源功率的分配是否足夠進(jìn)行加壓操作。因此，在此進(jìn)行分析說明。由于以上兩者的試驗(yàn)電壓均為120 kV。根據(jù)式（3）估算，耐壓試驗(yàn)時(shí)回路的品質(zhì)因數(shù)為40左右。按照試品耐壓試驗(yàn)電壓為電源電壓的Q倍計(jì)算，此時(shí)勵(lì)磁變壓器的高壓側(cè)抽頭為5 kV（耐壓時(shí)高壓側(cè)為3 kV），諧振時(shí)最大可以產(chǎn)生200 kV的試驗(yàn)電壓，可滿足試驗(yàn)。勵(lì)磁變各變比時(shí)的低壓側(cè)輸出電壓的結(jié)果詳見表3所示。

表3 勵(lì)磁變各變比時(shí)的低壓側(cè)輸出電壓

以上兩個(gè)耐壓試驗(yàn)的電流均在1A左右，按照1A向勵(lì)磁變低壓輸入端折算得到低壓側(cè)電流。由于變頻器在300 V左右時(shí)輸出電壓波形品質(zhì)較好，且在變頻器輸出為300左右時(shí)其效率較高，可以達(dá)到50%以上，因此，在低壓側(cè)抽頭選擇400 V的抽頭。

2.3 串諧耐壓試驗(yàn)無功補(bǔ)償計(jì)算

試驗(yàn)電壓達(dá)到預(yù)期值（120 kV）時(shí)，試品電容上的無功消耗為:

式中:各量的單位分別為:Qc，kVar；U，kV；C，F(xiàn)；I，A。由式（4）計(jì)算可得低壓繞組交流壓試驗(yàn)和中性點(diǎn)耐壓試驗(yàn)時(shí)試品消耗的功率分別為134kVar和97.68kVar。耐壓試驗(yàn)中補(bǔ)償電抗器的額定補(bǔ)償量為313 kVA，足以補(bǔ)償兩個(gè)試驗(yàn)中的無功損耗，故使用一個(gè)電抗器足以完成試驗(yàn)。而串聯(lián)諧振電路中的電流均小于電抗器的額定電流值1.25A，符合試驗(yàn)要求。

2.4 局放試驗(yàn)與電流諧振

變壓器的局部放電試驗(yàn)又名感應(yīng)電壓耐壓試驗(yàn)，其試驗(yàn)電路為電流諧振電路。局放試驗(yàn)是一種無損探傷絕緣特性的試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)潛在絕緣薄弱部位，是一種比較理想的絕緣試驗(yàn)方法。變壓器局放試驗(yàn)接線如圖5所示。

圖5 主變局部放電試驗(yàn)接線

以2.2節(jié)中的K站為例，根據(jù)相關(guān)規(guī)程，局放加壓時(shí)在高壓側(cè)預(yù)加的電壓為:高壓繞組的絕緣水平位900 kV的80%，即720 kV，折算至低壓側(cè)預(yù)加電壓為720 kV/（765//63）=103 kV。

變壓器電容量計(jì)算時(shí)，需要將變壓器的高壓側(cè)對(duì)地電容折算到低壓側(cè)，并應(yīng)將低壓側(cè)的對(duì)地電容一并計(jì)入。針對(duì)此變壓器，高壓側(cè)電容量換算到低壓側(cè)電容量為:C1=CH+M/3×k2=18.49/3 ×（765//63）2=302 nF，低壓對(duì)地電容計(jì)算公式為:

由式（5）可得低壓對(duì)地電容為24.865 nF，其低壓側(cè)對(duì)地的總電容為高、低壓折算至對(duì)地電容之和，為327 nF。

試驗(yàn)時(shí)，補(bǔ)償電抗器采用4個(gè)一串共兩串并聯(lián)。單個(gè)電抗器規(guī)格為A型:800 kVA/20 kV/ 0.8H和B型:800 kVA/40 kV/1.6 H，故電抗器支路總電感量為:L=2×1.6+2×0.8=4.8 H，根據(jù)式（1）計(jì)算得到電源諧振頻率為:127 Hz。由式（4）得到高壓側(cè)入口等效容性無功消耗為2 548 kVar。而電抗器補(bǔ)償?shù)臒o功量應(yīng)大于或等于QC，以保證電路無功損耗和補(bǔ)償平衡，按照電抗器串聯(lián)分壓原理可得電抗器上的電壓分別為17.2kV和34.3 kV?？梢钥吹絻煞N型號(hào)的電抗器承受電壓都沒有超過其額定電壓值20 kV和40 kV，由式（4）得到兩種型號(hào)的電抗器無功補(bǔ)償量分別為424 kVar，850 kVar。

