武漢市木森電氣有限公司是串聯諧振試驗裝置的生產廠家，本篇文章木森電氣帶你漲姿勢：串聯諧振-發電機定子交流耐壓試驗。
諧振是正弦交流電迴路中的一種特殊情況。在電力系統中，諧振的產生會造成過電壓、過電流現象的出現，影響電力系統的安全穩定執行。但是，在工程技術中，諧振技術也得到了很多正面應用；其中，在大型發電機定子交流耐壓試驗裝置方面，串聯諧振耐壓裝置，因其具備的顯著優點，已逐步取代了常規耐壓裝置，得到了廣泛的應用。
1 串聯諧振的基本原理
1。1 串聯諧振的電路模型（如圖1所示）
在正弦交流電壓下，電路的複合阻抗值為：
從上面公式可知，當XL與Xc相等時，電路中的複合電抗X為零，電路中的複合阻抗Z=R為純電阻，電流和電壓的相位相同，這種狀態即稱為串聯諧振。
諧振產生的條件為XL=Xc，即，由此得出諧振時的電路頻率。
1。2 發生串聯諧振時，電路中呈現出的特性
1）電路中複合阻抗最小，呈純電阻性，阻值的大小等於電路中導體的銅耗電阻R；2）I=U/R，因此發生諧振時，迴路中的電流最大，並與電壓同相位；3）L和C兩端的電壓大小相等、相位相反，並且在L和C的兩端出現過電壓現象，過電壓數值等於輸入電壓的Q倍。Q又稱為諧振電路的品質因數，簡稱Q值。
1。3 諧振電路的品質因數Q（諧振電路補償效率）
串聯諧振下，電源提供功率因數COSΦ=1的激勵功率Pi=UiI克服電路中等效有功損耗I2R，激發並維持穩定的諧振。因此，串聯諧振又稱為電壓補償或低電壓激勵的諧振。
由以上公式可得出，在完全諧振的情況下，電抗L和電容C透過的純無功功率相等、相位相反，且等於電源功率的Q倍；電源的輸入功率Pi，僅提供電路的等效電阻R的純有功率，不需要提供額外的功率。
2 串聯諧振試驗裝置
2。1 串聯諧振試驗裝置應用背景
目前，電力系統中對於許多電力裝置在投運前、檢修後，要求進行交流耐壓試驗（如XPLE交聯電纜、GIS、發電機定子等），以保證裝置後期的安全可靠執行。因科技進步及製造業的發展，電力裝置的容量逐步增大，同時這些裝置往往具有很高的對地電容。因此，在進行交流耐壓試驗時，透過被試品的電容電流很大（如三峽電站水輪發電機定子的單相對地電容電流達到36A）。在這種情況下，如採用常規的工頻交流耐壓裝置，所需試驗裝置（調壓器、升壓器）和電源的容量高達數千千伏安。試驗裝置非常笨重，同時在現場很難具備如此大容量的試驗所需輸入電源。
根據諧振理論製造的串聯諧振耐壓裝置，因其所需容量僅為試品容量的1/Q倍（在完全諧振的情況下，試驗裝置承擔的容量僅為電路的有功分量，為被試品容量的1/Q倍），有效的減小了試驗裝置的容量和對試驗電源容量的需求。
2。2 串聯諧振試驗裝置分類
根據試品性質不同，串聯諧振耐壓裝置也可分為不同型別，具體如下：
1）對於XLPE交聯高壓電纜、GIS的交流耐壓，IEC標準規定可採用非工頻耐壓，頻率範圍可選擇在20Hz～300Hz，國內也有相關的試驗標準，一般頻率範圍為30Hz～300Hz之間。因此，對於這些裝置的交流耐壓試驗，可採用變頻串聯諧振試驗裝置。變頻串聯諧振試驗裝置一般由以下幾個主要部分組成：變頻電源（用以產生試驗所需的非工頻電源），激勵變壓器，電抗器（分為固定式和可調式），電容分壓器（用來測試試驗電壓）。根據調諧的方式，又可分為調頻、調感以及調頻調感型。
