諧振電路在發電機老化試驗中的運用

陸 荃

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

0 引言

隨著電廠的發展，大量發電機、主變、電纜需要進行交流耐壓相關試驗，工頻耐壓時，龐大笨重的交流耐壓試驗設備的運輸、布置和大容量試驗電源都會給現場造成層層困難。為解決此類問題，可采用諧振裝置進行交流耐壓試驗，以克服上述矛盾。諧振電路具有以下優點：

（1）所需電源容量大大減小。串聯諧振電源是利用諧振電抗器和被試品電容諧振產生高電壓和大電流的，在整個系統中，電源只需要提供系統中有功消耗的部分，因此，試驗所需的電源功率只有試驗容量的1/Q。

（2）設備的重量和體積大大減少。串聯諧振電源中，不但省去了笨重的大功率調壓裝置和普通的大功率工頻試驗變壓器，而且，諧振激磁電源只需試驗容量的1/Q，使得系統重量和體積大大減少，一般為普通試驗裝置的1/10～1/30。

（3）改善輸出電壓的波形。諧振電源是諧振式濾波電路，能改善輸出電壓的波形畸變，獲得很好的正弦波形，有效的防止了諧波峰值對試品的誤擊穿。

（4）防止大的短路電流燒傷故障點。在串聯諧振狀態，當試品的絕緣弱點被擊穿時，電路立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗電流的1/Q。所以，串聯諧振能有效的找到絕緣弱點，又不存在大的短路電流燒傷故障點的憂患。

（5）不會出現任何恢復過電壓。試品發生擊穿時，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧即刻熄滅，且恢復電壓的再建立過程很長，很容易在再次達到閃絡電壓前斷開電源，這種電壓的恢復過程是一種能量積累的間歇振蕩過程，其過程長，而且，不會出現任何恢復過電壓。

1 老化試驗

1.1 試驗目的

馬跡塘電廠1號發電機于1983年投入運行，至今已有33年，作為ELIN公司在我國投運最早，運行時間最長的低水頭貫流式機組，目前需要對其絕緣系統進行評測，以判斷機組絕緣老化水平。

1.2 發電機有關參數（表1）

表1 發電機參數

1.3 試驗項目及試驗方法

1.3.1 整相繞組絕緣測量及直流耐壓試驗

分別施加 5 kV、8 kV、11 kV、15 kV 直流電壓，每個電壓等級下從15 s、1 min、到15 min每分鐘讀取并記錄電流、電壓等數值。每個電壓等級試驗完成后，必須將試驗電壓降到零并短路放電10 min，重新加壓進行下一個電壓等級試驗。

1.3.2局放試驗

（1）依圖1接線，進行方波校準。

圖1 局放試驗接線圖

（2）不接試品，做背景放電量測試。

（3）將被試繞組接入，施加電壓分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2倍相電壓，讀取高壓側電流和電壓值。

1.3.3 介損tgδ（%）及增量Δtgδ（%）的測量及電容

增加率試驗

根據局放試驗中局放起始放電電壓情況確定起始游離電壓U0，按接線圖2接線，按高壓介損設備操作方法進行調整，然后升壓分別至0.2、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0倍相電壓，測量此時的介損和電容（期間需要測量U0時的介損和電容值）。介損增量取：Δtgδ= tgδ0.8 Un-tgδ0.2Un（%）依次測量各相（或分支）繞組的上述介損值和電容值。

圖2 高壓介損設備測量介損接線圖

2 試驗加壓設備選型

試驗的關鍵步驟就是加電壓升電流，對于發電機這種大容量設備，利用普通的試驗變壓器升到試驗電壓比較困難，用大容量的變壓器，一是設備龐大笨重，對設備的運輸、布置都比較麻煩，費時費力。二是大容量試驗電源在現場不易取得。馬跡塘1號發電機電容量大約0.6μF，試驗電壓為7.3 kV，工頻下需要試驗變壓器容量為：

式中：Pn-標稱試驗變壓器容量（kVA）；k-安全系數；Un-試驗變壓器的額定輸出高壓的有效值（kV）；ω-角頻率，ω=2πf，f為試驗電源的頻率；C-被試品的電容量（pF）。

取最小安全系數k=1需變壓器容量

高壓側電流：I=Unω C10-9=1.375 A

而馬跡塘所使用的預試變壓器容量只有5 kVA，高壓側額定電壓50 kV，高壓側額定電流0.1 A，如果用常規試驗方法不能滿足試驗要求，可以利用諧振電路減小所需試驗變壓器容量，達到試驗要求。