并聯(lián)補(bǔ)償電抗器的額定功率都為800 kVar，4個(gè)電抗器可以提供的總的最大無功量為3 200 kVar。其中B型電抗器的補(bǔ)償量稍稍超出800 kVA的額定量，而實(shí)測時(shí)測得補(bǔ)償電流為21A與電抗器容量稍稍溢出吻合。測量時(shí)頻率為138 Hz，與計(jì)算相差11 Hz，電感的實(shí)際補(bǔ)償量為: 21×21×6.28×138×4.8=1 834 kVar。

電抗器的補(bǔ)償效率Η=（UL/ULN）2×100%=（17.2/20）2=74%。電抗器的視在補(bǔ)償量為1 834/0.74=2 478 kVar＜2 548 kVar。由第一節(jié)中的分析及試驗(yàn)時(shí)的頻率選擇情況，結(jié)合實(shí)際計(jì)算的無功補(bǔ)償量可知，此時(shí)回路是處于欠補(bǔ)狀態(tài)，電壓電流呈負(fù)角度關(guān)系，但已非常接近回路諧振狀態(tài)。在進(jìn)行高壓試驗(yàn)時(shí)最高電壓加壓時(shí)間為6 000/127=47 s，短時(shí)的耐壓過后電壓即刻下降到一定數(shù)值可以保證電抗器安全運(yùn)行。在此建議在試驗(yàn)中應(yīng)盡量將試驗(yàn)頻率靠近且稍小于理論中計(jì)算的諧振頻率，但由于現(xiàn)場試驗(yàn)環(huán)境的多變性可能導(dǎo)致計(jì)算中的參數(shù)與實(shí)際有較大誤差，所以應(yīng)保證偏離計(jì)算值的范圍不宜過大，建議在與計(jì)算值的差值在15以內(nèi)。

3 結(jié)論

無論是高壓試驗(yàn)中使用的電壓諧振還是電流諧振，其基礎(chǔ)都是發(fā)生諧振。使用諧振電路進(jìn)行高壓試驗(yàn)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題:

（1）利用串聯(lián)諧振在試品上產(chǎn)生遠(yuǎn)高于電源電壓的試驗(yàn)電壓，對(duì)于品質(zhì)因數(shù)較大的電感，串聯(lián)諧振時(shí)應(yīng)防止電抗器兩端電壓超限，可以采取多個(gè)采取電抗器串并聯(lián)等措施。

（2）利用電感與電容并聯(lián)諧振得到大電流的同時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)并聯(lián)電感的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路進(jìn)行無功補(bǔ)償。并聯(lián)諧振時(shí)會(huì)產(chǎn)生大電流，應(yīng)予注意補(bǔ)償電抗器的電流是否超過其額定值，防止損壞電抗器。

（3）諧振電路在應(yīng)用時(shí)，可以先行進(jìn)行計(jì)算，串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)工作在諧振情況下，計(jì)算得到的諧振頻率的與實(shí)測值相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，可以為高壓試驗(yàn)提供理論和實(shí)際工作指導(dǎo)。局部放電試驗(yàn)中試驗(yàn)回路可能不是在完全諧振的情況時(shí)進(jìn)行感應(yīng)耐壓試驗(yàn)，此時(shí)應(yīng)保證計(jì)算值盡量靠近計(jì)算值，以防止出現(xiàn)其他異常狀況。

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Analysis of Resonance in the Application of High Voltage

Wang Jian
（State Grid XinJiang Electric Power Research Institute，Urumqi 830011，China）

Resonance is a phenomenon of reactive power balance circuit when capacitive equipment and perceptual equipment under the specific frequency，which is very common in power system applications and was more widely used in high voltage test.Based on basic principles of RLC resonance circuit，the paper analyzes the use of resonance for high voltage withstand test in depth and the principle of the argument，and compares the high voltage test results.It concluded that the theoretical calculation of resonant frequency point error is within 10%，the amount of reactive power compensation meets the demand of field test，thus the guiding theory can be applied to high voltage test.

series resonance；parallel resonant；high voltage test；application analysis

TM835.4

A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.05.013

2015-03-27。

王建（1986-），男，碩士研究生，主要從事電網(wǎng)一次設(shè)備實(shí)驗(yàn)、電氣設(shè)備狀態(tài)檢測及設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)等工作，E-mail:yaowang360@163.com。