電力高壓試驗(yàn)中串聯(lián)諧振裝置的應(yīng)用分析

國網(wǎng)蕪湖供電公司 舒日高 陸宇豪 張昌麗 劉虎城

1 引言

為了確保發(fā)電公司日常使用的電氣絕緣設(shè)備本身的安全性有必要對電氣設(shè)備進(jìn)行定期檢測，其中高壓試驗(yàn)是電力系統(tǒng)常見的檢測形式。利用交流耐壓方法是當(dāng)前我國常見的高壓試驗(yàn)中的主要方式方法，在交流耐壓試驗(yàn)中對電源和用電設(shè)備的要求較高，因此為了提升試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，提高試驗(yàn)效率且同時(shí)降低試驗(yàn)檢測難度串聯(lián)諧振試驗(yàn)法應(yīng)運(yùn)而生。串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置具有增大電壓和電流的功效，主要利用的是諧振電抗器和待測品電容，產(chǎn)生諧振，在整個(gè)系統(tǒng)中，電源只需要提供系統(tǒng)中有功消耗的部分?；诟黝悆?yōu)勢，認(rèn)為有必要對高壓電氣試驗(yàn)中利用串聯(lián)諧振裝置進(jìn)行更深層次的研究與論述。

2 初步分析

2.1 串聯(lián)諧振原理

現(xiàn)階段我國高壓電氣試驗(yàn)中普遍運(yùn)用到串聯(lián)諧振裝置完成，其主要利用簡單的“R（電阻）-L（電感）-C（電容）”串聯(lián)電路制造的諧振形式完成試驗(yàn)分析，在如下圖1的電路中電源電壓和電流存在相位相同，與此同時(shí)也能使無功電壓和相位相反其所產(chǎn)生的效果相同，此時(shí)完整電路表現(xiàn)為阻性特征[1]。電阻R（電阻）大小值決定諧振電力值高低，電路中L（電感）和C（電容）可以幫忙調(diào)整諧振頻率，在試驗(yàn)中呈現(xiàn)串聯(lián)諧振的效果，主要運(yùn)用的數(shù)學(xué)模型為：

圖1 R-L-C 串聯(lián)電路

R-L-C 串聯(lián)電路如圖1所示。

在完整的高壓電路試驗(yàn)中想要實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振效應(yīng)首先要協(xié)調(diào)好電容器和電抗器之間的關(guān)系，電路中電容器產(chǎn)生C（電容），電抗器產(chǎn)生L（電感），技術(shù)員通過對電容器和電抗器的有效調(diào)節(jié)得到和電路中固定頻率一致的外來電源信號頻率并維持不變，這時(shí)通路中就會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

諧振現(xiàn)象持續(xù)過程中C（電容）和L（電感）兩段的電壓可以達(dá)到高壓的最大狀態(tài)，同時(shí)也成就了電氣設(shè)備高壓試驗(yàn)的理想狀態(tài)[1]。電路運(yùn)行過程中當(dāng)其他參數(shù)確定時(shí)，通過轉(zhuǎn)化設(shè)備的頻率，電路便可以產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，主要運(yùn)用的數(shù)學(xué)模型為：

2.2 串聯(lián)諧振裝置的應(yīng)用優(yōu)勢

2.2.1 體積小，容量大，損耗低

現(xiàn)階段，我國在串聯(lián)諧振裝置的研發(fā)也逐漸成熟，完整的串聯(lián)諧振裝置只需要具備2500pF 分壓器、68H/單節(jié)電抗器、額定18kW 輸出電容變頻電源和激勵變壓器等5部分組成[2]，串聯(lián)諧振裝置如圖2所示。在該類型的裝置中，不僅具有很高的便捷性，不需要大型的大功率調(diào)壓裝置，也無須大功率工頻試驗(yàn)變壓器。諧振勵磁電源只需試驗(yàn)容量的1/Q，從而可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕便性，包括其總重量和所占的體積，一般為普通試驗(yàn)裝置的1/10-1/30。

圖2 串聯(lián)諧振裝置

相較于其他高壓試驗(yàn)裝置專練諧振裝置總體重量輕便，占地空間較小，試驗(yàn)過程中簡單便捷利于搬運(yùn)。在容量較大直接耐壓測試中，當(dāng)絕緣子擊穿，相應(yīng)受損位置被短路，流通電流值瞬間增加，導(dǎo)致燒毀鐵芯，增加風(fēng)險(xiǎn)值，利用串聯(lián)諧振裝置體積小、輕便靈活的特點(diǎn)可以在試驗(yàn)中完成相應(yīng)設(shè)置從而能夠有效避免相同問題發(fā)生，由于試驗(yàn)過程中電抗器和電容器諧振后會產(chǎn)生高電壓大電流。在整個(gè)系統(tǒng)中，變頻電源只需要提供系統(tǒng)中消耗的部分有功功率[3]。高壓試驗(yàn)所需的電源功率僅為測試容量的1/Q，從一定程度上達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

