（电气工程专业论文）电气设备串联谐振耐压试验技术应用研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着社会经济的飞速发展，人民群众对电力的需求不断增 长。因此，电力部门每年基建和技术改造的任务也日益繁重，各种新建、 扩建电力工程的验收试验工作量也随之不断地加大。如何运用各种新试 验技术方法来提高电气设备的试验工作效率，减少工作人员的劳动强度， 从而加快各项工程的建设进度逐渐成为电力工作者研究的热门话题。 我们知道，电力系统中的电气设备，其绝缘不仅经常受到工作电压 的作用，而且还会受到例如大气过电压和内部过电压等各种过电压的侵 袭。因此，为了考验其在长时间的工作电压及瞬时的过电压下是否能可 靠工作，电气设备在出厂、安装调试时或大修后都需要进行各种高电压 试验.而在各种高压试验中，交流耐压试验是鉴定电气设备绝缘强度最 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 是保证设备绝缘水平，避免发生设备绝缘事故的重要手段。因此提出一 种效率较高，符合生产实际情况的电气设备交流耐压试验新方法在电力 生产 实际上具有 重要意义 。 本文正是在广泛阅读了各种关于串联谐振耐压试验技术文献的基础 上，总结前人的研究成果，并结合该试验技术在广电集团深圳供电分公 司的应用情况，通过几个现场试验实例将其与传统的交流耐压试验方法 在各个不同方面进行 了比较 ，得出串联谐振耐压试验技术具有试验设备 体积小、便于运输携带、省时省力、所需电源容量小等显著优点的结论。 并提出了在 日后试验工作中应大力推广采用串联谐振耐压试验技术完成 g i s 、变压器、高压电缆等大型容性设备的交流耐压试验，以进一步提高 华南理工大学工程硕士学位论文 设备试验工作效率，降低试验电源容量的建议。 关挂词:串联谐振;交流耐压试验;电气设备 ab s t r a c t a bs t r a c t i n r e c e n t y e a r s , w i t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f e c o n o m y , p e o p l e s r e q u i r e m e n t o n e l e c t r i c p o w e r h a s i n c r e a s e d g r e a t l y . wh i c h d e m a n d p o w e r s u p p l y d e p a r t me n t s p e n d s mo r e a n d mo r e mo n e y a n d e n e r g y o n f u n d a m e n t a l c o n s t r u c t i o n a n d t e c h n i q u e i m p r o v e me n t , a n d t h e n t h e w o r k l o a d o f c h e c k 含e ah h音l g r e a t e r a n d g r e a t e r . i t be a n d a c c e p te l e c t r i c e n g i n e e r i n g w i l l be c o me a t o p i c a mo n g e l e c t r i c e n g i n e e r s o n h o w t o i mp r o v e e f f i c i e n c y a n d l o w e r t h e l a b o r i n t e n s i t y d u r i n g t e s t i n g n e w e l e c t r i c p o w e r p r o j e c t s a n d e q u i p me n t s . as we k n o wn , t h e i n s u l a t i o n o f e l e c t r i c e q u i p me n t s i n t h e e l e c t r i c s y s t e m i s a f f e c t e d n o t o n l y b y w o r k i n g v o l t a g e , b u t a l s o b y a t mo s p h e r e o v e r v o l t a g e o r i n t e r i o r o v e r v o l t a g e .ma k e s u r e a n e q u i p m e n t h a s a g o o d p e r f o r ma n c e i n l o n g t i me w o r k i n gi n s t a n t a n e o u s h i g h v o l t a g e , i t h a s t o b e t e s t e d u n d e r a l l k i n