串联谐振在大型发电机流耐压试验中的应用

闫文华

（中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都610225）

0 引言

交流耐压试验是鉴定电力设备绝缘强度的最严格、最有效和最直接的试验方法之一，也是确保设备绝缘水平、避免发生绝缘事故的重要手段。

交流耐压试验虽对发现绝缘缺陷有效，但受试验条件限制。600MW以上水轮发电机耐压试验因电容电流较大(2.0～2.5μF)，目前这样的高电压试验变压器及调压器尚不够普遍。在工频条件下，由于被试品电容量较大，或者试验电压要求较高，对试验装置的电源容量相应的也有较高的要求，传统的工频耐压装置（交流耐压试验变压器）往往单件体积大、重量重、不便于现场搬运，而且不便于任意组合，灵活性较差。相比，串联谐振试验装置（体积与重量约为传统试验变压器的1/4～1/5）体积小、重量轻、易搬动，而且是分件式设计，便于根据现场需求灵活配置电抗器的个数，大大降低了劳动强度，提高工作效率。串联谐振试验装置广泛用于电力、冶金、石油、化工等行业，适用于大容量，高电压的电容性试品的交接和预防性试验。

1 串联谐振原理介绍

1.1 谐振原理

谐振是由R、L、C元件组成的电路在一定条件下发生的一种特殊现象。首先，我们来分析RLC串联电路发生谐振的条件和谐振时电路的特性。

图1 谐振原理图

串联谐振系统又分调感型谐振及调频型谐振，这两种谐振实现谐振的方式不同，调感型是通过调节电感使试验回路产生谐振，而调频型是通过调节试验频率使试验回路产生谐振，但结果却是一致的，即在输入小容量的电源在被试品上能获得需要的大容量的输出。谐振原理图如图1所示。

这样针对绕组式的被试品，如发电机的定子绕组和变压器高低压绕组，根据国家标准采用工频谐振做工频耐压试验；针对电缆、开关和GIS等试品，可采用变频谐振做耐压试验。

电抗器L上获得的容量SL=I2·ωL

激励变的输出容量为：

S=U·I=UR·I=I2R

因此，品质因数：

因为ωL＞＞R，故Q＞＞1.

由此可见，适当地设计回路的品质因数值，则谐振系统可在被试品Cx上获得Q倍输入电源的容量。串联电路的谐振频率是由电路自身参数L、C决定的.与外部条件无关，故又称电路的固有频率。当电源频率一定时，可以调节电路参数L或C，使电路固有频率与电源频率一致而发生谐振；在电路参数一定时，可以改变电源频率使之与电路固有频率一致而发生谐振。

1.2 串联谐振的品质因数：

串联电路谐振时，其电抗X(ωo)=0，所以电路的复阻抗：

Z（ω0）=R

呈现为一个纯电阻，而且阻抗为最小值。谐振时，虽然电抗X=XLXc=0，但感抗与容抗均不为零，只是二者相等。我们称谐振时的感抗或容抗为串联谐振电路的特性阻抗，记为ρ，即:

ρ的单位为欧姆，它是一个由电路参数L、C决定的量，与频率无关。

工程上常用特性阻抗与电阻的比值来表征谐振电路的性能，并称此比值为串联电路的品质因数，用Q表示，即:

品质因数又称共振系数，有时简称为Q值。它是由电路参数R、L、C共同决定的一个无量纲的量。

3）串联谐振时的电压关系

谐振时各元件的电压分别为:

即谐振时电感电压和电容电压有效值相等，均为外施电压的Q倍，但电感电压超前外施电压900，电容电压落后外施电压900，总的电抗电压为0。而电阻电压和外施电压相等且同相，外施电压全部加在电阻R上，电阻上的电压达到了最大值。

在电路Q值较高时，电感电压和电容电压的数值都将远大于外施电压的值，所以串联谐振又称电压谐振。

谐振试验装置采用调整电感或频率的方式来调谐，可方便、准确的找到谐振点，从而可以达到30～80的高品质因数，使得系统轻巧简便；在回路谐振的条件下调节变频电源输出电压使试品电压达到试验值。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。而谐振固有的滤波效应使得系统输出的波形完美和谐。

1.3 谐振升压装置组成

谐振升压装置由谐振操作台、激励变压器、电动调压器、可调电抗器、固定电抗器、分压器和硅堆组成。

1.4 调频式串联谐振原理图：

图3 发电机耐压试验接线图

先由变频器经过励磁变压器向主谐电路送入一个较低电压Ue，调节变压器的输出频率，当频率满足条件时，电路即达到谐振状态。此时在较小的励磁电压下，使被试品Cx上产生几十倍于Ue的电压Ucx。