2.2.2 有效改善輸出電壓波形

串聯(lián)諧振裝置可以利用PC 端數(shù)控裝置對輸出電壓的波形進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的形狀分明的正弦sin波形可以有效防止諧波峰值對試品的誤擊穿，進(jìn)而保障檢測過程順利開展，提升整體效率。在GIS 設(shè)備中通常采用氣體絕緣開關(guān)裝置，在長途運(yùn)輸過程中，部分GIS 固件和構(gòu)件容易在外力的作用下產(chǎn)生位移和松動等情況，設(shè)備運(yùn)輸?shù)綀龊螅ㄟ^串聯(lián)諧振裝置調(diào)整輸出電壓波形可以有效對電場結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，形狀分明的正弦電壓波形在傳導(dǎo)過程中若遇干擾波形受損從而精準(zhǔn)找到故障點(diǎn)，進(jìn)一步防范危險(xiǎn)事故的發(fā)生。利用串聯(lián)諧振裝置能夠?qū)毫Σㄐ螌?shí)施動態(tài)檢測，從而全面掌握現(xiàn)場具體情況。

2.2.3 穩(wěn)定性、可靠性強(qiáng)

預(yù)防短路故障是供電公司和供電單位重要的運(yùn)維工作，短路故障產(chǎn)生后，電力設(shè)備出現(xiàn)過載現(xiàn)象，如果繼電保護(hù)裝置不能作出響應(yīng)，很可能導(dǎo)致電氣設(shè)備的損傷甚至引起爆炸。在交流耐壓試驗(yàn)過程中，為保障發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定且正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要對發(fā)電機(jī)的絕緣性能進(jìn)行檢測，檢測過程中傳統(tǒng)方法并不能對電路中的電流、電壓進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，為避免電路短路燒毀鐵芯，則需要體現(xiàn)串聯(lián)諧振裝置的穩(wěn)定性和可靠性，試驗(yàn)中鐵芯氣隙調(diào)節(jié)電感，控制電流和電壓保持諧振，穩(wěn)定調(diào)節(jié)電流與電壓的輸出波形，以免燒毀鐵芯，維護(hù)電路運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。

3 主要裝置及注意事項(xiàng)

3.1 激勵變壓器接線注意事項(xiàng)

一是當(dāng)該變壓器需要放置于電機(jī)的耐壓試驗(yàn)裝置時(shí)，激勵變壓器通常接低端。二是當(dāng)該變壓器需要用于開關(guān)、GIS 的耐壓試驗(yàn)裝置時(shí)，接高端，變壓器耐壓激勵變壓器接低端。三是當(dāng)該變壓器接入10kV、35kV、110kV 電纜的耐壓試驗(yàn)裝置時(shí)，高壓電纜110kV 接入高端，低電壓電纜接低端。

3.2 電抗器及分壓器接線注意事項(xiàng)

對于短電纜，不考慮電壓的影響，都會至少串聯(lián)兩節(jié)電抗器，以確保回路可以觸發(fā)諧振現(xiàn)象。

3.3 電抗器接線注意事項(xiàng)

一是當(dāng)需要接入開關(guān)或者電容較低的交流耐壓試驗(yàn)試驗(yàn)品時(shí)，需要串聯(lián)所需的電抗器，為確保諧振還需要放置在高壓回路中。二是當(dāng)該電抗器需要接入開關(guān)、GIS、變壓器的耐壓時(shí)，電抗器需要串聯(lián)且其指數(shù)需要按照實(shí)際的試驗(yàn)電壓確定。

4 串聯(lián)諧振裝置實(shí)際應(yīng)用與案例分析

4.1 電纜高壓試驗(yàn)

近年來我國現(xiàn)代化進(jìn)程加速，電纜電網(wǎng)的大量鋪設(shè)，伴隨用電便捷的效益同樣帶來的是電網(wǎng)電纜電力事故的多發(fā)。為了有效降低電網(wǎng)發(fā)展帶來負(fù)面事件發(fā)生概率，確保所安裝的電纜可以長周期安全穩(wěn)定運(yùn)作，需要運(yùn)用串聯(lián)諧振裝置交流耐壓試驗(yàn)取代先前傳統(tǒng)的直流高壓試驗(yàn)，通常其頻率調(diào)試范圍涵蓋了30～300Hz，為確保該試驗(yàn)的安全和準(zhǔn)確，在試驗(yàn)員在試驗(yàn)過程中應(yīng)注意的內(nèi)容包括：

一是注意降低直流電場對試驗(yàn)的影響。試驗(yàn)過程中電流通過電路導(dǎo)致電阻溫度上升，此時(shí)直流電場會伴隨電阻的增加也隨之變強(qiáng)，因此在選擇直流電場的強(qiáng)度時(shí)需要考慮到電阻率的分布情況。

