变频串联谐振试验方式在交流耐压中的应用.doc

变频串联谐振试验方式在交流耐压中的应用中冶实久电装分公司自动化部 任兆兴内容摘要：在电力系统交接和预防性试验中，大容量、高电压试品的现场交流耐压试验，采用传统的工频耐压试验方式，因所需试验设备和电源的容量要求很大，在现场进行试验十分困难。成套变频串联谐振试验装置的问世，及时解决了现场试验的难题，作为一种先进的试验设备，现已被国内外广泛应用。关键词: 变频串联谐振试验方式、交联电缆耐压、发电机耐压、GIS耐压、变压器耐压一、前言在电力系统中，为了准确判断电力设备是否符合运行条件,预防设备损坏,保证系统的安全运行,其中的一项有效措施就是对设备进行绝缘交流耐压试验。然而由于许多试品属于大容量、高电压的电容性试品，如：发电机、变压器、GIS、高压电缆等，采用传统的工频耐压试验，所需试验设备和电源的容量都很大，在现场进行试验的难度也非常大。对于同一试品而言，采用变频串联谐振试验方式，进行此类试品的交流耐压试验，所需的试验设备和电源的容量最小，试验设备的重量也最轻，十分方便现场应用。变频串联谐振试验方式是当前高电压试验的一种新的方法与潮流，在国内外已经得到广泛的应用。二、变频串联谐振试验方式的工作原理：1、基本变频串联谐振电路介绍： 图1：串联谐振电路 在图1所示电路中有一个固定的频率，当外加电源信号的频率等于这个频率时，该电路将发生谐振。电路的谐振频率是由电路本身的参数决定的，当电路参数一定时，可调节电源频率，满足谐振条件2f0= 1/ 2f0C时，电路发生谐振，谐振频率为f0=1/2。2、变频串联谐振试验方式工作原理：基于这一原理，在串联谐振电路前提供一个既能调节频率又能调节电压的变频变压的电源，把电抗器L作为电感，把试品Cx作为电容（对大多数试品而言，都可以等效为一个电容器），在试品（电容）两端并一个电容分压器作为测量及反馈之用，这样就构成了一套简单的变频串联谐振试验装置。变频串联谐振试验方式的工作原理如图2所示。图2：变频串联谐振试验原理图变频电源输出30300Hz频率可调的试验电压，由励磁变压器升压后，经谐振电抗器L和试品Cx形成高压谐振回路，在试品上得到正弦波。谐振电抗器可串、并联使用，以保证谐振回路在适当的频率下发生谐振。电容分压器是纯电容式的，用来测量试验电压。通过调节变频电源的输出频率，使回路处于串联谐振状态，谐振时，电抗器上和电容器上获得的电压最大，电感中的磁场能量与试品电容中的电场能量相互补偿，试品所需的无功功率全部由电抗器供给，电源只提供回路的有功损耗。调节变频电源的输出电压幅值，使试品上的高电压达到试验电压的要求。试品Cx上的试验电压为电源电压的Q倍，品质因素Q =Uc/U (U-励磁变压器的输出电压), 一般大于30。因此我们可以看出变频串联谐振试验方式具有以下特点：（1）试验电源容量可降低到试品所需容量的1/Q倍，即品质因素Q越高，所需试验电源容量越小。（2）当试品击穿时，谐振回路失去谐振条件，高压电路和低压电路的电流会快速减小，对试品破坏小。（3）由于谐振电抗器L和试品Cx形成高压谐振回路是一个良好的滤波电路，故试品Cx上的电压波形为良好的正弦波。3、变频串联谐振系统的参数配置： 实际应用中的变频电压谐振试验装置，一般是由试验设备生产厂家配套的，成套变频串联谐振试验装置，基本由以下部件组成：（1）变频电源：主要作用是为整套试验装置提供频率和幅值都可调节的电压，并集各种保护功能为一体。（2）励磁变压器：主要功能是将变频电源输出的电压升至合适的电压，以满足谐振电抗器、试品的试验电压要求。（3）谐振电抗器：是谐振回路的重要部件，当变频电源输出频率等于系统固有频率时，系统回路发生串联谐振。可根据试品实际情况，串联或并联连接使用，组成电抗器组，以满足试验电压和频率的要求。（4）电容分压器：主要用于试验电压测量和保护反馈信号使用。用电容式分压器测量高压电压是最常用的方法，分压器一般是由高压臂电容器C1和低压臂电容器C2串联组成，用电压表测量低压臂C2上的电压，然后按分压比算出高压臂C1上的电压。