串聯(lián)諧振方案
變頻串聯(lián)諧振常見問題有哪些？四方國瑞電力告訴你
發(fā)布日期：2020-05-09 點擊：1425次
湖北四方國瑞是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)串聯(lián)諧振的廠家，本公司生產(chǎn)的串聯(lián)諧振在行業(yè)內(nèi)都廣受好評，以打造最具權(quán)威的“串聯(lián)諧振“高壓設(shè)備供應(yīng)商而努力。
什么是串聯(lián)諧振
在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路內(nèi)，當容抗XC 與感抗XL 相等時，即XC＝XL，電路中的電壓U 與電流I 的相位相同，電路呈現(xiàn)純電阻性，這種現(xiàn)象叫串聯(lián)諧振。當電路發(fā)生串聯(lián)諧振時，電路的阻抗Z=√R2+XC-XL2=R，電路中總阻抗最小，電流將達到最大值。
發(fā)生諧振時，由 于感抗和容抗相等，所 以電感和電容兩端的電壓有效值相等，即：UL=UC。又由于其相位相反，因此這兩個電壓是相互抵消的。在電容或電感的電壓有效值為：UL=UC＝XLI0=ω0LIO=ω0LU/R。式中ω0L/R 稱為諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，它代表電壓比。即UC/U 或UL/U。
品質(zhì)因數(shù)是衡量諧振電路特性的一個重要參數(shù)。如電路中電抗越大，電阻越小，則品質(zhì)因數(shù)越高。因此電容或電感上的電壓值將比外加電壓大的多。一般電感、電容諧振電路的品質(zhì)因數(shù)可達幾十甚至幾百。所以串聯(lián)諧振又叫電壓諧振。在電力系統(tǒng)中，串聯(lián)諧振將會產(chǎn)生高出電網(wǎng)額定電壓數(shù)倍的過電壓，對電力設(shè)備的安全造成很大危害。
串聯(lián)諧振的優(yōu)點
1、所需電源容量大大減小。串聯(lián)諧振電源是利用諧振電抗器和被試品電容諧振產(chǎn)生高電壓和大電流的，在整個系統(tǒng)中，電源只需要提供系統(tǒng)中有功消耗的部分，因此，試驗所需的電源功率只有試驗容量的1/Q。
2、設(shè)備的重量和體積大大減少。串聯(lián)諧振電源中，不但省去了笨重的大功率調(diào)壓裝置和普通的大功率工頻試驗變壓器，而且，諧振激磁電源只需試驗容量的1/Q，使得系統(tǒng)重量和體積大大減少，一般為普通試驗裝置的1/10-1/30。
3、改善輸出電壓的波形。諧振電源是諧振式濾波電路，能改善輸出電壓的波形畸變，獲得很好的正弦波形，有效的防止了諧波峰值對試品的誤擊穿。
4、防止大的短路電流燒傷故障點。在串聯(lián)諧振狀態(tài)，當試品的絕緣弱點被擊穿時，電路立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗電流的1/Q。而并聯(lián)諧振或者試驗變壓器方式做耐壓試驗時，擊穿電流立即上升幾十倍，兩者相比，短路電流與擊穿電流相差數(shù)百倍。所以，串聯(lián)諧振能有效的找到絕緣弱點，又不存在大的短路電流燒傷故障點的憂患。
5、不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓。試品發(fā)生擊穿時，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧即刻熄滅，且恢復(fù)電壓的再建立過程很長，很容易在再次達到閃絡(luò)電壓前斷開電源，這種電壓的恢復(fù)過程是一種能量積累的間歇振蕩過程，其過程長，而且，不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓。
調(diào)頻諧振裝置主要功能及其技術(shù)特點：
1、裝置具有過壓、過流、零位啟動、系統(tǒng)失諧（閃絡(luò)）等保護功能，過壓過流保護值可以根據(jù)用戶需要整定，試品閃絡(luò)時閃絡(luò)保護動作并能記下閃絡(luò)電壓值，以供試驗分析。