二是杜絕絕緣擊穿事故發(fā)生。檢驗(yàn)電路中直流電極容易在高壓電纜內(nèi)部產(chǎn)生聚集空間，在試驗(yàn)過程中應(yīng)抑制電纜局部電場變強(qiáng)避免絕緣弱點(diǎn)暴露。

4.2 氣體絕緣開關(guān)試驗(yàn)

由于電氣設(shè)備在長途運(yùn)輸?shù)倪^程難免出現(xiàn)磕碰和其他不可控因素導(dǎo)致設(shè)備氣體絕緣開關(guān)出現(xiàn)松動甚至脫落的情況。對氣體絕緣開關(guān)試驗(yàn)是保障電氣設(shè)備日后穩(wěn)定運(yùn)行的第一步。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示當(dāng)高壓試驗(yàn)頻率在35～75Hz 時(shí)，結(jié)果可置信度高達(dá)95%以上。因此試驗(yàn)前，試驗(yàn)人員應(yīng)提前控制好裝置的輸出頻率。試驗(yàn)過程中待測氣體絕緣開關(guān)如果不產(chǎn)生發(fā)電、閃爍或絕緣性能改變等異常，則表示該開關(guān)可以正常使用無安全隱患[5]。

4.3 交流耐壓試驗(yàn)

定子繞組絕緣性能的好壞直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)能否穩(wěn)定持續(xù)的向外輸出電流，進(jìn)而也就關(guān)系到供電公司運(yùn)行是否安全可靠。在傳統(tǒng)的交流耐壓試驗(yàn)中調(diào)節(jié)電壓和電流方案并不是理想，導(dǎo)致因試驗(yàn)設(shè)備故障短路引發(fā)的鐵芯燒毀現(xiàn)象屢見不鮮，為電氣公司帶來經(jīng)濟(jì)損失。串聯(lián)諧振裝置可以直接在電氣設(shè)備的鐵芯氣隙的基礎(chǔ)上完成電感變換，協(xié)調(diào)電流和電壓頻率和輸出波形完美化解此類技術(shù)難題。

5 案例簡析

公司在選擇串聯(lián)諧振裝置完成電纜高壓試驗(yàn)時(shí)，選取電力電纜長度可以達(dá)到1000m，加載電壓需要達(dá)到14kV 交流電壓，頻率調(diào)節(jié)過后，隨后分別對電抗器的數(shù)量及規(guī)格、變頻控制器電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使試驗(yàn)頻率和工作頻率吻合。此時(shí)電容數(shù)值為0.411uF，通過對比激勵變壓器，得到串聯(lián)諧振裝置的電抗值較高。試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型為：

式中：C為電路常參數(shù)；C1+C2為分壓器電容總和；Cx為試驗(yàn)電容。

當(dāng)試驗(yàn)電容和電纜容量出現(xiàn)同時(shí)比分壓器電容小的情況時(shí)，諧振回路的電容應(yīng)當(dāng)與電容一致。試驗(yàn)過程中借助電抗器通入1.2A 電流中完成耐壓試驗(yàn)，時(shí)長5min，并未發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)電纜被擊穿或出現(xiàn)絕緣閃絡(luò)情況，則證明該電纜合格可放心使用。

6 提升電氣設(shè)備高壓試驗(yàn)安全性的相關(guān)舉措

6.1 提升對裝置接地不良的重視程度

在利用傳利諧振設(shè)備進(jìn)行電氣高壓試驗(yàn)的過程中，為順利進(jìn)行電壓試驗(yàn)，且確保安全性，相關(guān)測試人員需要重視電氣設(shè)備高壓TV 以及TA 的二次繞組情況，接地不良不僅會影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性更有可能對測試人員生命健康造成威脅。極其重要的是在進(jìn)行電氣設(shè)備交流耐壓測試時(shí)，相關(guān)人員需要具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，對設(shè)備了如指掌包括設(shè)備的電容和電流，結(jié)合實(shí)際的電流強(qiáng)度對電氣高壓試驗(yàn)中試驗(yàn)設(shè)備電壓運(yùn)行的分析，確保試驗(yàn)?zāi)軌虬踩M(jìn)行。

6.2 注重引線的作用

引線在試驗(yàn)中具有建設(shè)性的作用，一般，在試驗(yàn)過程中需要拆除達(dá)幾百兆歐電阻的絕緣帶，否則就相當(dāng)于在電路上增加另一個(gè)電阻器，影響到電氣高壓試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

7 結(jié)語

為確保串聯(lián)諧振裝置能夠在電氣設(shè)備高壓試驗(yàn)中發(fā)揮出應(yīng)有的檢測作用，需要加強(qiáng)串聯(lián)諧振裝置整體管控力度，對電力高壓試驗(yàn)方案進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)并結(jié)合不同的試驗(yàn)環(huán)境及結(jié)果進(jìn)行針對性優(yōu)化。經(jīng)討論分析本文發(fā)表對電氣設(shè)備試驗(yàn)工作具備一定的借鑒性質(zhì)。