其结构简单，精度较高，非常适合各种场合使用。 现场试验时，首先要确定试品的等效电容量（可通过一些资料查到，附录中提供了一些常见试品的等效电容量，供参考），再根据试品要求的试验电压频率范围、试验电压值等参数，大概计算出谐振所需电感量、试验电流，试品容量等，然后配置变频串联谐振系统。常用的计算公式如下：谐振频率：f0=1/2 （单位： Hz、H、F） L-电抗器的电感量； C-被试品的电容量。试品电流：Ic=2f0CUc (单位：A、Hz、F、V) Uc-被试品两端的电压试品容量：P=UcIc （单位：VA、V、A）品质因素：Q= Uc/U (U-励磁变压器的输出电压)三、变频串联谐振试验方式的应用：1、变频串联谐振试验方式在高压交联绝缘电缆耐压中的应用：近年来，橡塑绝缘特别是交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆，因其具有优异的性能，在中、低压电压等级中已取代了油浸纸绝缘电缆，超高压交联聚乙烯绝缘电缆已发展至500KV等级。国标电气装置安装工程电气设备交接试验标准（GB501502006）第18.0.5条规定：“ 橡塑电缆优先采用20Hz300Hz交流耐压试验”。但交联聚乙烯电缆它最大的特点就是容量大，若是采用工频或接近工频的交流耐压试验，最大困难是长线路时需要很大容量的试验设备。在交联电缆投运前的试验手段上由于被试品容量大和试验设备容量的原因，很长时间以来，仍沿袭使用直流的试验方法。高压XLPE电缆线路的运行试验表明，直流耐压试验存在一些缺陷，首先是直流耐压过程中会在电缆及附件中形成空间电荷,对绝缘有积累效应,会加速电缆绝缘老化,缩短使用寿命；其次电缆绝缘在直流电压下分布与实际运行电压下分布不同，前者按电阻率分布而后者按介电常数分布，直流耐压试验不能有效地检查出有缺陷的XLPE绝缘电缆及附件。各国运行经验发现通过直流耐压试验合格的XLPE绝缘电缆及附件在投入运行后也会有击穿故障发生，因此，使用非直流的方法对交联电缆进行耐压试验就越来越受到人们的重视。目前，进行电缆交流耐压一般采用串联谐振法或0.1Hz超低频法进行试验。但0.1Hz超低频试验装置价格昂贵，其试验有效性也有异议，在国内使用不广。变频串联谐振试验系统不但能满足高压 XLPE电缆的耐压要求，而且具有重量轻、可移动性好的优点，适宜现场试验。试验方法： （1）现场试验接线布置如图3所示。图3：现场试验接线布置图（2）试验要点:1）在试验A相（B、C相同理），A相连接到高压源，A相屏蔽层连同其它相及屏蔽层一起接地，确认无误后开始加压。2）电缆屏蔽层过电压保护器短接，并使这一端电缆金属屏蔽或金属套临时接地。3）若电缆头是与GIS直接连接，在试验时应使GIS符合运行条件且GIS内部PT、避雷器需断开。4）如果电缆头安装在杆塔上，电缆的屏蔽层和非试相连接接地，该接地不可得用杆塔架，需要采用铜箔或裸铜线与串联谐振系统连成回路。5）对曾经运行过的电缆或其附属设备，在重新安装、部分安装或重新制作后，可采用较低的试验电压或缩短试验时间。试验电压值应经相关方协商确定，应考虑电缆运行年数、环境条件、过去击穿历史以及此次试验目的等因素。2、变频串联谐振试验方式在发电机耐压中的应用： 交流耐压试验是发电机绝缘试验项目之一，它的优点是试验电压和发电机运行电压的波形、频率一致，作用于绝缘内部的电压分布及击穿性能比较等同于发电机的工作状态。无论从劣化或热击穿的观点来看，交流耐压试验对发电机主绝缘是比较可靠的检查考验方法。所以交流耐压试验在发电机制造、安装、检修以及预防性试验中成为必做项目。随着发电机容量的不断增大，发电机定子绕组的对地或相间电容量大大增加，要求常规工频耐压设备容量太大，现场试验十分困难。更为严重的是常规大容量试验设备短路容量大，一旦发电机定子绕组绝缘被击穿，故障点短路电流大，容易造成烧损铁芯，使发电机修复困难，造成很大经济损失。因此，大型发电机耐压时需采用串联谐振耐压方式。