d s o f o v e r v o l t a g e b e f o r e i t l e a v i n g f a c t o r y , i n s t a l l i n g a n d d e b u g g i n g o r a f t e r h a v i n g a o v e r h a u l . a m o n g a l l k i n d s o f h i g h v o l t a g e t e s t , h i g h v o l t a g e a c t e s t i s o n e o f t h e m o s t d i r e c t w a y i n j u d g e a e q u i p m e n t s i n s u l a t i o n g r a d e . i t s r e s u l t p l a y s d e t e r mi n i n g w e a t h e r a e q u i p m e n t i s m e a s u r e d u p an i t i s i mp o r t a n t r o l e i n a l s o a n i mp o r t a n t w a y t o i n s u r e a e q u i p me n t s i n s u l a t i o n l e v e l . s o i n t r o d u c i n g a n e w w a y f o r h i g h v o l t a g e a c t e s t i s v e r y i m p o r t a n t a n d p r e s s i n g i n e l e c t r i c p o w e r i n d u s t r y . b a s e o n r e a d i n g a l l k i n d s o f t e c h n o l o g i c a l p a p e r o ns er i es r es onance m 华南理工大学工程硕士学位论文 t e s t o f v o l t a g e - t o l e r a n c e , s u mma r i z i n g t h e f o r m e r r e s e a r c h p r o g e n y , a n d c o mb i n i n g wi t h i t s a p p l i c a t i o n s a t gu a n g - d i a n p o w e r g r i d g r o u p c o . l t d s h e n z h e n b r a n c h , c o mp a r i n g b e t w e e n s o m e e x a m p l e s o f l o c a l t e s t s a n d t r a d i t i o n ac v o l t a g e - t o l e r a n c e t e s t s , t h e p a p e r d r a w a c o n c l u s i o n t h a t s e r i e s r e s o n a n c e t e s t o f v o l t a g e 一 t o l e r a n c e h a s s o m e r e ma r k a b l e v i r t u e s , s u c h a s s ma l l e r c u b a g e o f t e s t e q u i p m e n t s , e a s i e r t o b e c a r r i e d w i t h s a v i n g t i m e a n d l a b o r , l e s s c a p a c i t y o f p o w e r s u p p l y i t n e e d e d . t h e p a p e r a l s o t a b l e a 于le 0h 告 p r o p o s a l t h a t w e s h a l l e x t e n d t h e a p p l i c a t i o n o f s e r i e s r e s o n a n c e t e s t v o l t a g e - t o l e r a n c e t o c a r r y t h r o u g h t h e a c v o l t a g e 一 t o l e r a n c e t e s t o n g r e a t c a p a c i t i v e e q u i p me n t s u c h a s g i s , t r a n s f o r m e r , h i g h v o l t a g e c a b l e a n d s o o n , i n o r d e r t o i mp r o