浅析调频串联谐振试验装置选型计算

浅析调频串联谐振试验装置选型计算

隋玉博

哈尔滨汇通电力工程有限公司 黑龙江 哈尔滨 150090

摘要：近年来，广泛采用串联谐振试验方法来对高电压、大容量的容性负载设备进行试验，本片文章通过对交流耐压试验的介绍，引入并阐述调频串联谐振耐压装置的试验原理，最后结合现场实例应用，总结调频串联谐振耐压试验的注意事项和试验分析。

关键词： 交流耐压试验 ；串联谐振 ；电容 ；电感 ；品质因数

交流耐压试验是电气设备在使用前通过模拟运行工况，检验绝缘缺陷最直观、有效的方法之一，对于设备安全运行有着不可替代的作用。按照行业标准，高压电气设备从设备生产制造到出厂检验，运输安装到调试验收，启动运行到检修维护，每一个阶段都需执行着对应的试验标准，但随着行业发展，不同电力设备的容量逐渐增大，为确保高压电气设备能够安全高效的使用运行，相关方严格按电力行业标准规定执行耐压试验。

传统的大容量工频耐压设备不便于运输到设备现场，因此串联谐振设备普遍应用到现场交流耐压试验中,该形式的试验设备具有重量轻、电源容量需求小、电压波形好、操作简便等优点，同时系统工作稳定可靠。按照谐振方式的不同，串联谐振耐压设备分为调感串联谐振和调频串联谐振装置，本文主要介绍调频串联谐振装置的工作原理和选型应用。

1．试验原理

调频式串联谐振高压试验设备主要由变频控制器、励磁变压器、谐振电抗器、电容分压器、负载补偿电容等装置组成，其工作原理接线如图1所示。

Figure 1. Schematic diagram of frequency modulation series resonance test

图1 调频串联谐振试验原理图

交 流电源（220V或380V）由变频控制装置转换成频率、电压可调的电源，经励磁变压器升压，接入由电抗器和被试试品构成的高压串联谐振回路，高压通过纯电容式分压器进行测量。变频器装置经励磁变压器向主谐振电路送入一个较低的电压、调节变频器的输出频率，当频率满足

条件时，试验回路即达到谐振状态，此时谐振频率为：

对于谐振频率f的范围，国际公认在30Hz-300Hz范围内，主要原因是绝缘介质的电压分布与承受50Hz情况下基本相同，绝缘击穿电压相同。当RLC串联回路达到谐振条件时，通过被试品的电流、电压值即可表达为：

；

其中，Ue为励磁电压，Q为品质因数。一般串联谐振回路Q值在几十至上百，在较小的励磁电压Ue下，被试品Cx上即可产生几十倍Ue的试验电压U_CX, 同时，谐振回路励磁变压器只需提供R的有功功率，当品质因数Q值越高，所需电源容量越小。例如一般对电力电缆耐压时，Q值的选择：容量小于100kVA时品质因数应不小于15，容量在100kVA～400kVA时品质因数应不小于30，容量大于400kVA时品质因数应大于40。

2．试验步骤

（1）清理并隔离试验区域，合理布置试验设备，检查谐振电抗器是否安放稳固。将励磁变、谐振电抗器和被试设备的外壳及分压器接地端接地如下图所示：

Figure2 .Schematic diagram of wiring layout on test site of main electrical equipment

图2 电气主设备试验现场接线布置示意图

（2）试验前应测量被试设备的绝缘电阻，并检查接线和试验设备是否存在缺陷。

（3）检查试验电源的容量应符合试验要求，先合上试验电源开关，再合上变频电源的控制电源和工作电源开关，稳定后合上变频电源主回路开关，设定保护电压为试验电压的1.1～1.2倍。

（4）开始升压，必须按规定的升压速度从零开始均匀地升压，先旋转电压调节旋钮，把输出功率比调节到2%或试验电压的3～5%，通过旋转频率调节旋钮改变系统频率的大小，观察励磁电压和试验电压的数值。当励磁电压为最小、同时试验电压为最大时，这个时候的频率就是系统的谐振频率。

（5）系统谐振后，按要求均匀调节电压至试验电压，升压过程中应密切监视高压回路，监听被试品有何异响，到达试验时间后，将电压降到零，切断主回路、控制回路和工作电源开关，拉开试验电源开关，对被试品放电，试验结束。

3．设备匹配计算

通过上述介绍了解，可以更直观的了解调频串联谐振装置是如何满足大容量试品的高电压试验的过程。多数情况下，调频串联谐振装置的试验对象为大容量的发电机、变压器、GIS、交联电缆，而一般现场对于电气设备的验收检验标准均为工频电压，为了避免委托单位对检验结果的有效性产生异议，在试验准备阶段，应对试验装置以及被试品设备的技术数据进行计算分析。

正常电气设备耐压试验为工频50Hz，当使用调频串联谐振设备试验时，被试设备的电容为固定值，谐振电抗器只能根据规格和数量与之进行串联，不能连续变化电感量，预达到试验频率范围内，只能计算出试验设备的在一定频率范围内的试品电容区间，计算如下：

最小可试电容：

——最小可试电容，μF；

——最高试验频率，Hz;

——电抗器电感值，H，

最大可试电容：

— —最大可试电容，μF；

——最低试验频率，Hz;

——电抗器电感值，H；

同时，要是试验设备能够满足试验要求，谐振电抗器的额定电压应满足试验电压的要求，其额定容量应满足试验容量的要求。在电抗器并联总电感量L减小，根据谐振条件公式可知，在一定频率范围内，负载能力将增大（例如对电缆试验时，对应试品电缆的可试验长度将增加）；电抗器串联总电感量L增大，负载能力将减小。电抗器纵向叠加串联时由于互感的影响，使谐振回路等效电感值有所增大，负载能力将相应有所减小。而电抗器横向叠加（串联或并联）时也由于互感的影响，使谐振回路等效电感值有所减小，负载能力将相应有所增大。试验过程中应注意上述因素对试验结果的影响。

4．试验实例：

2018年9月，威立雅（哈尔滨）热电有限公司扩建二号168MW热水锅炉工程进行安装调试工作，在单体试验阶段，使用苏州华电生产的HDSR-F变频串联谐振试验装置对6kV电缆进行交流耐压试验，以下为被试样品参数及试验计算过程：

表1 试验设备主要参数

表2 试验电缆参数

计算过程：

当满足试验谐振频率在50Hz附近时，首先假设f=50Hz，由 得出，L≈84.5H

将2件电抗器串联后使用，总电抗值约为91H，将该值重新带回公式，计算得出实际谐振频率为48Hz，接近工频运行条件，计算谐振回路电流为0.36mA，低于电抗器额定电流，同时，比对试验励磁装置在谐振状态下品质因数，满足试验电压10kV。

结论：使用该试验装置串联2件45.5H电抗器，可以对现场电缆进行交流耐压试验。

5．总结：

本文通过理论分析和试验实例，对调频串联谐振设备的原理及应用进行详细的说明，能够有效的解析在出厂、调试、检修过程中采用调频串联谐振设备时，如何选型计算和进行试验，为确保交流耐压试验的顺利进行提供便利条件。

6．参考文献：

1.张仁豫，高电压试验技术，清华大学出版社，2009.

2.李建明，高压电气设备试验方法，中国电力出版社，2001.

3.GB50150-2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》，

中国计划出版社，2016.

4.DLT 596-2005 ，《电力设备预防性试验规程》.