2、整個裝置單件重量很輕，便于現(xiàn)場使用。
3、裝置具有三種工作模式，方便用戶根據(jù)現(xiàn)場情況靈活選擇，提高試驗速度。工作模式為：全自動模式、手動模式、自動調(diào)諧手動升壓模式。
4、能存儲和異地打印數(shù)據(jù)，存入的數(shù)據(jù)編號是數(shù)字，方便的幫助用戶識別和查找。
5、裝置自動掃頻時頻率起點可以在規(guī)定范圍內(nèi)任意設(shè)定，掃頻方向可以向上、向下選擇，同時液晶大屏幕顯示掃描曲線，方便使用者直觀了解是否找到諧振點。
6、采用了DSP平臺技術(shù)，可以方便的根據(jù)用戶需要增減功能和升級，也使得人機交換界面更為人性化。
串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的區(qū)別
1. 從負載諧振方式劃分，可以為并聯(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器兩大類型，下面列出串聯(lián)逆變器和并聯(lián)逆變器的主要技術(shù)特點及其比較：
串聯(lián)逆變器和并聯(lián)逆變器的差別，源于它們所用的振蕩電路不同，前者是用L、R和C串聯(lián)，后者是L、R和C并聯(lián)。
（1）串聯(lián)逆變器的負載電路對電源呈現(xiàn)低阻抗，要求由電壓源供電。因此，經(jīng)整流和濾波的直流電源末端，必須并接大的濾波電容器。當逆變失敗時，浪涌電流大，保護困難。
并聯(lián)逆變器的負載電路對電源呈現(xiàn)高阻抗，要求由電流源供電，需在直流電源末端串接大電抗器。但在逆變失敗時，由于電流受大電抗限制，沖擊不大，較易保護。
（2）串聯(lián)逆變器的輸入電壓恒定，輸出電壓為矩形波，輸出電流近似正弦波，換流是在晶閘管上電流過零以后進行，因而電流總是超前電壓一φ角。并聯(lián)逆變器的輸入電流恒定，輸出電壓近似正弦波，輸出電流為矩形波，換流是在諧振電容器上電壓過零以前進行，負載電流也總是越前于電壓一φ角。這就是說，兩者都是工作在容性負載狀態(tài)。
（3）串聯(lián)逆變器是恒壓源供電，為避免逆變器的上、下橋臂晶閘管同時導(dǎo)通，造成電源短路，換流時，必須保證先關(guān)斷，后開通。即應(yīng)有一段時間(t )使所有晶閘管（其它電力電子器件）都處于關(guān)斷狀態(tài)。此時的雜散電感，即從直流端到器件的引線電感上產(chǎn)生的感生電勢，可能使器件損壞，因而需要選擇合適的器件的浪涌電壓吸收電路。此外，在晶閘管關(guān)斷期間，為確保負載電流連續(xù)，使晶閘管免受換流電容器上高電壓的影響，必須在晶閘管兩端反并聯(lián)快速二極管。
變頻串聯(lián)諧振裝置（BPXZ-HT系列）是華天電力運用串聯(lián)諧振原理，利用勵磁變壓器激發(fā)LC串聯(lián)諧振回路，通過調(diào)節(jié)變頻控制器，使回路里的電感L（電抗器）和電容C（試品）串聯(lián)諧振，產(chǎn)生的諧振電壓即為加到試品上的電壓。串聯(lián)諧振常常運用于電力，冶金等行業(yè)的大容量，高電壓的試品的耐壓試驗。
華意電力生產(chǎn)銷售變頻串聯(lián)諧振裝置已經(jīng)多年，偶爾也會有客戶打電話要求我們提供售后服務(wù)，但是真正出現(xiàn)儀器故障的很少，大部分是由于裝置不合理連接導(dǎo)致無法升壓或者升壓達不到要求。由于變頻串聯(lián)諧振裝置是運用串聯(lián)諧振原理，而大部分的人不太了解此原理，所以下面我們就運用技術(shù)原理來分析這些可能出現(xiàn)的問題，以便于給出正確的解決方案，也可以讓更多的人了解串聯(lián)諧振，讓華天電力生產(chǎn)的變頻串聯(lián)諧振裝置更好的服務(wù)客戶。