v e t h e e f f i c i e n c y o f t h e t e s t e q u i p me n t a n d r e d u c e t h e c a p a c i t y o f p o w e r s u p p l y . k e y w o r d s : s e r i e s r e s o n a n c e ; h i g h v o l t a g e a c t e s t ; e l e c t r i c e q u i p m e n t s i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作 品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作 者 签 名 : if 杰日 期: 二岭年/ 口 月肠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规 定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文， 保密口，在_年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不 保 密 1 a ( 请在 以. 七相应方框 内打 “j ) 感11 威一二 缪价 作者签名 导师 签 名 日 期: , 2- 0 0 今 年加月/ 6 日 臼 期: . , y- 年/ 。 月/ 日 第一章 绪论 第一章绪论 1 . 1 研究目的和意义 随着国民经济的持续高速发展，电力需求的增长异常迅速。因此， 近年来全国供电部门的基建及技改工程任务都十分的繁重。深圳经济特 区由于身处改革开放的前沿，经济发展更为迅猛，现代化城市对于电力 供应的需求逐年增长，电力建设的任务也随之不断增多。以深圳特区为 例，根据 广电集团深圳供电分公司“ 十五”电力规划 ，2 0 0 3 - 2 0 0 5 年 期间深圳电网共计将有6 6 座1 1 0 k v 等级以上变电站投产。 因此， 各种新建、 扩建电力工程的验收试验工作量将会不断地加大。 目前，在繁重的电力工程验收试验工作中存在一个比较突 出的问题: 交流耐压试验 是各种 高压 电气设备验 收的必做试验项 目，但传统 的交流 耐压试验 中用 以产 生高 电压 的试验设备 的体积通常都 比较庞大 ，接线也 比较繁琐，一次试验需要耗费大量的人力物力和时间，工作效率较低， 已不 能满足 电力建设 的工程进度 的需要 。 首先，在传统的交流耐压试验中，工频高压通常采用高压试验变压 器来产生 。由于高压试验变压器 的体积较 为庞大 ， 电源 、调压器 、升压 变压器、保护间隙等试验设备间的接线较为复杂，通常一个设备 ( 例如: 主变、g i s )的交流耐压试验需要5 至6 名高压试验人员花费半天至一天的 时间才能完成。其次，由于试验变压器等大型试验设备的体积和重量较 大，耐压试验工作还需要配备大型运输工具，如卡车、吊车等。第三， 随着电网的不断发展，电力设备的电压等级和容量也在不断提高，变压 器等主要输变电设备也有向大容量发展的趋势。因此，试验设备 ( 如升 压变、调压器、电源等)的容量和体积也随着被试品容量的提高而增加， 庞大 的试验 设备给试验工作带来诸 多不便 ，某种情况下甚至无法进行试 验 。另外值 得注意 的是 ，由于我 国城市 电网的飞速发展 ，高压交联聚 乙 烯电缆应用己日益广泛。传统的高压电缆竣工试验一直采用直流电压试 验，但它不能有效地检出有缺陷的电缆主绝缘及附件绝缘，这一点已经 形成共识。交流电压试验是 目前相对比较有效且不会损伤交联聚乙烯电 缆主绝缘及附件绝缘的竣工试验方法，现正得到大力推广。然而，数千 第一章 绪论 第一章绪论 1 . 1 研究目的和意义 随着国民经济的持续高速发展，电力需求的增长异常迅速。因此， 近年来全国供电部门的基建及技改工程任务都十分的繁重。深圳经济特 区由于身处改革开放的前沿，经济发展更为迅猛，现代化城市对于电力 供应的需求逐年增长，电力建设的任务也随之不断增多。以深圳特区为 例，根据 广电集团深圳供电分公司“ 十五”电力规划 ，2 0 0 3 - 2 0 0 5 年 期间深圳电网共计将有6 6 座1 1 0 k v 等级以上变电站投产。 因此， 各种新建、 扩建电力工程的验收试验工作量将会不断地加大。 目前，在繁重的电力工程验收试验工作中存在一个比较突 出的问题: 交流耐压试验 是各种 高压 电气设备验 收的必做试验项 目，但传统 的交流 耐压试验 中用 以产 生高 电压 的试验设备 的体积通常都 比较庞大 ，接线也 比较繁琐，一次试验需要耗费大量的人力物力和时间，工作效率较低， 已不 能满足 电力建设 的工程进度 的需要 。 首先，在传统的交流耐压试验中，工频高压通常采用高压试验变压 器来产生 。由于高压试验变压器 的体积较 为庞大 ， 电源 、调压器 、升压 变压器、保护间隙等试验设备间的接线较为复杂，通常一个设备 ( 例如: 主变、g i s )的交流耐压试验需要5 至6 名高压试验人员花费半天至一天的 时间才能完成。