2）對於發電機定子的交流耐壓，因發電機定子線棒的絕緣介質較為薄弱，進行交流耐壓時如採用過高的頻率，極易因高頻造成的極化、發熱損壞線棒的絕緣；如採用低頻進行試驗，則不能真實的反映定子的正常工作狀態，得不到好的試驗效果。故此，對於發電機定子的耐壓試驗，一般採用工頻進行。國內相關標準對於工頻的定義，一般為45Hz～55Hz。工頻串聯諧振耐壓裝置的調諧方式，理論上分為調感和調容兩種。調感式通常採用調節電抗器鐵心氣隙的方式，可以連續平滑的調節感抗值，操作比較方便；調容式不僅需要笨重的電容，並且電容不能連續的調節，所以不太適合現場操作。因此，一般都採用調節電感的方式進行調諧，故又稱為工頻串聯調感諧振。
3）在實際應用中，變頻諧振和工頻諧振的主要區別有以下幾點：
（1）在電抗器的選擇上，變頻諧振的採用的電抗器，一般為固定式，並分為多節；試驗時根據不同電抗器的串、並聯達到要求的電感值；或可採用固定式電抗器和可調電抗器結合的方式；但可調電抗器一般只能在試驗前進行手動調節，試驗過程中不變。因此，對於變頻串聯諧振，試驗前電抗器的調整、匹配工作較為繁瑣。而工頻諧振的電抗器，是連續可調型，並且通常用電機進行電動操作，操作非常簡便。
（2）根據諧振產生的條件，及品質因數。工頻串聯諧振，因頻率f不能調節，試品電容值C為定值，因此，只能透過調節電抗器來調諧，因此工頻串聯諧振的Q值一般情況下相對較低。與之相比，變頻串聯諧振，可透過調節頻率和電感兩種方式來進行調諧，因此，可獲得較高的Q值；體現在試驗裝置上，變頻串聯試驗裝置在設計上，可充分考慮變頻電源容量、電抗器的數量、電感值等各項引數，使裝置在滿足試品容量需要的情況下，達到最高的Q值。使試驗裝置的容量、體積等做到更小。
3 串聯諧振試驗裝置的優點
綜上所述，串聯諧振試驗裝置，具有以下特點和優點：
1）輸入電源和試驗裝置的功率僅為被試品所需容量的1/Q；試驗裝置體積小、重量輕，輸出容量大，而所需配置的電源容量小；2）串聯諧振實際是個電流濾波迴路，使透過被試品的電流基本是基波電流，輸出電壓的波形畸變率（THD）極小，優於常規交流耐壓裝置；3）試品閃絡或擊穿後的短路電流為短路前試驗電流的1/Q，可有效防止擊穿後擴大對故障點的損傷；4）閃絡後立即自動熄弧，熄弧後恢復諧振狀態電壓建立的過程較長（數秒）是一個穩態的建立過程，無電壓過沖之慮，更無毫秒級、微秒級瞬態過程恢復過電壓的危險。 4 水輪發電機定子耐壓試驗
4。1 試驗標準
大型水輪發電機定子，因體積、重量較大，因此一般採用在工地裝配的方式。裝配完畢後的定子按照國家標準，需進行交流耐壓試驗。試驗的標準，通常參照現行的國家標準GB/T 8564-2003《水輪發電機組安裝技術規範》。標準中規定的交流耐壓試驗電壓2U0+3kV（U0為發電機定子額定電壓），耐壓時間1分鐘。
4。2 串聯諧振耐壓裝置的選擇
1）定子繞組單相對地電容：定子交流耐壓需分相進行，從而檢測定子繞組相間及對地絕緣；因此，定子繞組單相對地電容是決定試驗裝置容量的選擇的一個關鍵引數。
2）串聯諧振試驗原理接線圖如下圖2所示：
圖2 串聯諧振試驗原理接線圖
圖中：T為電動調壓器，B為激勵變壓器，L為可調電抗器；Cx為定子繞組單相對地電容。
3）試驗裝置選型
工頻串聯諧振耐壓裝置由以下幾項主要部件：電動調壓器，激勵變壓器，電動可調電抗器，電容分壓器以及控制檯組成。下面以定子單相對地電容0。3μF～1。0μF，額定工作電壓10。5kV為例；來說明如何進行試驗裝置的選型。
（1）試驗電壓為。