串聯(lián)諧振需要滿足頻率，電容，電抗三個條件，當這三個因素達到一定的要求時才可能發(fā)生諧振，從而在試品（電容C）上產(chǎn)生諧振電壓。由于在變頻串聯(lián)諧振裝置出現(xiàn)前，耐壓試驗更多的是采用試驗變壓器或者直流高壓發(fā)生器，而這兩種設(shè)備都是采用直接輸出電壓的模式，并不需要發(fā)生諧振，只要試驗變壓器輸出的電壓達到要求電壓，相對來說比較簡單，但是由于試驗變壓器受限于技術(shù)和容量的原因，無法對大容量高電壓的試品進行耐壓，而且大容量的試驗變壓器的體積 客戶在試驗時，我們必須保證試品（電容C）和我們組合的電抗器（電感L），能在頻率（30-300HZ）的范圍內(nèi)產(chǎn)生諧振。我公司生產(chǎn)的變頻串聯(lián)諧振裝置都是根據(jù)客戶的需求進行定制的，一般客戶提出要求的試品其電抗器的組合方式和激勵變壓器的輸出電壓的選擇在說明書上都有配置方案，如果是對定制內(nèi)的試品進行試驗可以直接參考方案進行試驗。如果是非方案內(nèi)的試品，則需要進行一些簡單的計算。
首先我們需要計算出試驗需要的電流：
I=2πfCU （C為試品的電容，U為試驗電壓）
然后根據(jù)試驗電壓U和試驗電流I對電抗器進行組合。電抗器的組合的原則是串聯(lián)電流不變，電壓相加；并聯(lián)電壓不變，電流相加。（電抗器都是一樣的，其銘牌標注有額定電壓和額定電流等）我們可以對電抗器進行串聯(lián)，并聯(lián)或者串并聯(lián)混合組合，使此時的額定電壓和額定電流都能滿足試驗電壓U和試驗電流I的要求。再根據(jù)組合的電抗器計算出組合后的電感L，然后使用一下公式進行計算：
f=1/2π
如果f在30-300Hz的范圍內(nèi)，則我們可以初步認為儀器可以諧振，而試驗也很大可能可以完成。（計算都是理論值，其還受品質(zhì)因素等影響）
以上為如何防止因為串聯(lián)諧振裝置與試品組合不匹配照成的無法升壓問題的簡單計算和解決方案，我們只有在計算后，使計算的理論值都符合要求才能保證我們的試驗成功。
當然并不是所有的無法升壓都是由于匹配組合問題造成的，有可能還有裝置和試品本身的問題。所以當我們計算出滿足諧振的試驗要求，而儀器又無法進行升壓時，我們就需要確定是不是串聯(lián)諧振裝置或者試品的問題。此時我們可以使用串聯(lián)諧振裝置進行自升壓試驗，我公司生產(chǎn)的串聯(lián)諧振裝置，在不帶試品（電容C）的情況下，利用補償電容（可能含有）或者電容分壓器結(jié)合電抗器也可以進行自升壓操作，此操作主要是檢驗串聯(lián)諧振裝置每個部分是否可以正常工作，如果在正確組合和接線的情況下，串聯(lián)諧振裝置仍然無法自升壓，則說明裝置產(chǎn)生故障，需要返廠進行維修。如果串聯(lián)諧振裝置可以正常工作，則可以初步判斷設(shè)備沒有故障，客戶就需要檢測試品是否存在接線或者本身有問題。
由于變頻串聯(lián)諧振裝置是最近才出現(xiàn)的耐壓裝置，其使用原理也是不太常見，而且串聯(lián)諧振由變頻源，電抗器，分壓器，激勵變壓器，補償電容等組成，相對比較復(fù)雜，可能出現(xiàn)的問題的原因也比較多，我們這里也無法一一列舉，以上給出的方案只是針對比較常見問題，如果還無法解決，可以撥打售后電話，尋求湖北四方國瑞的專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)。
華意電力是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)串聯(lián)諧振的廠家，本公司生產(chǎn)的串聯(lián)諧振在行業(yè)內(nèi)都廣受好評，以打造最具權(quán)威的“串聯(lián)諧振“高壓設(shè)備供應(yīng)商而努力。
現(xiàn)場耐壓試驗取高電壓最直接的方法是使用試驗變壓器將電壓升到耐壓試驗所需要的電壓值，但該方法存在很多局限性。被試驗設(shè)備電壓等級越高，試驗變壓器的變比就越大，由于試驗電壓比被試設(shè)備運行電壓高很多，對變壓器的絕緣水平要求較高，且?guī)ж撦d能力受到二次繞組的容量和現(xiàn)場試驗電源的很大限制；因此，只有較低電壓等級和較小電容值的被試設(shè)備才使用試驗變壓器產(chǎn)生高壓進行耐壓試驗。對于較高電壓等級和較大電容值的被試設(shè)備，現(xiàn)場常用串聯(lián)諧振方法產(chǎn)生高電壓進行耐壓試驗；對于較低電壓等級和大電容值的被試設(shè)備，現(xiàn)場常用并聯(lián)諧振方法產(chǎn)生高電壓進行耐壓試驗。