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1、SYEC 变频串联谐振试验电源现 场 试 验 技 术 汇 编上 海 思 源 电 气 股 份 有 限 公 司SHANGHAI SIYUAN ELECTRIC Co.,LTD原 理 部 分（本文主要讨论容性负载的现场高压试验方法）一、 概述1.1绝缘耐压试验分为直流耐压试验和交流耐压试验两种，交流耐压又分为工频（近工频）高电压试验、冲击高电压试验等。1.2 绝缘相关及高压试验技术的一个通用原则是：试品上所施加的试验电压场强必须模拟高压电器的运行工况。高压试验得出的通过与不通过的结论要能代表高压电器中的薄弱点是否对今后的运行带来危害。这就意味着试验中的故障机理应与电器运行中的机理有相同的物理过程。为
2、了加速这一物理过程，试验电压要高于运行电压。根据上述原理，实践中高压电器的交直流耐压试验、雷电冲击、操作冲击试验是最典型的应用。1.3耐压试验的物理模型一切绝缘体，在电场作用下等效模型如右图的多个电路串并联组成，对于不同的材料的绝缘设备，其电容及电阻大小是不同的。一切耐压都是建立在此模型的基础上的。不同的耐压方法它所产生的电压都将加在此模型上；对于直流耐压试验，加在绝缘体上的电压是按照电阻分布的，对于交流耐压试验则是按照电容分布的，选择那种耐压方法是根据绝缘材料的特性和应用场合等多种因素决定地。例如：油纸绝缘电缆采用直流电源试验取得了很成功的试验成果，但直流试验却不适合于交联电缆的试验。实践证
3、明，直流耐压对GIS、GIT、GIB也没有效果。 所以现场试验最佳的电源是工频电源，如试验室的电源45-65Hz。根据CIGRE WG21.9的建议导则，现场的电缆、GIS试验采用更大频率范围的30-300Hz。现场局放测量可以将产品出厂试验的数据用于现场试验中。二、 产生高电压电源的设备2.1直流电源2.1.1工频高压整流为获得直流高电压，通常采用工频高电压经高压硅堆整流而变换成直流高压的方法，如图2.1-1，图中高压变压器输出高压经过高压负半波整流后得到高压，该类设备一般用于电压较低的场合。 图2.1-1 图2.1-22.1.2串级直流高压发生器利用倍压整流电路作为基本单元，多级串联起来，
4、即可组成一台串级直流高压发生器，如图2.1-2，图中输入电源一般为中频电源，经变压器隔离升压，经过倍压回路产生直流高电压。该设备有重量轻、可移动性好、容量低等优点。2.2交流电源2.2.1传统的试验变压器，可带补偿电抗器，工频。 图2.2-1 图2.2-22.2.2可调电感式谐振系统，工频。2.2.3调频式谐振系统，固定电抗器，通过变频电源将一可调频率电压加到试品上，改变频率以大到谐振。2.2.4超低频交流电源、振荡电源、冲击电源等，略三、 定义及基本原理1.1直流试验电压值 是指它的算数平均值。1.2串联谐振由电感（感性试品）与电容（容性试品）以及中压电源串联组成。改变回路参数或电源频率，回
5、路即可调谐至谐振，同时将有一个幅值远大于电源电压，且波形接近于正弦波的电压加在试品上。谐振条件和试验电压的稳定性取决于电源频率和试验回路特性的稳定性。当试品放电时，电源输出的电流较小，从而限制了对试品绝缘的损坏。当试品（如电容、电缆或气体绝缘的试品）的外绝缘上泄漏电流同流过试品电容电流相比很小或者形成破坏性放电的能量很小时，串联谐振回路特别有用。谐振原理：如图：1.1-1图中R等效为电抗器L的内阻感抗：XL=2f L容抗：XC=1/2fC串联回路总阻抗：Z=R2+(XL -XC)2UR2+( XL XC)2UZ串联回路电 流：I= =电容上的电压为：UC=IXC12LC当XL = 2f LXC
