变频串联谐振试验的原理是什么？系统组件有哪些？
引言
随着我国高压和超高压输变电工程的迅速发展,SF6全封闭组合电器被大量采用.这些设备绝缘间隙很非常小,现场安装中难免有外界杂质、微粒混入设备内部,运输过程中也可能出现设备损坏,导致绝缘强度急剧下降.为保证设备安全可靠运行,进行现场交流耐压试验是非常必要的.但若用常规试验变压器作耐压试验,存在电流容量不够、试验设备笨重等问题.
近几年,城网都在进行大规模改造,在电网中使用的高压交联聚乙烯电缆越来越多.权威机构试验研究表明,高压交联聚乙烯电缆采用直流耐压存在明显的缺点:直流电压绝缘电场的分布和交流电压下的电场分布是不相同的,不能直接反映运行工况;直流试验过程中会形成空间电荷,在较高直流电压下形成的空间电荷可导致该电缆发生击穿或沿界面滑闪.因此,目前规程规定不准采用直流耐压试验作为交联聚乙烯电缆的竣工试验.为严格竣工的验收试验,及时检测出隐患,保证交联电力电缆的安全运行,很多单位已经开始了交联聚乙烯电力电缆的交流耐压试验.交流耐压试验能够遵循现场高压试验原则,是鉴定电气设备绝缘强度的最严格、最有效和最直接的试验方法,但传统的交流耐压试验装置所需试验电源容量很大,现场往往不能满足.
变频谐振系统的电源装置是利用无功补偿原理,只需用较低电压和较小容量的试验电源就可进行大型发电机、电缆以及GIS组合电器的耐压试验.同时,该系统还可用于变压器、电流、电压互感器等的现场试验.这种试验方法安全可靠,并能有效地检出有绝缘缺陷的电气设备.
1、变频谐振试验的原理
变频谐振试验的原理是利用组合设备的等效电容和已知电感量的高压电抗器构成串联回路,通过变频电源调节试验电源频率使电路达到串联谐振.这时,电容器和电抗器的无功功率平衡.根据CIGREWG21.9的建议导则,现场的电缆、GIS试验应采用更大的频率范围(30~300Hz).因此,市场上这类变频电源频率可以在30~300Hz之间调节.图1为调频式谐振耐压试验原理图.
变频谐振系统体积小,重量轻,品质因数Q高,其试验系统的容量仅仅需要试品全部试验容量的1/Q倍,更适用于现场试验.
图1 调频式谐振耐压试验原理图
2、变频谐振系统的组件
2.1 控制系统
控制系统是变频谐振系统的心脏模块,它包含了所有的电子及控制模块.所有的模块放在一个控制柜中,操作屏在控制柜的上方,操作人员可以控制所有的功能、读取最新的测量值(电压、频率、电流等)、观察系统的运行状态.
三相桥式连接变频器的作用是将三相主电源电压转换成为可调幅方波电压,通过主回路开关取得三相线电压传送到6脉冲转换器整流,然后提供给电容组.
方波输出电压由转换桥以需要的输出频率产生,输出电压的有效值通过调整脉冲宽度实现无级可调.所有的控制信号由微处理器产生,系统产生一个预设频率,或者自动将输出频率调整到谐振频率.
高压系统根据操作人员的设置自动进行调谐,控制升压、耐压时间和关机.还可以通过设备的RS232接口与外部计算机联接,从而控制整个系统进行自动测量.
2.2 励磁变压器
励磁变压器的作用是将控制单元的输出变成谐振回路的输入.其一次线圈和控制单元相连,二次线圈则取决于高压回路的品质因数的期望值.励磁变压器可以做在电抗器的内部,或者做成独立单元.
2.3 高压电抗器
在谐振频率下,电抗器与负载将励磁方波电压变成理想正弦波.高压电抗器的参数选择必须充分考虑到试品功率和频率范围.
2.4 多级组合型电抗器
单级电抗器组合后可以满足回路的最优配置,保证输出电压和频率范围,每级电抗器的电压等级可以单独确定.这种电抗器的优点是组合方便、便于运输,缺点是运行工况时间短.
箱式电抗器是专门为电缆现场试验设计的,为油浸式,自然冷却电抗器.可以采用电容式瓷套管输出,也可以采用电缆终端式回充SF6输出.输出的标准电缆成为系统的基本负载,与待测电缆的终端头相连.
2.5 电压测量系统、耦合电容器和基本负载
电压测量系统包括一个分压器和一个峰值电压表,电压表安装在控制柜中,电压值在操作屏上显示.分压器也可以当作耦合电容器和基本负载使用.在多级组合电抗器中,分压器是独立单元,而在SF6绝缘和箱型电抗系统中,分压器已经安装到电抗器中.
2.6 试验参数
从原理图可以看出,试验参数主要包括:①试品的等效电容C:这个参数主要依靠经验的积累,或通过生产厂家获得;②试验用电抗器的电感量L:原则是选择使谐振频率在30~300Hz;③回路的谐振频率f:根据f=1/(2πlc)计算;④试验电流I:根据I=ωCU计算;⑤试验电压U:电压值的大小根据试验规程具体确定.