其次，由于试验变压器等大型试验设备的体积和重量较 大，耐压试验工作还需要配备大型运输工具，如卡车、吊车等。第三， 随着电网的不断发展，电力设备的电压等级和容量也在不断提高，变压 器等主要输变电设备也有向大容量发展的趋势。因此，试验设备 ( 如升 压变、调压器、电源等)的容量和体积也随着被试品容量的提高而增加， 庞大 的试验 设备给试验工作带来诸 多不便 ，某种情况下甚至无法进行试 验 。另外值 得注意 的是 ，由于我 国城市 电网的飞速发展 ，高压交联聚 乙 烯电缆应用己日益广泛。传统的高压电缆竣工试验一直采用直流电压试 验，但它不能有效地检出有缺陷的电缆主绝缘及附件绝缘，这一点已经 形成共识。交流电压试验是 目前相对比较有效且不会损伤交联聚乙烯电 缆主绝缘及附件绝缘的竣工试验方法，现正得到大力推广。然而，数千 华南理工大学工程硕士学位论文 米长的电缆线路具有较大的电容，例如l o k m 长的1 1 0 k v 交联聚乙烯( x l p e ) 绝缘电缆， 按其截面积的不同， 电容可达2 -3 u f 。 如果在系统频率( 5 0 h z ) 下用交流 电压进行现场试验，就需要很大的无功功率 。如上所述的电缆， 在1 1 0 k v ( 1 . 7 倍相电压) 下进行交流耐压试验，则可能需要高达1 0 m v a的 试验功率。常规的交流电压试验设备 ( 运行频率5 0 h z ) ，如试验变压器、 调压器等的缺点就在于其单位试验功率的重量较大， 达2 0 - 3 0 k g / k v a , 试验设备的运输就很不方便，而且需要在现场提供相当大的试验电源。 综上所述，传统的交流耐压试验设备与方法已不适应形势的飞速发 展。因此提出一种效率较高，符合生产实际情况的电气设备交流耐压试 验新技术在电力生产实际上具有重要意义。近十多年来，广大电力工作 者已经在交流耐压试验新技术方面做了大量的工作，提出了许多实用、 有效的新试验技术和方法，并研制出不少新型轻便试验设备。其中，串 联谐振耐压试验技术 已在许多方面取得了广泛的应用。不过，此项技术 与传统的交流耐压试验方法比较，到底在那些地方更符合现场实际，更 具有优势，是否可以进一步地推广应用等方面仍然是值得探讨研究的问 题 。 1 . 2交流耐压试验技术应用的现状 交流耐压试验就是指对试品施加规定的交流电压，维持一定的时间 试品不发生闪络和绝缘击穿的耐压试验。交流耐压试验是鉴定电气设备 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。根据现在供电企业执行的国标g b 5 0 1 5 0 - 1 9 9 1 电气装置安装工 程电气设备交接试验标准 ，新建、扩建输变电工程中几乎所有的一次设 备，如变压器、断路器、互感器等，在现场安装完毕后都必须通过交流 耐压试验 ( 参见附录1 ) 。在现场实际应用中，交流高电压通常通过高压 试验变 压器 或 串联谐 振 回路两种方法产 生 。 1 . 2 . 1离压试验变压器试验回路 在传统的交流耐压试验中，工频高压通常是采用高压试验变压器来 产生的。下面是个典型的利用高压试验变压器进行交流耐压试验的接线 原理图 ” ，见图1 - 1 . 华南理工大学工程硕士学位论文 米长的电缆线路具有较大的电容，例如l o k m 长的1 1 0 k v 交联聚乙烯( x l p e ) 绝缘电缆， 按其截面积的不同， 电容可达2 -3 u f 。 如果在系统频率( 5 0 h z ) 下用交流 电压进行现场试验，就需要很大的无功功率 。如上所述的电缆， 在1 1 0 k v ( 1 . 7 倍相电压) 下进行交流耐压试验，则可能需要高达1 0 m v a的 试验功率。常规的交流电压试验设备 ( 运行频率5 0 h z ) ，如试验变压器、 调压器等的缺点就在于其单位试验功率的重量较大， 达2 0 - 3 0 k g / k v a , 试验设备的运输就很不方便，而且需要在现场提供相当大的试验电源。 综上所述，传统的交流耐压试验设备与方法已不适应形势的飞速发 展。因此提出一种效率较高，符合生产实际情况的电气设备交流耐压试 验新技术在电力生产实际上具有重要意义。近十多年来，广大电力工作 者已经在交流耐压试验新技术方面做了大量的工作，提出了许多实用、 有效的新试验技术和方法，并研制出不少新型轻便试验设备。其中，串 联谐振耐压试验技术 已在许多方面取得了广泛的应用。不过，此项技术 与传统的交流耐压试验方法比较，到底在那些地方更符合现场实际，更 具有优势，是否可以进一步地推广应用等方面仍然是值得探讨研究的问 题 。 1 . 2交流耐压试验技术应用的现状 交流耐压试验就是指对试品施加规定的交流电压，维持一定的时间 试品不发生闪络和绝缘击穿的耐压试验。交流耐压试验是鉴定电气设备 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。根据现在供电企业执行的国标g b 5 0 1 5 0 - 1 9 9 1 电气装置安装工 程电气设备交接试验标准 ，新建、扩建输变电工程中几乎所有的一次设 备，如变压器、断路器、互感器等，在现场安装完毕后都必须通过交流 耐压试验 ( 参见附录1 ) 。