6、=1/2fC时，回路阻抗有最小值：Z=R有：2f L1/2fC f即串联回路频率特性满足f1/2LC时，回路阻抗有最小值Z=R，我们称此时为串联谐振状态。当串联回路处于谐振状态时，电容上的电压为：XCRXLRU XCR2+( XLXC)2UC=IXC= =U = U =UQ(电抗器品质因素)由上式可以看出在电容上的电压UC高于电源输入电压U的Q倍，在工程应用中，电抗器品质因素（Q）一般取几十到几百。当串联回路在谐振状态时，Z=R2+( XL -XC)2 =R 回路成阻性，电感上的电流IL和电容上电流IC方向相反，大小相等，相互抵消。回路中的视在功率为：S= UI有功功率为：P= I2R无功功率
7、为：Q= I2(XL XC)=0电感上和电容上的无功功率为： Q L= Q C = UC I= UL I在工程实际应用中a.谐振回路的有功损耗还有电晕、电导损耗、频率损耗等，故有功损耗将会大于I2R。b.谐振回路中的电阻是等效出来的，其实际是电抗器的内阻rL和电容器的等效损耗电阻rC之和，所以工程中所测电压和电流之积为电抗器或电容器上的视在功率。c.谐振回路中的电源提供容量（有功功率等于视在功率），为电抗器上所产生容量的1/Q倍（Q为谐振回路的品质因素）。1.2并联谐振由电感（感性试品）与电容（容性试品）以及中压电源并联组成。改变回路参数或电源频率，回路即可调谐至谐振，同时将有一个幅值远大于电
8、源电流，且波形接近于正弦波的电压加在试品上。谐振条件和试验电压的稳定性取决于电源频率和试验回路特性的稳定性。当试品放电时，电源输出的电流较小，从而限制了对试品绝缘的损坏。1.3谐振电抗器用于同试品电容进行谐振，以获得高电压或大电流的电抗器。1.4电容分压器采用电容元件，由高压臂和低压臂组成的转换装置。输入电压加到整个装置上，而输出电压则取自低压臂。通常低压臂输出电压恒定为100VAC。1.5励磁变压器 用于给谐振电抗器、试品提供能量的变压器。1.6变频电源可连续调整输出频率和电压的电源转换设备。1.7峰值表能够测量交直流电压的各种参数的仪表。峰值表常与分压器组合，测量高电压的1.8高压电流流过
9、谐振电抗器、试品的电流，等于谐振回路电流。1.9励磁电压励磁变压器的输入电压。1.10励磁电流励磁变压器的输入电流。1.11电压比（占空比）在变频电源的逆变电路中，逆变电路为开关电路，电压的调节是以开关开通的时间来控制的。电压比指的是开关开通时间与关断时间之比。在串联谐振回路，电压比是相对量，相对控制变频电源输出电压或容量。1.12 品质因素（Q值）试品所获得的容量与励磁变压器输出容量之比。在串联谐振回路，可用试品的电压值与励磁变压器的输出电压之比或串联谐振回路的无功与有功之比代替。品质因素主要取决于谐振电抗器的品质因素，约等于谐振电抗器的感抗与直流电阻之比。1.13试验电压值试验电压值指其峰
10、值除以21.14容许偏差在整个试验过程中试验电压的测量值应保持在规定电压值的1以内；当试验持续时间超过60s时，在整个试验过程中试验电压测量值可保持在规定电压值的3以内。四、 各类变频电源及原理变频电源通常是交直交电路，即交流电源经过半导体整流后变换成直流，然后再通过半导体逆变电路变换成交流，通过控制逆变电路可以改变逆变输出的频率和电压。在交流电源变换成直流电时，通常采用全桥（可控）整流，通过电容组虑波。直流变换交流有多种控制方式和多种逆变功率器件，但逆变电路相同，如图4-14.1推挽式变频电源（低干扰）早期的大功率逆变电路采用几百个或更多功率放大晶体管串并联组成，通过控制放大晶体管的基极时间
