谐振电路在发电机老化试验中的运用

陆 荃

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙410004）

0 引言

随着电厂的发展，大量发电机、主变、电缆需要进行交流耐压相关试验，工频耐压时，庞大笨重的交流耐压试验设备的运输、布置和大容量试验电源都会给现场造成层层困难。为解决此类问题，可采用谐振装置进行交流耐压试验，以克服上述矛盾。谐振电路具有以下优点：

（1）所需电源容量大大减小。串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品电容谐振产生高电压和大电流的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q。

（2）设备的重量和体积大大减少。串联谐振电源中，不但省去了笨重的大功率调压装置和普通的大功率工频试验变压器，而且，谐振激磁电源只需试验容量的1/Q，使得系统重量和体积大大减少，一般为普通试验装置的1/10～1/30。

（3）改善输出电压的波形。谐振电源是谐振式滤波电路，能改善输出电压的波形畸变，获得很好的正弦波形，有效的防止了谐波峰值对试品的误击穿。

（4）防止大的短路电流烧伤故障点。在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，电路立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q。所以，串联谐振能有效的找到绝缘弱点，又不存在大的短路电流烧伤故障点的忧患。

（5）不会出现任何恢复过电压。试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭，且恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪络电压前断开电源，这种电压的恢复过程是一种能量积累的间歇振荡过程，其过程长，而且，不会出现任何恢复过电压。

1 老化试验

1.1 试验目的

马迹塘电厂1号发电机于1983年投入运行，至今已有33年，作为ELIN公司在我国投运最早，运行时间最长的低水头贯流式机组，目前需要对其绝缘系统进行评测，以判断机组绝缘老化水平。

1.2 发电机有关参数（表1）

表1 发电机参数

1.3 试验项目及试验方法

1.3.1 整相绕组绝缘测量及直流耐压试验

分别施加 5 kV、8 kV、11 kV、15 kV 直流电压，每个电压等级下从15 s、1 min、到15 min每分钟读取并记录电流、电压等数值。每个电压等级试验完成后，必须将试验电压降到零并短路放电10 min，重新加压进行下一个电压等级试验。

1.3.2局放试验

（1）依图1接线，进行方波校准。

图1 局放试验接线图

（2）不接试品，做背景放电量测试。

（3）将被试绕组接入，施加电压分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2倍相电压，读取高压侧电流和电压值。

1.3.3 介损tgδ（%）及增量Δtgδ（%）的测量及电容

增加率试验

根据局放试验中局放起始放电电压情况确定起始游离电压U0，按接线图2接线，按高压介损设备操作方法进行调整，然后升压分别至0.2、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0倍相电压，测量此时的介损和电容（期间需要测量U0时的介损和电容值）。介损增量取：Δtgδ= tgδ0.8 Un-tgδ0.2Un（%）依次测量各相（或分支）绕组的上述介损值和电容值。

图2 高压介损设备测量介损接线图

2 试验加压设备选型

试验的关键步骤就是加电压升电流，对于发电机这种大容量设备，利用普通的试验变压器升到试验电压比较困难，用大容量的变压器，一是设备庞大笨重，对设备的运输、布置都比较麻烦，费时费力。二是大容量试验电源在现场不易取得。马迹塘1号发电机电容量大约0.6μF，试验电压为7.3 kV，工频下需要试验变压器容量为：

式中：Pn-标称试验变压器容量（kVA）；k-安全系数；Un-试验变压器的额定输出高压的有效值（kV）；ω-角频率，ω=2πf，f为试验电源的频率；C-被试品的电容量（pF）。

取最小安全系数k=1需变压器容量

高压侧电流：I=Unω C10-9=1.375 A

而马迹塘所使用的预试变压器容量只有5 kVA，高压侧额定电压50 kV，高压侧额定电流0.1 A，如果用常规试验方法不能满足试验要求，可以利用谐振电路减小所需试验变压器容量，达到试验要求。

3 谐振电路及运用

一个包含有电感和电容的无源一端口网络，其入端阻抗或导纳一般为一复数。但在某些特定的电源频率下，其入端阻抗或导纳的虚部可能变为零，此时阻抗或导纳呈纯电阻特性，使端口电压与电流成为同相。无源一端口网络出现这种现象时称为处于谐振状态。下面分别讨论串联谐振与并联谐振现象。