并聯(lián)諧振方法主要用于電力電纜的交流耐壓，它較好地滿足了被試設(shè)備較大電力的要求，但產(chǎn)生的電壓并不高，本文對這種方法不進行討論。串聯(lián)諧振產(chǎn)生高電壓方法的應(yīng)用較為廣泛，但現(xiàn)場使用這種方法進行耐壓試驗時也遇到不少問題。本文主要就變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗的原理及應(yīng)用進行分析與研究。
一、對高壓電氣設(shè)備進行交流耐壓試驗的必要性
(1)直流耐壓試驗不能反映設(shè)備實際工況下的電場分布，難以正確發(fā)現(xiàn)高壓電氣設(shè)備的內(nèi)部缺陷。直流電壓下，電氣元件上的電壓按電阻分布，交流電壓下電氣設(shè)備上的電壓則是按介電常數(shù)分布，它反映實際運行的情況。例如: 對于交聯(lián)電纜、全膜或紙膜電容器，其固體介質(zhì)的電阻率可高達1-100EΩ*m ，當其電容元件絕緣薄膜絕緣不良時，其電阻率可大幅下降，只有原電阻率的幾分之一。做直流耐壓時。電阻率高、絕緣良好的電容元件可承受的電壓較不良電容元件反而高出幾倍，使絕緣不良的電容元件反而更容易通過試驗，但在運行電壓下，其絕緣缺陷便會暴露出來，誘發(fā)故障。(2)直流電壓可使高壓電氣設(shè)備內(nèi)部的局部放電大為減弱，不利于絕緣缺陷的檢出。高壓電氣設(shè)備內(nèi)部的某些絕緣弱點或極板邊緣電場集中的部位均可能產(chǎn)生局部放電，持續(xù)的局部放電對絕緣是有害的。因高壓電氣絕緣的多樣性，在導(dǎo)體和絕緣介質(zhì)之間往往存在多種絕緣介質(zhì)，而各種介質(zhì)的場強分布不同，加壓時，場強較高的介質(zhì)會先發(fā)生局部放電，但是同樣的復(fù)合材料，在直流電壓作用下，局部放電會大大減弱。氣隙發(fā)生局部放電后產(chǎn)生的正、負離子形成反向電場強度E'，使氣隙中的合成場強下降，使局部放電削弱甚至熄滅。而交流電壓則不然，只要外加試驗電壓高于局部放電起始電壓，每半周內(nèi)至少會發(fā)生兩次局部放電，因此交流耐壓試驗檢出的絕緣缺陷遠比直流耐壓敏感。(3)工頻交流耐壓試驗反映(符合)實際運行電壓波形，與運行中出現(xiàn)的工頻暫態(tài)電壓升高的情況較為符合，不存在等價性問題。但工頻耐壓，試驗設(shè)備的容量不易解決:工頻耐壓試驗由于其設(shè)備龐大笨重，現(xiàn)場運輸困難，一般僅能在現(xiàn)場做110kv電壓等級的G IS和SF 6 斷路器，且試驗過程中若被試品發(fā)生閃絡(luò)或擊穿，短路電流極易燒傷被試品。綜上所述，施加交流耐壓才能真實地考核高壓電氣設(shè)備的制造質(zhì)量，才能有效地檢出因各種因素造成的絕緣缺陷，但工頻耐壓存在一些缺陷。
二、變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗的原理和應(yīng)用
(1)根據(jù)串聯(lián)諧振的原理(見圖1) 當L、C、R 串聯(lián)回路中的感抗與試品容抗相等時，感抗中的磁場能量與試品電容中的電場能量相互補償，試品所需的無功功率全部由電抗器供給，電源只提供回路的有功功率，此時電路的功率因數(shù)cosψ=1.0，即電源電壓與諧振回路電流同相位，電感上的電壓降與電容上的電壓降相等，相位相反。
(2)變頻串聯(lián)諧振裝置是運用串聯(lián)諧振的原理，利用勵磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，通過調(diào)節(jié)變頻電源的輸出頻率，使得回路中的電抗器的電感L和試品電容器的電容C發(fā)生諧振，最后通過調(diào)整勵磁的輸出電壓，使諧振電壓達到所要求的試驗電壓。變頻串聯(lián)諧振試驗裝置廣泛應(yīng)用于電纜、大型電力變壓器、氣體絕緣組合電器(G IS)、電力電容器等高電壓、大容量的電力設(shè)備的交流耐壓、感應(yīng)耐壓等試驗項目中。其試驗原理如圖2所示：