（2）根據諧振條件，所需可調電抗器的電感值為。經計算得出可調電抗器電感值範圍為11。4H～33。8H。當然，在裝置容量設計時，需考慮一定的裕度，在此不作特別說明。
（3）試驗時被試品（定子繞組）上透過的對地電容電流。
（4）可調電抗器的容量。
（5）品質因數Q值按10考慮，因此電動調壓器和激勵變壓器的容量選擇為260kVA/Q=26kVA。考慮一定裕度，選定容量為30kVA。激勵變壓器的輸出電壓為24kV/10=2。4kV。
試驗裝置主要部件引數統計見下表1
4。3 試驗方法
1）按照裝置接線原理圖連線好試驗裝置之間的連線，接入380V三相交流電源，連線好電抗器和定子繞組之間的連線；2）設定過電壓、過電流保護定值：過電壓定值一般按1。1倍試驗電壓設定（24×1。1=26。4kV）。過電流保護定值為試驗電流的1。1倍，但是考慮到試驗過程中試驗電流的計算誤差、以及可能出現的電壓波動，所以一般在實際操作時，可把過電流定值稍微調大一些，避免正常試驗過程中出現過電流保護動作，造成試驗終止，增加試驗的次數，從而對定子繞組造成不必要的損傷；3）試驗電流的確認：升壓試驗前，一般可使用電容電橋測定定子繞組的單相對地電容大小（有的發電機廠家提供定子繞組單相對地電容值），並以此作為計算試驗裝置容量和設定過電流保護定值的依據；4）合上控制電源開關，檢查各表計指示是否正常，操作電動調壓器和電抗器的驅動電動機，進行升降、增減操作，檢查裝置運轉是否正常；5）控制功能檢查完畢後，點選“合閘”按鈕，合上主迴路電源開關。操作電動調壓器進行升壓，升壓到電抗器上獲得幾百伏電壓後停止；再操作電抗器，改變氣隙來調諧使輸出電壓達到最高，此時控制檯功率因數表顯示接近於1。0（一般情況下可略低於1，迴路略微呈現容性），至此，調諧過程結束；6）操作電動調壓器繼續升壓，升壓過程應儘量勻速進行，升壓過程持續時間以10s～15s為最佳（防止在高電壓情況下停留時間過長，造成定子線棒絕緣損傷）。升至額定試驗電壓後，控制檯中的自動計時器（預先設定為60s）自動啟動開始計時，60s結束後自動計時器動作，自動操作電動調壓器動作，逐步降壓至最低。然後操作“分閘”按鈕，斷開主迴路開關。至此，耐壓試驗結束。
4。4 耐壓試驗中的注意事項
1）耐壓試驗屬高電壓試驗，試驗電壓通常在幾萬伏，因此為了保證試驗過程中人身和裝置安全，試驗前首先必須做好可靠的裝置接地；通常，需從2個以上的可靠接地點與裝置的進行可靠連線；2）試驗過程中，有關人員需加強對被試品的監護，一旦發現電暈、放電等不正常的現象，因立即中止試驗，迅速操作調壓器降壓。待檢查完成、缺陷處理完畢後方可再次升壓；3）耐壓裝置中的功率因數表，具有脫諧閉鎖功能，通常設定為0。95～1。05，升壓過程中，需密切注意觀察功率因數表的指示，如發現指標偏離，應及時在升壓的同時，對電抗器進行微調。保證功率因數維持在設定範圍，避免脫諧造成試驗失敗；4）試驗前後分別測試進行極化指數測試，並進行比較，以檢查耐壓試驗是否造成絕緣損傷；5）為正確的測量被試品上的試驗電壓，電容分壓器因接至被試品端部；6）試驗結束後，應對被試品充分放電。
串聯諧振耐壓裝置的採用，極大的降低了發電機定子耐壓試驗的難度，體現出了極大的優越性。如何善用各種理論，使之為生產服務，將是各個領域永恆的研究課題。
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