11、和电流控制输出电压、电流和频率。由于该类逆变采用较多晶体管串并联，故电路的可靠性降低，在实际应用中，晶体管损坏较多。但该变频电源由于采用推挽方式，可用在低干扰要求的场合，如局放测量等。4.2低干扰变频电源 随着大功率半导体器件的应用有上述原理可知，变频电源的输出的波形并不是正弦波，其基波是方波，那么试验电压波形是如何满足1失真度的要求呢。我们从高压谐振回路来分析，当串联谐振回路产生谐振时，其激励频率只有一个，即为变频电源的基波频率，且该频率的电压被放大Q倍，而非谐振频率则被衰减Q倍变频串联谐振原理五、 电力系统试验简介现给出人身与带电体的最小安全距离，以供试验时参考。试验时带电体与试验人员的距
12、离不得小于规定距离。带电体电压（kV）10及以下3560110154220330500最小安全距离（m）0.40.60.71.01.41.82.63.6VFSR系列变频串联谐振成套试验装置一、 产品简介图、变频串联谐振试验成套装置原理图VF: 变频电源 T: 励磁变压器L: 试验电抗器 Cx: 试品 C1、C2: 分压器 其中C1为分压器高压臂、C2为分压器低压臂 MOA1： 避雷器主交流电送入变频电源，经整流转换为幅值恒定的直流电压,直流电压经变频电源逆变器调制变为频率脉宽 (或称占空比)可调的方波，整个控制过程由计算机完成。方波电压经滤波环节等处理后由变频电源的变频输出口输出，输出电压经电
13、缆送励磁变压器T的低压侧，经励磁变压器T升压后送由高压电抗器L、负载CX和分压器（C1、C2）构成的串联谐振回路，谐振频率由电抗器电感及负载CX和分压器的电容共同决定。通过调节变频电源输出频率使串联谐振回路发生串联谐振，在回路谐振的条件下再调节变频电源输出电压使试品电压到达试验值。由于回路的谐振，变频电源较小的输出电压就可在试品CX上产生较高的试验电压。1.1变频电源1.1.1原理介绍变频电源是由变频控制器和滤波器组成。在系统中变频电源的主要作用是把幅值和频率固定的工频380V的正弦交流电转变成为幅值和频率可调的单方波，并为整套设备提供能量。变频电源具有过流、过压保护，过压保护可整定。当试验电
14、压超过整定值时，控制台自动跳闸。试验人员可直接从变频电源控制面板上读取直流电压、电流、当前工作频率、变频电源输出电压及试品上所加谐振电压等信号。其原理框图见图五。变频电源原理图三相系统电源经空气开关K1输入，当合闸按钮按下时，接触器K2闭合，三相系统电源经三相整流桥整流输出直流电压，经R0 限流给C0 充电，四十秒钟后另一接触器K3 闭合，主回路电路接通，这时如果面板操作（或计算机）调整输出电压U1 ，则CPU计算出序列单方波波形，驱动四个IGBT对角导通，则在励磁变付边感应励磁电压，激励电抗器L与试品电容C构成为串联回路，调整频率输出时，CPU重新计算出对应的方波波形，改变励磁变B输出电压的
15、频率，当输出频率接近于电抗器L与电容CX的谐振频率时，则试品上得到比励磁输出电压高Q倍的电压。（Q为L、C谐振回路的品质因数）。变频电源集电源、保护、测量于一体。具有IGBT保护、过流保护、过压保护、放电保护、进线保护等可靠的保护功能，保证试验人员和试品的安全。测量部分：试验人员可直接从变频电源控制面板上读取输入电压、电流、当前工作频率、变频电源输出电压、电流及试品上所加谐振电压等信号。1.1.2使用注意事项a.变频电源输出不可一端接地，且此时接地，变频电源无保护，易导致变频电源致命损坏。b.变频电源外壳在试验时需可靠接地。c.变频电源在使用时应注意防水和灰尘侵入，显示屏应避免受太阳直射d.变