3.1 串联谐振

图3 RLC串联电路

图3为电阻、电感和电容的串联电路，当外施的正弦电压角频率为ω时，它的入端阻抗为：

由式可见，RLC串联电路中感抗ωL与容抗是直接相减的。一般情况下X≠X，即LC则阻抗的虚部X不为零，阻抗角也不为零，此时端电压与电流不同相。当激励电压的角频率变化时，感抗ωL与容抗都发生变化。当时，电抗电路的入端阻抗Z=R为纯电阻。此时电压和电流同相位，电路产生谐振现象。此种电路因为L与C是相串联的，所以称为串联谐振。电路发生串联谐振的条件为电抗值等于零，即

电路发生谐振时的角频率称为谐振角频率，用ωL来表示

电路谐振频率为

电路发生谐振时，电路的总电抗X=0，但感抗XL与容抗XC本身并不为零，它们的值为

ρ称为谐振电路的特性阻抗，其单位为Ω。

电路谐振时，电感电压等于电容电压，且二者相位差为180°，故互相抵消。

电阻上的压降等于外加电压。电压与电流的相量图如图3所示。

串联谐振时，电路储存于电感中的磁场能与储存于电容元件中的电场能之间进行能量交换。

3.2 并联谐振

除了RLC串联谐振电路外，并联RLC谐振电路也被广泛采用。RLC并联谐振电路如图4所示。它的入端导纳为

图4 RLC并联电路

由此式可见，当选择L或C的参数使之满足并联电路的感纳与容纳相等，即则此时导纳的虚部为零，导纳成为纯电导，Y=1/R电路入端电压U与电流I相位相同。这种情况就称为RLC并联电路谐振。由上述可知，并联谐振的角频率为ω0

并联谐振的条件是感纳与容纳相等 BL= BC，或此时电路入端电流

各元件上电流分别为

各电流相量如图4所示。并联谐振时，若外加电压不变，则谐振时流入的电流最小，此电流等于电阻上流过的电流。电感上无功电流LI˙的幅值与电容上无功电流CI˙的幅值相等，相位差为180°，二者互相抵消，故并联谐振又被称为电流谐振。并联谐振电路的品质因数定义为电路感纳（或容纳ωC）

0与电导之比，即

品质因数也等于电感电流的幅值（或电容电流的幅值）与流过电阻的电流幅值之比

由此我们可以得出：串联谐振通过谐振使容性负载（被试设备）获得Q倍高压的考验。并联谐振通过谐振使容性负载（被试设备）获得Q倍电流的考验；上述Q值皆是谐振回路品质因数，它的高低往往取决于参与谐振的“谐振电抗器”制作水平的高低。一般品质因数可达到10～30。在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q。

3.3 谐振电路在试验中的运用

马迹塘1号机老化试验中的局放试验，采用串联谐振方式，根据上述串联谐振计算公式得出，用22.7 H和45 H电感器串联后和22.7 H电感器并联再与被试发电机串联，额定容量8 kVA输入电压0～450 V，输出电压0～1.0×3 kV的励磁变压器加压完成试验。

介损测量试验中，我们采用并联谐振方式，测量采样电容为0.5 μF，根据上述并联谐振计算公式得出，用两个18 H电感器并联后再与发电机并联，用额定容量5 kVA，高压侧额定电压10 kV，额定电流0.5 A的变压器加压完成试验。

4 结束语

当试验电压、被试品电容量较大时，在现场进行此类试验时，最合适的办法是采用串、并联谐振变频试验方法，一方面变频电源改变试验频率，最终达到另一方面在试验回路中串入电抗器产生串联谐振来达到被试品试验电压；在被试品回路中并联电抗器使试品电容电流大部分由电抗器来补偿，降低对试验变压器（励磁变压器）的要求，这样试验设备就比较容易满足试验要求了。

参考文献：

[1]陈忠.串联谐振耐压试验的现场问题及解决方法[J].电网技术，2006（S1）.

[2]闫永利，闫军.工频串联谐振耐压装置现场试验参数配合的计算及调整 [J].高压电器，2004（05）.