谐振时，被试品上的电压与电流的关系为：

输出电压Ucx与励磁电压Ue之比为试验回路的综合品质因数Q：

从上述工作原理可以看出：

品质因数越高，所需的电源容量越小。

谐振电抗器L与被试发电机Cx处于谐振状态，此电路形成一个良好的滤波电路，故输出电压Ucx为良好的正弦波形。

被试电缆发生击穿时，失去谐振条件，高压电路和低压电源回路的带暖流反而减小，故绝缘击穿处的电弧不会将故障点扩大，便于检修。

2 谐振装置交流耐压试验中的应用

2.1 试验目的

发电机定子交流耐压试验是鉴定定子线圈绝缘强度最直接的方法，它对于判断电气设备能否投入运行具有决定性的意义，也是保证定子绝缘水平、避免发生绝缘事故的重要手段。因为交流耐压试验能充分反映电气设备在交流电压下运行时的实际情况，能真实有效地发现绝缘缺陷。

2.2 试验标准

根据《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》GB50150-2006、《电力设备预防性试验规程》DL/T596-1996以及合同规定进行耐压试验。

单个线棒耐压：57.5KV，1min；

下层线棒嵌装后：52KV，1min；

上层线棒嵌装后：52KV，1min；

绕组全部安装完成后：43KV，1min。

2.3 发电机参数

发电机型号：SF600-36/12000

额定功率：667MVA

额定电压：20KV

额定电流：19254.6A

额定功率因数：0.9(滞后)

额定转速：166.7r/min

支路数量：6

定子绝缘等级：F

定子绕组电容：5.35μF（三相对地）

2.4 定子线圈交流耐压试验

根据天津阿尔斯通提供的锦屏二级水电站发电机主要特征所列出的技术数据：定子绕组每相对地电容为1.783μF。

1）工频谐振耐压试验变压器容量选择

在下层线棒及上层线棒嵌装完毕，整体耐压时，试验设备所需容量最大。

根据对定子绕组电容量的计算C=1.78μF，

试验变压器高压侧所需电流，按下式计算：

试验变压器容量的理论计算按下式计算：

匹配电感量按下式计算：

C=2.45μF时，L=4.13556H

锦屏二级电站发电机定子交流耐压试验选用DH-X（L）-2200kVA/55kV调感式串联谐振试验装置，高压侧额定电流50 A，比上述计算值大，考虑到下层线棒耐压47 kV，所以选高压侧额定电压55 kV，也比整体耐压值43 kV高，所以，在试验变压器的选择时，首先需要估算电机电容量的实际最大值，再考虑其高压侧额定电压应不低于被试物的试验电压，还要计算并考虑额定电流应不低于被试物的最大电容电流。同时，考虑到经济性及估算的偏差，交流谐振试验装置要考虑留5%～10%的余量。因此DH-X（L）-2200kVA/55kV型工频谐振试验装置，可完全满足锦屏二级水电站发电机交流耐压试验要求。

2.5 试验注意事项

1）应将被试品绕组自身的两端短接，非被试品绕组亦应短接并与外壳连接后接地。

2）交流耐压试验时加至试验电压后的持续时间，如无特殊说明则均为1min。

3）升压必须从零开始，切不可冲击合闸。升压速度在75%试验电压以前，可以是任意的，自75%电压开始应均匀升压。

4）耐压试验后，迅速均匀降压到零，然后切断电源。

3 结论

本文通过对锦屏二级水电站发电机定子线圈耐压试验结果分析，得出以下结论：

1）采用串联谐振耐压试验技术可完成常规试验变压器不能解决的大型水轮发电机组耐压试验。

2）采用串联谐振方法，试验容量、设备重量与体积大幅减小，更适用于现场试验，并具有防止大短路电流烧伤故障点、不出现任何恢复过电压、抑制高次谐波的显著优点。

3）由于谐振装置的固定电抗器和可调电抗器随不同电容量的被试品而变化，所以其使用范围受一定限制。

4）串联谐振耐压装置在以下方面均具有实用性：

①6kV-500kV高压交联电缆的交流耐压试验；

②6kV-500kV变压器的工频耐压试验；

③GIS和SF6开关的交流耐压试验；

④发电机的交流耐压试验；

⑤其它电力高压设备如母线，套管，互感器的交流耐压试验。

［1] GB50150—20O6电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S] ．

［2] DL/T 596—1996电力设备预防性试验规程[S] ．

［3] JB_T6204-2002高压交流电机定子线圈及绕组绝缘耐压试验规范[S] ．

［4] 邬伟民.高压电气设备现场试验技术365问[M] .水利电力出版社.