16、频电源使用时应在通风的环境下，在满功率使用规定时间后，应注意散热。1.2励磁变压器励磁变压器的作用是将变频电源的输出电压升到合适的试验电压，满足电抗器、负载在一定品质因数下的电压要求（励磁变压器的容量一般与变频电源相同）。励磁变压器设计满足ZBK41006-89及GB1094.1 - GB1094.6-96标准，高低压绕组之间设静电屏蔽层，频率满足30300Hz要求。有14个绕组，满足不同电压等级、不同容量的试验要求,通常励磁变绕组个数与电抗器个数相同，在使用时则根据电抗器使用情况而定，电抗器串联则励磁变绕组也串联，电抗器并联则励磁变绕组也并联。如图1.2-1所示：一台YDC-50/3，6 的
17、励磁变压器，输入为a、x，400V，输出为A1、X1，A2、X2，每个绕组额定电压为3000V，额定电流为8.3A，当A1和A2短接，X1和X2短接，处于绕组并联，则高压侧输出电压为3kV,输出电流为 图1.2-116.6A；当X1和A2短接，处于绕组串联，则高压侧输出电压为6kV,输出电流为8.3A。 使用注意事项： 由图可以看出，励磁变压器静电屏在出厂前已与X2（Xn n最大端子）连接，故在接线时应把X2（Xn n最大端子）接地，否则会导致励磁变损坏。1.3试验电抗器绕制注意事项：涡流等电抗器的接线较为简单，可根据情况进行串、并联，以满足电压和电流的需要。如下图所示： 电抗器的串、并联接线
18、示意图1.4电容分压器高压分压器是高电压测试器件，它由高压臂C1和低压臂C2组成，C1和C2采用同种材料制成，受温度影响较小，测量信号从低压臂C2上引出，作为高电压测量和保护信号。如果不考虑寄生电感的影响，分压比N实际上与频率无关。N（分压器的高压臂一般由单节或多节组成，可以适用于不同电压等级。分压器的低压臂如需要监测波形，则有两个输出孔，一只用于信号的测量，另一个用于谐振电压波形的检测。1.5谐振电容器谐振电容器的配置是为了在进行容量较小的试品试验时，把频率控制在一定的范围内，如工频范围。1.6避雷器是为了防止由于试品击穿或电源突然掉电时，电抗器低压端电位抬高对励磁变压器和电抗器的冲击而采用
19、避雷器保护。二、 技术指标 系统工作温度范围：-1045 系统工作湿度范围：90% 不结露 系统工作地海拔：2000m 系统供电电源电压：380V（220）10、三相（单相）、50/60Hz 系统供电电源容量：10-400kW 变频电源输出频率范围：20400Hz 变频电源输出频率调节分辨率：0.02Hz，不稳定度0.05% 噪声：60dB 系统测量精度：1级 变频电源输出电压：0460V(200) 交流 变频电源额定输出电流：50-850A 系统Q值：20200 (纯容性试品) 系统工作频率范围：30300Hz三、 现场应用3.1电缆试验3.2 GIS（GIB）试验3.2.1气体绝缘金属封闭
20、开关设备（GIS）是把断路器、隔离开关、PT、CT、避雷器等组合在一起，并以SF6气体绝缘的电力设备，一般由2-18个间隔组成，对于220kV以下电压等级的大多采用三相共一金属筒，220kV以上电压等级多采用每项一筒结构。根据IEC517:1990标准规定（等同于GB7674-1997），GIS交流试验电压频率范围10-300Hz，下表是各电压等级GIS的参数表（供参考，现场试验以电力单位试验方案值为准）系统电压等级每间隔电容量最大电压出厂试验电压交接试验电压预防性试验电压试验时间110kV600-800p126184（220）1min220 kV450-650252316（368）1min500 kV550544（592）1min
