串聯諧振在大型發電機流耐壓試驗中的應用

閆文華

（中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610225）

0 引言

交流耐壓試驗是鑒定電力設備絕緣強度的最嚴格、最有效和最直接的試驗方法之一，也是確保設備絕緣水平、避免發生絕緣事故的重要手段。

交流耐壓試驗雖對發現絕緣缺陷有效，但受試驗條件限制。600MW以上水輪發電機耐壓試驗因電容電流較大(2.0～2.5μF)，目前這樣的高電壓試驗變壓器及調壓器尚不夠普遍。在工頻條件下，由于被試品電容量較大，或者試驗電壓要求較高，對試驗裝置的電源容量相應的也有較高的要求，傳統的工頻耐壓裝置（交流耐壓試驗變壓器）往往單件體積大、重量重、不便于現場搬運，而且不便于任意組合，靈活性較差。相比，串聯諧振試驗裝置（體積與重量約為傳統試驗變壓器的1/4～1/5）體積小、重量輕、易搬動，而且是分件式設計，便于根據現場需求靈活配置電抗器的個數，大大降低了勞動強度，提高工作效率。串聯諧振試驗裝置廣泛用于電力、冶金、石油、化工等行業，適用于大容量，高電壓的電容性試品的交接和預防性試驗。

1 串聯諧振原理介紹

1.1 諧振原理

諧振是由R、L、C元件組成的電路在一定條件下發生的一種特殊現象。首先，我們來分析RLC串聯電路發生諧振的條件和諧振時電路的特性。

圖1 諧振原理圖

串聯諧振系統又分調感型諧振及調頻型諧振，這兩種諧振實現諧振的方式不同，調感型是通過調節電感使試驗回路產生諧振，而調頻型是通過調節試驗頻率使試驗回路產生諧振，但結果卻是一致的，即在輸入小容量的電源在被試品上能獲得需要的大容量的輸出。諧振原理圖如圖1所示。

這樣針對繞組式的被試品，如發電機的定子繞組和變壓器高低壓繞組，根據國家標準采用工頻諧振做工頻耐壓試驗；針對電纜、開關和GIS等試品，可采用變頻諧振做耐壓試驗。

電抗器L上獲得的容量SL=I2·ωL

激勵變的輸出容量為：

S=U·I=UR·I=I2R

因此，品質因數：

因為ωL＞＞R，故Q＞＞1.

由此可見，適當地設計回路的品質因數值，則諧振系統可在被試品Cx上獲得Q倍輸入電源的容量。串聯電路的諧振頻率是由電路自身參數L、C決定的.與外部條件無關，故又稱電路的固有頻率。當電源頻率一定時，可以調節電路參數L或C，使電路固有頻率與電源頻率一致而發生諧振；在電路參數一定時，可以改變電源頻率使之與電路固有頻率一致而發生諧振。

1.2 串聯諧振的品質因數：

串聯電路諧振時，其電抗X(ωo)=0，所以電路的復阻抗：

Z（ω0）=R

呈現為一個純電阻，而且阻抗為最小值。諧振時，雖然電抗X=XLXc=0，但感抗與容抗均不為零，只是二者相等。我們稱諧振時的感抗或容抗為串聯諧振電路的特性阻抗，記為ρ，即:

ρ的單位為歐姆，它是一個由電路參數L、C決定的量，與頻率無關。

工程上常用特性阻抗與電阻的比值來表征諧振電路的性能，并稱此比值為串聯電路的品質因數，用Q表示，即:

品質因數又稱共振系數，有時簡稱為Q值。它是由電路參數R、L、C共同決定的一個無量綱的量。

3）串聯諧振時的電壓關系

諧振時各元件的電壓分別為:

即諧振時電感電壓和電容電壓有效值相等，均為外施電壓的Q倍，但電感電壓超前外施電壓900，電容電壓落后外施電壓900，總的電抗電壓為0。而電阻電壓和外施電壓相等且同相，外施電壓全部加在電阻R上，電阻上的電壓達到了最大值。

在電路Q值較高時，電感電壓和電容電壓的數值都將遠大于外施電壓的值，所以串聯諧振又稱電壓諧振。

諧振試驗裝置采用調整電感或頻率的方式來調諧，可方便、準確的找到諧振點，從而可以達到30～80的高品質因數，使得系統輕巧簡便；在回路諧振的條件下調節變頻電源輸出電壓使試品電壓達到試驗值。由于回路的諧振，變頻電源較小的輸出電壓就可在試品Cx上產生較高的試驗電壓。而諧振固有的濾波效應使得系統輸出的波形完美和諧。

1.3 諧振升壓裝置組成

諧振升壓裝置由諧振操作臺、激勵變壓器、電動調壓器、可調電抗器、固定電抗器、分壓器和硅堆組成。

1.4 調頻式串聯諧振原理圖：

圖3 發電機耐壓試驗接線圖

先由變頻器經過勵磁變壓器向主諧電路送入一個較低電壓Ue，調節變壓器的輸出頻率，當頻率滿足條件時，電路即達到諧振狀態。此時在較小的勵磁電壓下，使被試品Cx上產生幾十倍于Ue的電壓Ucx。