在现场实际应用中，交流高电压通常通过高压 试验变 压器 或 串联谐 振 回路两种方法产 生 。 1 . 2 . 1离压试验变压器试验回路 在传统的交流耐压试验中，工频高压通常是采用高压试验变压器来 产生的。下面是个典型的利用高压试验变压器进行交流耐压试验的接线 原理图 ” ，见图1 - 1 . 华南理工大学工程硕士学位论文 米长的电缆线路具有较大的电容，例如l o k m 长的1 1 0 k v 交联聚乙烯( x l p e ) 绝缘电缆， 按其截面积的不同， 电容可达2 -3 u f 。 如果在系统频率( 5 0 h z ) 下用交流 电压进行现场试验，就需要很大的无功功率 。如上所述的电缆， 在1 1 0 k v ( 1 . 7 倍相电压) 下进行交流耐压试验，则可能需要高达1 0 m v a的 试验功率。常规的交流电压试验设备 ( 运行频率5 0 h z ) ，如试验变压器、 调压器等的缺点就在于其单位试验功率的重量较大， 达2 0 - 3 0 k g / k v a , 试验设备的运输就很不方便，而且需要在现场提供相当大的试验电源。 综上所述，传统的交流耐压试验设备与方法已不适应形势的飞速发 展。因此提出一种效率较高，符合生产实际情况的电气设备交流耐压试 验新技术在电力生产实际上具有重要意义。近十多年来，广大电力工作 者已经在交流耐压试验新技术方面做了大量的工作，提出了许多实用、 有效的新试验技术和方法，并研制出不少新型轻便试验设备。其中，串 联谐振耐压试验技术 已在许多方面取得了广泛的应用。不过，此项技术 与传统的交流耐压试验方法比较，到底在那些地方更符合现场实际，更 具有优势，是否可以进一步地推广应用等方面仍然是值得探讨研究的问 题 。 1 . 2交流耐压试验技术应用的现状 交流耐压试验就是指对试品施加规定的交流电压，维持一定的时间 试品不发生闪络和绝缘击穿的耐压试验。交流耐压试验是鉴定电气设备 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。根据现在供电企业执行的国标g b 5 0 1 5 0 - 1 9 9 1 电气装置安装工 程电气设备交接试验标准 ，新建、扩建输变电工程中几乎所有的一次设 备，如变压器、断路器、互感器等，在现场安装完毕后都必须通过交流 耐压试验 ( 参见附录1 ) 。在现场实际应用中，交流高电压通常通过高压 试验变 压器 或 串联谐 振 回路两种方法产 生 。 1 . 2 . 1离压试验变压器试验回路 在传统的交流耐压试验中，工频高压通常是采用高压试验变压器来 产生的。下面是个典型的利用高压试验变压器进行交流耐压试验的接线 原理图 ” ，见图1 - 1 . 第一章 绪论 g c , 幸泞 图 1 - 1 采用高压试验变 的交流耐压试验 原理 图 f i g i 一 1 a c w i t h s t a n d v o l t a g e t e s t u s i n g h i g h - v o l t a g e t r a n s f o r m e r t , 一调压器;t 一试验变压器;ff 一限流电阻;r 一球隙保护电阻; g 一球间隙:c , 一被试品:c , . c , 一电容分压器高、低压臂;v 一电压表 使用这种方法进行交流耐压试验时，试验电源和试验设备的容量必 须满足试品电容量的需要，因此试验设备往往较为庞大。在进行变压器、 电容器等 电容量较 大的被试 品的交流 耐压试验 时，现场试验 电源和试验 变压器的容量常常难 以满足试验要求.这时候，通常就要采用电抗器并 联进行补偿，当补偿 电抗器的感抗与试品的容抗相等时，高压试验变压 器所带负载仅为整个试验回路的有功损耗，大大降低了变压器的容量。 但是，采用该方法进行试验时，必须有过流保护装置，因为一旦试品被 击 穿 ，其 电容量 必然 发生变化 ，原有 的补偿条件不 复存 在 ，试验变 压器 势必过载，若不及时跳闸，将造成试验变压器的损坏 。而且，由于试验 变压器和补偿电抗器必须满足试品试验电压的要求，所以体积仍然会较 大 。 因此，对大电容量试品应用本方法进行交流耐压试验就显得十分费 时费力。首先，试验设备的体积、重量过于庞大 ( 高压试验变总重量通 常在1 吨以上) ，每次进行现场试验必须动用大型交通工具，劳动强度较 大，十分不便;如果在室内变电站进行试验，高压设备要安装在楼上， 还必须动用大型吊装设备。其次，随着试品电容量的不断增大，在现场 常常无法找到足够大的试验电源，必须要通过1 0 k v 配电变压器或l o k v 高 压柜接电源，既不安全也非常麻烦。还有，由于电源和试验设备容量的 限制，基本无法对高压交联电缆等具有极大 电容量的设备进行交流耐压 试 验 。 华南理工大学工程硕士学位论文 1 . 2 . 2串联谐振耐压试验回路 对s f 。 组合电器 ( g i s ) 、 发电机和变压器等电容量较大的被试品进行交 流耐压试验，需要大容量的试验设备。但试验现场的电源和试验设备往 往不能满足要求。此时可采用串联谐振试验装置，它能够 以较小的电源 容量对较大电容和较高试验电压的试品进行试验，其试验回路由被试品 负载电容和与之串联的电抗器和电源组成【 ， ，如图1 - 2 所示。 