摘要:串聯(lián)諧振耐壓能夠大大減小試驗(yàn)電源的容量，因而在高壓耐壓試驗(yàn)中被廣泛運(yùn)用，在一般情況下只需根據(jù)被試品的電容和串聯(lián)電抗器計(jì)算出諧振頻率和試驗(yàn)電流即可確定試驗(yàn)儀器是否能夠滿足要求，但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)電纜和變壓器耐壓中試驗(yàn)儀器都能順利找到預(yù)料中的諧振點(diǎn)，但在發(fā)電機(jī)耐壓時發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)儀器不能發(fā)現(xiàn)預(yù)料中的諧振點(diǎn)，對此，文章對此現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的分析

關(guān)鍵詞: 串聯(lián)諧振，品質(zhì)因數(shù)，介質(zhì)損耗

由于電氣交接試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50150規(guī)定高壓電纜要改直流耐壓為交流耐壓，而高壓長電纜往往電容量比較大，如果單純用工頻交流耐壓裝置進(jìn)行交流耐壓，將會由于試驗(yàn)設(shè)備的容量的增大而使設(shè)備變的非常昂貴和笨重，這樣的設(shè)備往往不經(jīng)濟(jì)也不適與現(xiàn)場試驗(yàn)。采用變頻串聯(lián)諧振耐壓將會使試驗(yàn)設(shè)備的容量大大減小，從而使設(shè)備變的輕巧而便于在現(xiàn)場試驗(yàn)中使用。在樣的背景下，各種串聯(lián)諧振試驗(yàn)儀器目前正被廣泛使用。我分局試驗(yàn)室在2007年購買了溫州華特生產(chǎn)的一套變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備，變頻范圍為30-300HZ，勵磁變壓器容量4.5KVA輸出可選750V 6A 、1500V 3A 、3000V 1.5A三檔，配4個電抗器每個參數(shù)分別為感抗22H、 額定電壓18KV、電流2.8A 、電阻72Ω。筆者曾多次使用這套設(shè)備進(jìn)行電纜、變壓器的諧振耐壓試驗(yàn)，一般情況下根據(jù)試品電容和所配電抗器計(jì)算出諧振頻率，設(shè)備能自動搜索到這一諧振頻率點(diǎn)，計(jì)算值和自動搜索值相差無幾，對一般的35KV以下電纜該設(shè)備均能滿足耐壓要求。

既然變頻串聯(lián)諧振有諸多的優(yōu)點(diǎn)，能不能把它也應(yīng)用到發(fā)電機(jī)耐壓上呢。以前曾經(jīng)聽同事提起前兩年我們單位曾經(jīng)購買過一臺華特的類似串聯(lián)諧振設(shè)備，但因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)耐壓時發(fā)現(xiàn)無法找到諧振點(diǎn)而退貨了?，F(xiàn)在這臺設(shè)備是不是也存在同樣問題呢，我一直在尋求一個機(jī)會來做這個嘗試。正好今年4月份，我分局安裝的浙江省青田灘坑水電站(3×200MW)首臺機(jī)發(fā)電機(jī)進(jìn)入下線后線棒分層耐壓階段，我們利用這套設(shè)備進(jìn)行了一次嘗試。試驗(yàn)接線原理如下圖(圖1)所示:

其中電抗器采用4只22H 兩并兩串用于提高耐壓等級和增大電流，所以電阻和電抗不變?nèi)詾镽1=72Ω L=22H，Cx=0.4μF，根據(jù)這些參數(shù)可以計(jì)算出諧振頻率為f=1/2π√LC=53.7Hz。灘坑機(jī)組發(fā)電機(jī)額定電壓為13.8KV發(fā)電機(jī)上層線棒耐壓等級為35.5KV電抗器兩個串聯(lián)后為36KV能滿足要求，流過電抗器的電流I=2πfCU/2=3.14*53.7*0.4*10-6*35.5*103=2.39A也小于2.8A能滿足要求。

在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)裝置不能正確搜索到諧振點(diǎn)，手動搜索時發(fā)現(xiàn)諧振頻率和計(jì)算的相差不遠(yuǎn)，但是諧振曲線很平坦，品質(zhì)因數(shù)比電纜耐壓時有很大的降低。當(dāng)時測到的一組數(shù)據(jù)如下:手動諧振頻率F=53.9 Hz，和計(jì)算值接近，試品發(fā)電機(jī)高壓測量電壓值Uc=10.0KV勵磁變壓器輸出電壓UL=750V 電流I=1.34A品質(zhì)因數(shù)僅為Q=Uf/UL=13.3倍，而根據(jù)理想狀態(tài)的等效電路(如下圖2):