諧振時，被試品上的電壓與電流的關系為：

輸出電壓Ucx與勵磁電壓Ue之比為試驗回路的綜合品質因數Q：

從上述工作原理可以看出：

品質因數越高，所需的電源容量越小。

諧振電抗器L與被試發電機Cx處于諧振狀態，此電路形成一個良好的濾波電路，故輸出電壓Ucx為良好的正弦波形。

被試電纜發生擊穿時，失去諧振條件，高壓電路和低壓電源回路的帶暖流反而減小，故絕緣擊穿處的電弧不會將故障點擴大，便于檢修。

2 諧振裝置交流耐壓試驗中的應用

2.1 試驗目的

發電機定子交流耐壓試驗是鑒定定子線圈絕緣強度最直接的方法，它對于判斷電氣設備能否投入運行具有決定性的意義，也是保證定子絕緣水平、避免發生絕緣事故的重要手段。因為交流耐壓試驗能充分反映電氣設備在交流電壓下運行時的實際情況，能真實有效地發現絕緣缺陷。

2.2 試驗標準

根據《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》GB50150-2006、《電力設備預防性試驗規程》DL/T596-1996以及合同規定進行耐壓試驗。

單個線棒耐壓：57.5KV，1min；

下層線棒嵌裝后：52KV，1min；

上層線棒嵌裝后：52KV，1min；

繞組全部安裝完成后：43KV，1min。

2.3 發電機參數

發電機型號：SF600-36/12000

額定功率：667MVA

額定電壓：20KV

額定電流：19254.6A

額定功率因數：0.9(滯后)

額定轉速：166.7r/min

支路數量：6

定子絕緣等級：F

定子繞組電容：5.35μF（三相對地）

2.4 定子線圈交流耐壓試驗

根據天津阿爾斯通提供的錦屏二級水電站發電機主要特征所列出的技術數據：定子繞組每相對地電容為1.783μF。

1）工頻諧振耐壓試驗變壓器容量選擇

在下層線棒及上層線棒嵌裝完畢，整體耐壓時，試驗設備所需容量最大。

根據對定子繞組電容量的計算C=1.78μF，

試驗變壓器高壓側所需電流，按下式計算：

試驗變壓器容量的理論計算按下式計算：

匹配電感量按下式計算：

C=2.45μF時，L=4.13556H

錦屏二級電站發電機定子交流耐壓試驗選用DH-X（L）-2200kVA/55kV調感式串聯諧振試驗裝置，高壓側額定電流50 A，比上述計算值大，考慮到下層線棒耐壓47 kV，所以選高壓側額定電壓55 kV，也比整體耐壓值43 kV高，所以，在試驗變壓器的選擇時，首先需要估算電機電容量的實際最大值，再考慮其高壓側額定電壓應不低于被試物的試驗電壓，還要計算并考慮額定電流應不低于被試物的最大電容電流。同時，考慮到經濟性及估算的偏差，交流諧振試驗裝置要考慮留5%～10%的余量。因此DH-X（L）-2200kVA/55kV型工頻諧振試驗裝置，可完全滿足錦屏二級水電站發電機交流耐壓試驗要求。

2.5 試驗注意事項

1）應將被試品繞組自身的兩端短接，非被試品繞組亦應短接并與外殼連接后接地。

2）交流耐壓試驗時加至試驗電壓后的持續時間，如無特殊說明則均為1min。

3）升壓必須從零開始，切不可沖擊合閘。升壓速度在75%試驗電壓以前，可以是任意的，自75%電壓開始應均勻升壓。

4）耐壓試驗后，迅速均勻降壓到零，然后切斷電源。

3 結論

本文通過對錦屏二級水電站發電機定子線圈耐壓試驗結果分析，得出以下結論：

1）采用串聯諧振耐壓試驗技術可完成常規試驗變壓器不能解決的大型水輪發電機組耐壓試驗。

2）采用串聯諧振方法，試驗容量、設備重量與體積大幅減小，更適用于現場試驗，并具有防止大短路電流燒傷故障點、不出現任何恢復過電壓、抑制高次諧波的顯著優點。

3）由于諧振裝置的固定電抗器和可調電抗器隨不同電容量的被試品而變化，所以其使用范圍受一定限制。

4）串聯諧振耐壓裝置在以下方面均具有實用性：

①6kV-500kV高壓交聯電纜的交流耐壓試驗；

②6kV-500kV變壓器的工頻耐壓試驗；

③GIS和SF6開關的交流耐壓試驗；

④發電機的交流耐壓試驗；

⑤其它電力高壓設備如母線，套管，互感器的交流耐壓試驗。

［1] GB50150—20O6電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S] ．

［2] DL/T 596—1996電力設備預防性試驗規程[S] ．

［3] JB_T6204-2002高壓交流電機定子線圈及繞組絕緣耐壓試驗規范[S] ．

［4] 鄔偉民.高壓電氣設備現場試驗技術365問[M] .水利電力出版社.