r u - 刁1|心 图 1 一 2 串联谐振交流耐压试验原理图 f i g l - 2 a c w i t h s t a n d v o l t a g e t e s t o f s e r i e s r e s o n a n c e t 一 试 验变压器 ;r - 一限流 电阻:l 一 串联谐振试验装置 c . 一 被试 品;c , , c z 一 电容分压器 高、低压臂 ;v 一 电压表 使用这种方法进行交流耐压试验时，当电源频率 f 、电感l 及被试品 电容c 二 满足式 1 - 1 )的关系时，回路处于串联谐振状态。 _ 12r l c x ( 1 一 1 ) 此 时 1 = u .- r ) m ( 1 一 2 ) 式 中u , 二 一 励 磁 电压 : c . 一 被试 品电容量 。 输出电压 u c : 与励磁电压 u , : 之比为试验回路的品质因数q s _u-在 乙 侧s=丁= ， = 二 ， - - u, _入。. 1声监 翻 . 口 ( 1 一 4 ) 即试品两端的电压值等于励磁电压有效值与回路品质因数q s 的乘积。在 大多数正常情况下，q s 可达 2 5 倍以上，即输出电压是励磁电压的2 5 倍 因此用这种方法能用电压较低、体积较小的试验变压器在试品上得到较 高的试验 电压 。在 回路发生 串联谐振 时，回路 电流仅等于励磁 电压与回 路电阻之 比，因此对试验电源容量的要求也就大大降低了.而且，由于 试验时回路处于谐振状态，回路本身具有 良好的滤波作用，电源波形中 的谐波成分在试 品两端大为减 少，通 常输 出 良好 的正弦波 形 电压 。 当被试品击穿时，电路失去谐振条件，电源输出电流 自动减小，试 品两端的电压骤然下降，从而限制 了对被试品的损坏程度，因此试验的 安全性也有所提高川。 1 . 3本文所完成的主要工作 由上面的叙述可以知道，对串联谐振耐压技术的实际应用进行研究 在电力生产实际上具有重要的意义。本文正是在广泛阅读了各种关于串 联谐振耐压试验技术文献的基础上，总结前人的研究成果，并结合该试 验技术在广电集团深圳供电分公司的应用情况，通过几个现场试验实例 将其与传统 的交流耐压试验技术在各个不 同方面进行 了比较 ，总结 出串 联谐振耐压试验技术具有的几个方面的显著优点，得出其更加符合现场 实际的需要，值得大力推广的结论。 本文完成的主要工作有: 1 . 对 串联谐振 耐压试 验方法 的原理及其试验装 置 的参 数如何选择进 行 了较 为详尽 的介绍 。 2 . 根据 串联谐振耐压试验方法的原理，详细介绍了符合现场实际应 用 的三种 串联谐振试验装置 。 第一章 绪论 u - = 止 生 i ct 兀 .， ( 1 一 3 ) 式 中 。一 电源 角频率 ; c . 一 被试 品电容量 。 输出电压 u c : 与励磁电压 u , : 之比为试验回路的品质因数q s _u-在 乙 侧s=丁= ， = 二 ， - - u, _入。. 1声监 翻 . 口 ( 1 一 4 ) 即试品两端的电压值等于励磁电压有效值与回路品质因数q s 的乘积。在 大多数正常情况下，q s 可达 2 5 倍以上，即输出电压是励磁电压的2 5 倍 因此用这种方法能用电压较低、体积较小的试验变压器在试品上得到较 高的试验 电压 。在 回路发生 串联谐振 时，回路 电流仅等于励磁 电压与回 路电阻之 比，因此对试验电源容量的要求也就大大降低了.而且，由于 试验时回路处于谐振状态，回路本身具有 良好的滤波作用，电源波形中 的谐波成分在试 品两端大为减 少，通 常输 出 良好 的正弦波 形 电压 。 当被试品击穿时，电路失去谐振条件，电源输出电流 自动减小，试 品两端的电压骤然下降，从而限制 了对被试品的损坏程度，因此试验的 安全性也有所提高川。 1 . 3本文所完成的主要工作 由上面的叙述可以知道，对串联谐振耐压技术的实际应用进行研究 在电力生产实际上具有重要的意义。本文正是在广泛阅读了各种关于串 联谐振耐压试验技术文献的基础上，总结前人的研究成果，并结合该试 验技术在广电集团深圳供电分公司的应用情况，通过几个现场试验实例 将其与传统 的交流耐压试验技术在各个不 同方面进行 了比较 ，总结 出串 联谐振耐压试验技术具有的几个方面的显著优点，得出其更加符合现场 实际的需要，值得大力推广的结论。 本文完成的主要工作有: 1 . 对 串联谐振 耐压试 验方法 的原理及其试验装 置 的参 数如何选择进 行 了较 为详尽 的介绍 。 2 . 根据 串联谐振耐压试验方法的原理，详细介绍了符合现场实际应 用 的三种 串联谐振试验装置 。 华南理工大学工程硕士学位论文 3 . 结合该试验技术在广电集团深圳供电分公司的应用情况，通过几 个具有典型意义的现场试验实例，将其与传统的交流耐压试验技术在各 个不同方面进行了比较，得 出该试验方法所具有优势，论证了其值得大 力推广 的理 由。 4 . 对串联谐振耐压试验技术在高压交联电缆交流耐压试验中的应用 进行了研究，并结合现场的应用实例，说明了该方法在电缆交流耐压试 验方面的实用性。 