高壓變頻串聯諧振耐壓試驗

    現場耐壓試驗取高電壓直接的方法是使用試驗變壓器將電壓升到耐壓試驗所需要的電壓值，但該方法存在很多局限性。被試驗設備電壓等級越高，試驗變壓器的變比就越大，由于試驗電壓比被試設備運行電壓高很多，對變壓器的絕緣水平要求較高，且帶負載能力受到二次繞組的容量和現場試驗電源的很大限制；因此，只有較低電壓等級和較小電容值的被試設備才使用試驗變壓器產生高壓進行耐壓試驗。對于較高電壓等級和較大電容值的被試設備，現場常用串聯諧振方法產生高電壓進行耐壓試驗；對于較低電壓等級和大電容值的被試設備，現場常用并聯諧振方法產生高電壓進行耐壓試驗。并聯諧振方法主要用于電力電纜的交流耐壓，它較好地滿足了被試設備較大電力的要求，但產生的電壓并不高，本文對這種方法不進行討論。串聯諧振產生高電壓方法的應用較為廣泛，但現場使用這種方法進行耐壓試驗時也遇到不少問題。本文主要就變頻串聯諧振耐壓試驗的原理及應用進行分析與研究。
    
    一、對高壓電氣設備進行交流耐壓試驗的必要性
    (1)直流耐壓試驗不能反映設備實際工況下的電場分布，難以正確發現高壓電氣設備的內部缺陷。直流電壓下，電氣元件上的電壓按電阻分布，交流電壓下電氣設備上的電壓則是按介電常數分布，它反映實際運行的情況。例如:對于交聯電纜、全膜或紙膜電容器，其固體介質的電阻率可高達1-100EΩ*m，當其電容元件絕緣薄膜絕緣不良時，其電阻率可大幅下降，只有原電阻率的幾分之一。做直流耐壓時。電阻率高、絕緣良好的電容元件可承受的電壓較不良電容元件反而高出幾倍，使絕緣不良的電容元件反而更容易通過試驗，但在運行電壓下，其絕緣缺陷便會暴露出來，誘發故障。(2)直流電壓可使高壓電氣設備內部的局部放電大為減弱，不利于絕緣缺陷的檢出。高壓電氣設備內部的某些絕緣弱點或極板邊緣電場集中的部位均可能產生局部放電，持續的局部放電對絕緣是有害的。因高壓電氣絕緣的多樣性，在導體和絕緣介質之間往往存在多種絕緣介質，而各種介質的場強分布不同，加壓時，場強較高的介質會先發生局部放電，但是同樣的復合材料，在直流電壓作用下，局部放電會大大減弱。氣隙發生局部放電后產生的正、負離子形成反向電場強度E'，使氣隙中的合成場強下降，使局部放電削弱甚至熄滅。而交流電壓則不然，只要外加試驗電壓高于局部放電起始電壓，每半周內至少會發生兩次局部放電，因此交流耐壓試驗檢出的絕緣缺陷遠比直流耐壓敏感。(3)工頻交流耐壓試驗反映(符合)實際運行電壓波形，與運行中出現的工頻暫態電壓升高的情況較為符合，不存在等價性問題。但工頻耐壓，試驗設備的容量不易解決:工頻耐壓試驗由于其設備龐大笨重，現場運輸困難，一般僅能在現場做110kv電壓等級的GIS和SF6斷路器，且試驗過程中若被試品發生閃絡或擊穿，短路電流極易燒傷被試品。綜上所述，施加交流耐壓才能真實地考核高壓電氣設備的提供質量，才能有效地檢出因各種因素造成的絕緣缺陷，但工頻耐壓存在一些缺陷。
    
    二、變頻串聯諧振耐壓試驗的原理和應用
    (1)根據串聯諧振的原理(見圖1)當L、C、R串聯回路中的感抗與試品容抗相等時，感抗中的磁場能量與試品電容中的電場能量相互補償，試品所需的無功功率全部由電抗器供給，電源只提供回路的有功功率，此時電路的功率因數cosψ=1.0，即電源電壓與諧振回路電流同相位，電感上的電壓降與電容上的電壓降相等，相位相反。
     
    (2)變頻串聯諧振裝置是運用串聯諧振的原理，利用勵磁變壓器激發串聯諧振回路，通過調節變頻電源的輸出頻率，使得回路中的電抗器的電感L和試品電容器的電容C發生諧振，后通過調整勵磁的輸出電壓，使諧振電壓達到所要求的試驗電壓。變頻串聯諧振試驗裝置廣泛應用于電纜、大型電力變壓器、氣體絕緣組合電器(GIS)、電力電容器等高電壓、大容量的電力設備的交流耐壓、感應耐壓等試驗項目中。   
    原理總結:串諧裝置可提供被試設備高于高于電源電壓Q倍的試驗電壓。由于電源容量減小且電感、電容可做成分段式，使試驗設備輕巧，運輸方便，為大容量、長距離現場試驗成為可能并提供極大方便，同時利用試驗頻率允許在一定可調范圍內(30一300Hz)和試驗電抗器固定可調(單一電抗器是不可調的，但是通過串并聯，zong電感可調)的原理，使得系統的柔性大大增加。IEC517和GB7674-1997均認為試驗電壓在10一300Hz范圍內與土頻電壓試驗基本等效。
    調諧式串諧具有體積小、重量輕，消耗的電源能量小，試驗電壓獲得容易，操作方便，省時省工，同時串諧試驗將避免被試設備擊穿時產生過大的短路電流，而使設備進一步受損。但是，在試驗過程中一定要做好一次引線及導電部分的屏蔽，盡量降低線路電暈損耗引起的等效電阻，提高設備品質因數Q，才能保證耐壓試驗順利進行。