试验方法：（1）现场接线示意图如图4所示：图4：发电机现场耐压接线示意图（2）试验要点:1）直接水冷的定子绕组在通水情况下进行试验时，要在冷却水循环状态下才能进行工频耐压试验。在不通水情况下，严禁未将水吹干净就进行工频耐压试验，因为这种情况可能使潮湿的绝缘引水管内壁发生闪络。且通水试验必须保证水质合格。2）氢冷电机必须在充氢前或排氢后且含氢量在 3% 以下时进行试验，严禁在置换氢过程中进行。3）耐压试验前后应测量试品的绝缘电阻，试验过程中试验电压不应迅速跌落。4）在通水情况下试验，由于水质的有功损耗，试验时系统Q值会比较低，且谐振点有可能会有微小漂移。5）试验谐振频率应在4565Hz范围内。全电压下耐受时间为60秒。3、变频串联谐振试验方式在GIS耐压中的应用：GIS是把断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器等组合在一起，并以SF6气体绝缘的电力设备。一般由2-18个间隔组成。对于110KV以下电压等及的多采用三相共一金属筒，220KV以上电压等级多采用每相一筒结构。GIS在工厂整体组装完成以后进行出厂调整试验，在试验合格后，以单元组件的方式运往安装工地现场。运输过程中的振动、撞击等可能会导致GIS元件或内部紧固件松动或位移；安装过程中，在联结、密封等工艺处理方面可能会因失误导致电极表面刮伤，或因安装错位而引起电极表面缺陷；空气中悬浮的尘埃、导电微粒、杂质等，在安装现场又难以彻底清理。这些绝缘缺陷如果没有在投运前检查出来，将因引发事故。事故统计表明，现场耐压试验虽然不能保证GIS不会在运行中发生事故，但是没有进行现场试验的GIS却大多数都发生了事故，因此，国内外近年来已取得共识，GIS必须进行现场耐压试验。GIS的耐压可采用交流电压、振荡操作冲击电压和振荡雷电冲击电压等试验装置进行。交流耐压是GIS现场耐压试验最常见的方法，它能有效地检查GIS内部存在的导电微粒、绝缘子表面脏污、电场严重畸变等故障。对检查异常的电场结构（如电极损坏），用雷电冲击耐压试验则非常有效；操作冲击电压试验对GIS内部存在的绝缘污染，异常电场结构等故障则行之有效。目前，由于试验设备和条件所限，现场一般只做交流耐压试验。当前，国内外大多采用变频串联谐振耐压试验装置进行GIS现场交流耐压试验，标准IEC517：1990和标准GB7674-1997均认为试验频率在10300 Hz范围内与工频电压试验基本等效，因此标准规定：GIS交流试验电压为出厂试验电压的80%，频率范围30300Hz。试验方法：（1）现场接线示意图如图5所示：图5：GIS现场耐压接线示意图（2）试验要点:1）试验必须在各气室SF6气体压力在额定下，并且充气24小时后测量气体含水量在合格范围内，处于可运行状态；GIS内的电压互感器应拆除（如GIS厂家同意，可以连同加压，但试验频率须大于100Hz，电压互感器二次绕组开路并接地。）；CT二次应短接接地；高压电缆、架空线、电力变压器、避雷器和保护火花间隙等设备与GIS连接处应断开。由现场确认无误后，方能试验。2）试验电压从试品进出套管上加入，施加到每相导体和外壳之间（试验相接高压），非试验两相连同GIS外壳接地。每次一相，高压引线需采用专用无晕引线。为避免在同一部位多次承受高电压而导致绝缘老化，试验电压应尽可能分别从几个部位施加。3）现场一般仅只做相对地交流耐压，如果断路器和隔离开关的断口在运输、安装过程中受损，或已经过解体，应做断口交流耐压，耐压值与相对地可取同一数值。若GIS整体电容量太大，可分段进行耐压。4） GIS试验时要分二个阶段，第一阶段先升压至额定相电压，进行510分钟“老练净化”，其目的是清除GIS内部可能存在的导电微粒或非导电微粒。这些微粒可能是由于安装时带入而没清理干净的，也可能是多次操作后产生的金属碎屑，或是紧固件的切削碎屑和表面的毛刺而形成的。“老练净化”可使这些可能存在的导电微粒移动到低电场区或微粒陷阱中去，也可烧蚀电极表面的行刺，总之使其不再对绝缘起危害作用。