第二章 串联谐振的基本原理及其在交流耐压试验中的实用意义 第二章串联谐振的基本原理及其在交流耐压试验 中的实用意义 2 . 1电路的谐振现象 含线性储能元件而无独立电源的二端网络 ( 或支路) ，在某一特定条 件下，其端口 ( 或支路)呈现电阻性，即电压电流同相位的现象，称为 谐振。 ， ， 谐振是正弦稳态电路的一种特殊现象 ，在工程实际中得到广泛的应 用。电路谐振与非谐振的工作状态差别很大。例如电路在发生谐振时， 某些支路的电压或电流可能会远远大于端 口的电压或电流.串联谐振耐 压试验正是利用 电路在发生串联谐振时，试品的电压远大于端 口的电压 这一特性 。因此 ，以下重点介绍 r l c串联谐振 电路 。 2 . 2 r l c串联谐振电路的基本原理 2 . 2 . 1 谐振的条件 如 图 2 - 1 所示 的 r l c串联 电路 ，其端 口阻抗 z ( j c o ) =r + j ( x : 一 x , ) x= x: 一 x , = u l一 o j c i +u l. 一一 甘 、 一 了、 - i x, uc 一 i x 七 图 2 - 1串联谐振电路 f i u 2 - 1 s e r i e s r e s o n a n c e 第二章 串联谐振的基本原理及其在交流耐压试验中的实用意义 第二章串联谐振的基本原理及其在交流耐压试验 中的实用意义 2 . 1电路的谐振现象 含线性储能元件而无独立电源的二端网络 ( 或支路) ，在某一特定条 件下，其端口 ( 或支路)呈现电阻性，即电压电流同相位的现象，称为 谐振。 ， ， 谐振是正弦稳态电路的一种特殊现象 ，在工程实际中得到广泛的应 用。电路谐振与非谐振的工作状态差别很大。例如电路在发生谐振时， 某些支路的电压或电流可能会远远大于端 口的电压或电流.串联谐振耐 压试验正是利用 电路在发生串联谐振时，试品的电压远大于端 口的电压 这一特性 。因此 ，以下重点介绍 r l c串联谐振 电路 。 2 . 2 r l c串联谐振电路的基本原理 2 . 2 . 1 谐振的条件 如 图 2 - 1 所示 的 r l c串联 电路 ，其端 口阻抗 z ( j c o ) =r + j ( x : 一 x , ) x= x: 一 x , = u l一 o j c i +u l. 一一 甘 、 一 了、 - i x, uc 一 i x 七 图 2 - 1串联谐振电路 f i u 2 - 1 s e r i e s r e s o n a n c e 华南理工大学工程硕士学位论文 图 2 - 2 r l c串联电路电抗的频率特性 f i g 2 一 2 f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s o f r l c s e r i e s r e s o n a n c e 由电抗x的频率特性图 2 - 2可知，当6 ) 0 时电路呈感性;q j = c o , , x = 0 时电路发生谐振，此时 鸟l 此c = wl c = 1/ 2 n 召 l c ( 2 一 1 ) 式 ( 2 - 1 )是r l c串联电路的谐振条件， ( 2 一 2 ) ( 2 一 3) w o 和f o 分别为谐振角频率和谐振 低fo 频率。它们仅仅决定于电感l 和电容c 两个参数。因此，要实现或取消电 路的串联谐振 ，既可以固定 电路参数而改变电源频率，也可以固定电源 频率而改变电感l 和电容c 2 1 0 2 . 2 . 2串联谐振电路的基本特性 1 . 输入阻抗及电流、电压特性 串联谐振时，电路输入阻抗z ( j o) o ) = r ，阻抗摸为最小值，在一定的 电压作用下，电路中的电流最大，电流相量和各电压相量是 华南理工大学工程硕士学位论文 图 2 - 2 r l c串联电路电抗的频率特性 f i g 2 一 2 f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s o f r l c s e r i e s r e s o n a n c e 由电抗x的频率特性图 2 - 2可知，当6 ) 0 时电路呈感性;q j = c o , , x = 0 时电路发生谐振，此时 鸟l 此c = wl c = 1/ 2 n 召 l c ( 2 一 1 ) 式 ( 2 - 1 )是r l c串联电路的谐振条件， ( 2 一 2 ) ( 2 一 3) w o 和f o 分别为谐振角频率和谐振 低fo 频率。它们仅仅决定于电感l 和电容c 两个参数。因此，要实现或取消电 路的串联谐振 ，既可以固定 电路参数而改变电源频率，也可以固定电源 频率而改变电感l 和电容c 2 1 0 2 . 2 . 2串联谐振电路的基本特性 1 . 输入阻抗及电流、电压特性 串联谐振时，电路输入阻抗z ( j o) o ) = r ，阻抗摸为最小值，在一定的 电压作用下，电路中的电流最大，电流相量和各电压相量是 第二章 串联谐振的荃本原 理及其在交流耐压试验中的实用意义 i o =u r i o =u j o) l o i o =.1 (2 一 4) w o c1 0 = _ u c o 式 中各相量下标 “ 0 ”表示谐振 时的量 。 