原理總結(jié):串諧裝置可提供被試設(shè)備高于高于電源電壓Q 倍的試驗電壓。由于電源容量減小且電感、電容可做成分段式，使試驗設(shè)備輕巧，運輸方便，為大容量、長距離現(xiàn)場試驗成為可能并提供極大方便，同時利用試驗頻率允許在一定可調(diào)范圍內(nèi)(30一300H z)和試驗電抗器固定可調(diào)(單一電抗器是不可調(diào)的，但是通過串并聯(lián)，總電感可調(diào))的原理，使得系統(tǒng)的柔性大大增加。
調(diào)諧式串諧具有體積小、重量輕，消耗的電源能量小，試驗電壓獲得容易，操作方便，省時省工，同時串諧試驗將避免被試設(shè)備擊穿時產(chǎn)生過大的短路電流，而使設(shè)備進一步受損。但是，在試驗過程中一定要做好一次引線及導(dǎo)電部分的屏蔽，盡量降低線路電暈損耗引起的等效電阻，提高設(shè)備品質(zhì)因數(shù)Q，才能保證耐壓試驗順利進行。
華意電力生產(chǎn)的變頻串聯(lián)諧振成套裝置主要是針對500KV及以下CT.GIS，220KV電纜。GIS的交流耐壓試驗設(shè)計制造。電抗器采用多節(jié)分體設(shè)計，既可滿足高電壓，小電流的設(shè)備試驗要求，又能滿足220KV電纜這樣的交流耐壓試驗要求，具有較寬的適用范圍，所以成為高壓試驗部門及電力安裝、工程單位理想的耐壓設(shè)備。
變頻串聯(lián)諧振成套裝置產(chǎn)品特點
1. 大屏幕顯示試驗數(shù)據(jù)、試驗狀態(tài)，并有實時操作步驟提示功能
2. 能靈活整定實驗電壓、調(diào)頻范圍、加壓時間
3. 試驗結(jié)果能計算出被試品電容
4. 體積小、重量輕、操作方便
5. 分辨率高、頻率分辨率為0.001HZ
6. 安全可靠高、系統(tǒng)具有過電流、過電壓及放電保護功能，可有效保護人身及設(shè)備安全試驗結(jié)果可打印可升級造作軟件
變頻串聯(lián)諧振成套裝置工作原理
高壓電抗器③可并、可串接使用，以保證回路在適當?shù)念l率下諧振。通過變頻控制器①提供電源，試驗電壓由勵磁變壓器②經(jīng)過初步升壓后，使高電壓加在高壓電抗器③和試品⑥上，通過改變變頻控器的輸出頻率，使回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)；調(diào)節(jié)變頻電源的輸出電壓幅度值，使試品上的高壓達到合適的電壓值?；芈返闹C振頻率取決于與被試品串聯(lián)的電抗器的電感L和試品的電容C，諧振頻率f=1/（2π
）。
例：10kV，630平方毫米交聯(lián)電纜6km，試驗頻率30~300HZ,電容量≤3.06μF，試驗電壓22kV。頻率取35Hz
試驗電流 I=2πfCU試 =2π×35×3.06×10-6×22×103=14.7A
對應(yīng)電抗器電感量 L=1/ω2C=7H
設(shè)計六臺電抗器，使用電抗器六節(jié)并聯(lián)，則是單臺電抗器為67.5kVA/27kV/2.5A/42H
變頻串聯(lián)諧振成套裝置電抗器使用關(guān)系表
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設(shè)備組合 試品 |
電抗器 67.5kVA/27kV六節(jié) |
激勵變壓器 輸出端選擇 |
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10kV /630mm2交聯(lián)電纜 |
長度6km |
使用電抗器六節(jié)并聯(lián) |
1kV |
總結(jié)：10kV，630平方毫米交聯(lián)電纜6km的選型結(jié)果是XZB-405kVA/108kV調(diào)頻式串聯(lián)諧振試驗裝置。
四方國瑞電力生產(chǎn)的變頻串聯(lián)諧振成套裝置采用16位精細變頻、10KHZ載波頻率、SPWM和進口原裝IPM整體模塊設(shè)計、制造的變頻串并聯(lián)諧振成套試驗裝置，完全符合國家有關(guān)高壓實驗的規(guī)程和要求。