3 諧振電路及運用

一個包含有電感和電容的無源一端口網絡，其入端阻抗或導納一般為一復數。但在某些特定的電源頻率下，其入端阻抗或導納的虛部可能變為零，此時阻抗或導納呈純電阻特性，使端口電壓與電流成為同相。無源一端口網絡出現這種現象時稱為處于諧振狀態。下面分別討論串聯諧振與并聯諧振現象。

3.1 串聯諧振

圖3 RLC串聯電路

圖3為電阻、電感和電容的串聯電路，當外施的正弦電壓角頻率為ω時，它的入端阻抗為：

由式可見，RLC串聯電路中感抗ωL與容抗是直接相減的。一般情況下X≠X，即LC則阻抗的虛部X不為零，阻抗角也不為零，此時端電壓與電流不同相。當激勵電壓的角頻率變化時，感抗ωL與容抗都發生變化。當時，電抗電路的入端阻抗Z=R為純電阻。此時電壓和電流同相位，電路產生諧振現象。此種電路因為L與C是相串聯的，所以稱為串聯諧振。電路發生串聯諧振的條件為電抗值等于零，即

電路發生諧振時的角頻率稱為諧振角頻率，用ωL來表示

電路諧振頻率為

電路發生諧振時，電路的總電抗X=0，但感抗XL與容抗XC本身并不為零，它們的值為

ρ稱為諧振電路的特性阻抗，其單位為Ω。

電路諧振時，電感電壓等于電容電壓，且二者相位差為180°，故互相抵消。

電阻上的壓降等于外加電壓。電壓與電流的相量圖如圖3所示。

串聯諧振時，電路儲存于電感中的磁場能與儲存于電容元件中的電場能之間進行能量交換。

3.2 并聯諧振

除了RLC串聯諧振電路外，并聯RLC諧振電路也被廣泛采用。RLC并聯諧振電路如圖4所示。它的入端導納為

圖4 RLC并聯電路

由此式可見，當選擇L或C的參數使之滿足并聯電路的感納與容納相等，即則此時導納的虛部為零，導納成為純電導，Y=1/R電路入端電壓U與電流I相位相同。這種情況就稱為RLC并聯電路諧振。由上述可知，并聯諧振的角頻率為ω0

并聯諧振的條件是感納與容納相等 BL= BC，或此時電路入端電流

各元件上電流分別為

各電流相量如圖4所示。并聯諧振時，若外加電壓不變，則諧振時流入的電流最小，此電流等于電阻上流過的電流。電感上無功電流LI˙的幅值與電容上無功電流CI˙的幅值相等，相位差為180°，二者互相抵消，故并聯諧振又被稱為電流諧振。并聯諧振電路的品質因數定義為電路感納（或容納ωC）

0與電導之比，即

品質因數也等于電感電流的幅值（或電容電流的幅值）與流過電阻的電流幅值之比

由此我們可以得出：串聯諧振通過諧振使容性負載（被試設備）獲得Q倍高壓的考驗。并聯諧振通過諧振使容性負載（被試設備）獲得Q倍電流的考驗；上述Q值皆是諧振回路品質因數，它的高低往往取決于參與諧振的“諧振電抗器”制作水平的高低。一般品質因數可達到10～30。在整個系統中，電源只需要提供系統中有功消耗的部分，因此，試驗所需的電源功率只有試驗容量的1/Q。

3.3 諧振電路在試驗中的運用

馬跡塘1號機老化試驗中的局放試驗，采用串聯諧振方式，根據上述串聯諧振計算公式得出，用22.7 H和45 H電感器串聯后和22.7 H電感器并聯再與被試發電機串聯，額定容量8 kVA輸入電壓0～450 V，輸出電壓0～1.0×3 kV的勵磁變壓器加壓完成試驗。

介損測量試驗中，我們采用并聯諧振方式，測量采樣電容為0.5 μF，根據上述并聯諧振計算公式得出，用兩個18 H電感器并聯后再與發電機并聯，用額定容量5 kVA，高壓側額定電壓10 kV，額定電流0.5 A的變壓器加壓完成試驗。

4 結束語

當試驗電壓、被試品電容量較大時，在現場進行此類試驗時，最合適的辦法是采用串、并聯諧振變頻試驗方法，一方面變頻電源改變試驗頻率，最終達到另一方面在試驗回路中串入電抗器產生串聯諧振來達到被試品試驗電壓；在被試品回路中并聯電抗器使試品電容電流大部分由電抗器來補償，降低對試驗變壓器（勵磁變壓器）的要求，這樣試驗設備就比較容易滿足試驗要求了。

參考文獻：

[1]陳忠.串聯諧振耐壓試驗的現場問題及解決方法[J].電網技術，2006（S1）.

[2]閆永利，閆軍.工頻串聯諧振耐壓裝置現場試驗參數配合的計算及調整 [J].高壓電器，2004（05）.