谐 振 时 ， u l o + u c o = 0 . 相 当于短路 ) 。 电阻电压为端口电压，拉 l 。 与对 c o 有效值相等，相位相反 根据这一特点，串联谐振又称为电压谐振 ( 电路中a b间 谐振时电流及各电压相量如图 2 - 3所示。 图 2 - 3 r l c串联谐振的相量图 f i g 2 一 3 v e c t o r d i a g r a m o f r l c s e r i e s r e s o n a n c e 2 电磁能量特性 设 谐 振时 端口 电 压“ _ -i 2 u s in 外 t _ _._厂u . 9 !9 = 1 2 万 s in 外 r _ u. 7 r ) r - u u c ” y 2 r 4 c s m 4 一 2 夕 = 一 ， c r c c o s w o er % c 电场能量和磁场能量分别是 、!leseel产wewewej 气 o 产阮、 几q ij -一 w : = 合 。 zw l = 1 2 li = 成 u lzr l (sin q t) 一 l io (sin co t) ( 2 一 5) w c = 2 c u ? = 蒜(cos 0),t)2 lu 笔- ( c o s q t ) 2 式 - 由式 ( 2 - 4 ) 得到 华南理工大学工程硕士学位论文 w l= w c . = “ 孟 ( 2 一 6) 即谐振时，磁场能量的最大值等于电场能量的最大值。 电磁能量 总和 w = w l + w c = l t o (s i n rrt t ) z 十l d a ( c o s q t y “u o 上 式 表 明 储 能 的最 大值 ，谐振时电路中的总能量之和为一定值 ( 2 一 7 ) 且等于 l或 c中 ，w l , w c 和w 随时间变化的曲线如图 2 - 4 。从图中可以看出 磁场能量w : 和电场能量w e 相互转换产生周期性振荡， l c 两元件既不从电 源吸收能量， p o = 蜡 r = u z / r ， 也无 电磁 能量返回电源 。谐振 时，电路吸收的有功功率 无功功率q o = x l o = 0 0 图2 - 4谐振时w l , w c , w 的波形 f i g 2 - 4 wa v e f o r m o f w l , w c , w i n r e s o n a n c e 3 . 品质因数 r l c 串联电路谐振时感抗w o l( 或容抗 1) 与电 阻r 之比 定义为该 4c 电路 的 品质 因数 。_气l_ 甘 一 一二- 一 代 (2 一 8) 甄c r 式中， % l = 召 习 万 称为r l c 串 联电 路的 特性阻 抗， 品 质因 数q 无量 纲。 第二章 串联谐振的基本原理及其在交流耐压试验中的实用意义 显 然q=( 2 一 9) q由电路参数r l c 决定，与频率无关。 品质因数q是衡量谐振电路诸多性质和指标的一个参数。 谐 振 时 l a = u c o u u i o o ) o l i o r _%l_ 。 价二 - 一 甘 k ( 2 一 1 0) 即谐振时，电感、电容的电压都为输入电压的q 倍，q 值越高，这两 个电压也就越高，一般q 值都大于 1 ，高频电路中q 可达几百。所以在电 力系统的运行中若发生串联谐振，在电感器和电容器上出现的过电压可 能导致这些设备损坏 ，必须加 以注意和避免 。 谐振时，电阻元件的有功功率p o = 蜡 r ，由式 ( 2 - 7 ) 、式 ( 2 - 8 ) q = q 答= 2-f o 答 = 2 ,t - 答(式 中 t o = 牛 ) r o r o1 . r .) 。 q二2 9 谐振时电路中的电磁总能量 谐振时一周期内电路消耗的能量 (2 一1 1 ) 当一周期内电路消耗的能量一定时，q 值越大，电路的电磁总能量越 大，电磁振荡程度越激烈， 因此品质因数q 又是一个能反映谐振时电路电 磁振荡程度的量。因此可以用式 ( 2 - 1 0 ) ，或式 ( 2 - 1 1 )对品质因数q 加 以定义 。 2 . 3 r l c串联谐振在交流耐压试验中的实用意义 以下对 r l c串联谐振应用于电气设备交流耐压试验中的实用意义进 行 阐述 。 2 . 3 . 1 用较低的输入电压在试品上产生较高的试验电压 由以上所述的r l c串联谐振电路的基本原理可知， 一个r l c串联电路 的品质因数q 完全是由电路参数r l c 决定的，与频率无关。由 ( 2 - 1 0 )式 可知，电路发生谐振时，电感、电容上的电压都为输入电压的q 倍，q 值 越大，这两个电压也就越高。以图 3 所示的电路为例，当q 值很大时，电 路发生谐振的情况下就将有u l = u c u的现象出现。 我们知道，断路器、变压器、电缆等高压电气设备，在交流电压下 第二章 串联谐振的基本原理及其在交流耐压试验中的实用意义 显 然q=( 2 一 9) q由电路参数r l c 决定，与频率无关。 品质因数q是衡量谐振电路诸多性质和指标的一个参数。 谐 振 时 l a = u c o u u i o o ) o l i o r _%l_ 。 价二 - 一 甘 k ( 2 一