再升压至额定线电压，再老练净化510钟。第二阶段是老练净化过程结束，观察试品无异常后，升压至试验标准值，进行1分钟耐压试验。计时结束后将试验电压逐步降压至零值。5）试验时，须采用专用接地线与GIS壳体连接并可靠接地，切不可利用现场接地排做地线连接。6）如果GIS的每一部件均已按选定的试验程序耐受规定的试验电压而无击穿放电，则认为整个GIS的耐压已通过。在试验过程中如果发生击穿放电，则应根据放电引起的各种声、光、电、化学效应进行综合判断。有些放电如果是自恢复放电，重复试验能达到规定电压值和时间，则认为耐压试验通过。反之，则需将GIS解体，分段进行试验找出故障部位。然后打开放电气隔，检查恢复绝缘后，再进行下一次规定的耐压试验。4、变频串联谐振试验方式在变压器耐压中的应用：变压器交流耐压试验分外施耐压试验和感应耐压试验两种方式，外施耐压试验主要验证变压器线端和中性点端子及它们所连接绕组对地及对其它绕组的外施耐受强度，即：高压、中压、低压绕组间和对油箱、铁芯等接地部分的主绝缘。短时感应耐压试验（ACSD）主要是验证变压器每个线端和它们所连接绕组对地及其它绕组的耐受强度以及相间被试绕组纵绝缘的耐受强度。即绕组匝间、层间、段间和相间的纵绝缘。这两项试验从目的上看是有差异的。但考虑到交接试验主要是考核运输和安装环节的缺陷，且耐压对试品绝缘在一定程度上会造成损坏，因此现场交接试验只进行一次交流电压耐受即可。外施耐压试验法主要用于检查66KV及以下全绝缘变压器的主绝缘耐受强度，而现在许多大、中型变压器是降低绝缘水平的，如电压为110KV、220KV级的变压器，其中性点分别为35KV和110KV级的绝缘，这种产品称为中性点分级绝缘或称半绝缘变压器，其绕组的电压值和对地绝缘是从绕组末端到首端逐步增加的，故首末两端宜施加不同的电压，因此对分级绝缘变压器的主绝缘试验适宜采用感应法耐压。变频串联谐振系统在变压器耐压中主要用于外施耐压试验法，不适宜用于感应耐压试验法，一般需采用倍频感应耐压装置进行感应耐压或用操作波感应法进行感应耐压。试验方法：（1）现场接线示意图如图6所示：图6：变压器主绝缘交流耐压试验接线示意图（2）试验要点:1）必须在变压器充满合格的绝缘油并静置一定时间后才能进行。外施交流试验电压的频率应为4565Hz，全电压下耐受时间为60秒。2）被试验绕组和非试验绕组须短接，且非试验侧绕组短接后须接地，原则：试品上不可有悬浮电位。这是因为第一：变压器试验侧绕组如果不短接，由于对地电容的存在，电流流过被试绕组时，使得沿着整个绕组都存在着电位差，而非被试绕组开路，又导致被试绕组电抗较大，将使被试绕组末端电位显著升高，严重时将损坏被试绕组末端绝缘。第二：非试验侧绕组不短接接地时，绕组处于被试绕组对地电场中，在其绕组上将存在有悬浮的对地电位，当变压器两侧绕组间的电容较大时，非试验侧绕组对地电压可能会达到不允许的数值。3）交接试验时，对半绝缘的变压器进行外施耐压时，应注意必须按其中性点绝缘的等级进行。试验耐受电压标准为出厂试验值的80%，无出厂值时按电气装置安装工程电气设备交接试验标准（GB501502006）表7.0.13-2标准进行。4）试验时串联谐振系统的地应与变压器外壳采用专用接地线连接。四、现场试验中的注意事项：1、在工作电源进入设备前应加装明显断开点，当接线或更换被试品时应将两个断开点明显断开。2、试验前请确保变频电源、励磁变压器、电容分压器和被试品的接地端安全可靠接地，高电压试验必须采用独立地，切不可利用现场接地排或二次设备接地系统作高压试验的地，试验回路地线应用不小于4mm2专用接地线接地。3、高压试验必须要有安全防护措施，包括安全遮拦、围网以及安全距离等，在加高压以前，必须进行细致的检查。4、交流耐压试验应在试品的非破坏性试验（绝缘电阻及吸收比试验、tg试验、直流泄漏电流试验）均合格之后才能进行。如果这些非破坏性试验已发现绝缘缺陷，则应设法消除，并重新试验合格后才能进行交流耐压试验，以免造成试品不必要的损坏。5、试验时，操作人员及监护人员必