忽略定子直流電阻，品質(zhì)因數(shù)Q=ωL/R1=√L/C=53.7*6.28*22/72=103實(shí)際效果和計(jì)算值出入比較大。，根據(jù)使用這套設(shè)備進(jìn)行電纜耐壓試驗(yàn)時的經(jīng)驗(yàn)，品質(zhì)因數(shù)雖不能達(dá)到理想狀態(tài)，但一般均能獲得比較尖銳的諧振曲線，因而裝置均能順利自動搜索到諧振點(diǎn)?？磥硎褂眠@套設(shè)備進(jìn)行發(fā)電機(jī)耐壓時上述等效電路模型并不適用，那么是什么原因造成了這現(xiàn)象呢，我們觀察上述現(xiàn)象，諧振頻率并沒有發(fā)生很大變化，而電抗L也不會發(fā)生變化那么等效回路中電容C值也不會發(fā)生變化，只是好象回路中多串了一個電阻。這個電阻在實(shí)際電路中并不存在，但能根據(jù)實(shí)際的電路轉(zhuǎn)換而來，如下圖(圖3)所示:

在電路A中的CA和RA實(shí)際上代表了介質(zhì)損耗的等效電路，tgδ=1/ωCR，A和B相互轉(zhuǎn)換的公式推導(dǎo)如下:

ZA=R1+jωL+RA*(-j/ωCA)/(RA-j/ωCA)=R1+RA/((RAωCA)2+1)+j(ωL-RA2ωCA/((RAωCA)2+1))

上式中由于tgδ=1/ RAωCA《1比較小，因此(RAωCA)2+1≈(RAωCA)2上式可簡化為:

ZA= R1+1/( RAωCA*ωCA)+ j(ωL -1/ωCA)= R1+ tgδ/ωCA+ j(ωL -1/ωCA)

而ZB= R1+RB+ j(ωL -1/ωCB)

因此可以得出:RB= tgδ/ωCACB=CA，

由此可以看出:當(dāng)tgδ/ωCA足夠大時，造成回路中電阻得增大從而減小了品質(zhì)因數(shù)，根據(jù)有關(guān)資料可以查到，一般構(gòu)成橡塑電纜主絕緣的聚乙烯和交聯(lián)聚乙烯的介損值約為0.01~0.05%之間，而構(gòu)成發(fā)電機(jī)主絕緣的瀝青云母帶在0.2~1%之間，而這種差異正是造成了兩者在串聯(lián)諧振耐壓時品質(zhì)因數(shù)不同的主要原因。

根據(jù)本次試驗(yàn)中的電路參數(shù)制作出不考慮介損值和考慮介損值時的諧振頻率曲線如下圖(圖4)所示:

根據(jù)上圖可明顯看出理想的諧振曲線是非常尖銳的曲線選擇性非常好，而考慮了介損的實(shí)際諧振頻率曲線非常平坦，失去了選擇性，因而導(dǎo)致裝置無法自動搜索到諧振點(diǎn)。

不過上述結(jié)論并不意味著我們不能利用這套變頻串聯(lián)諧振裝置進(jìn)行發(fā)電機(jī)耐壓試驗(yàn)，我們還是可以利用這套裝置對電容量較小的中小發(fā)電機(jī)進(jìn)行整體耐壓，雖然品質(zhì)因數(shù)較低(從這次試驗(yàn)來看可以達(dá)到十幾倍)，但我們可以通過提高勵磁變的輸出電壓(最高可到3KV)來達(dá)到所需要的試驗(yàn)電壓。

小結(jié):在工程應(yīng)用中為了方便分析我們經(jīng)常忽略一些次要的因數(shù)而考慮主要的因數(shù)，由此得到的等效電路圖，在一般情況下并不影響我們正確分析問題，但是在某種條件變化下我們忽略的次要因數(shù)已經(jīng)發(fā)生變化而不能被忽略，而我們?nèi)匀皇褂迷刃щ娐愤M(jìn)行分析就會得出錯誤得結(jié)論。本文基于這一思路對發(fā)電機(jī)串聯(lián)諧振耐壓時品質(zhì)因數(shù)低這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析，由于作者水平和現(xiàn)場條件所限，考慮的因數(shù)不一定全面，得出的結(jié)論不一定完全符合實(shí)際情況，希讀者批評指正。