电力高压试验中串联谐振装置的应用分析

国网芜湖供电公司 舒日高 陆宇豪 张昌丽 刘虎城

1 引言

为了确保发电公司日常使用的电气绝缘设备本身的安全性有必要对电气设备进行定期检测，其中高压试验是电力系统常见的检测形式。利用交流耐压方法是当前我国常见的高压试验中的主要方式方法，在交流耐压试验中对电源和用电设备的要求较高，因此为了提升试验的准确性，提高试验效率且同时降低试验检测难度串联谐振试验法应运而生。串联谐振试验装置具有增大电压和电流的功效，主要利用的是谐振电抗器和待测品电容，产生谐振，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分。基于各类优势，认为有必要对高压电气试验中利用串联谐振装置进行更深层次的研究与论述。

2 初步分析

2.1 串联谐振原理

现阶段我国高压电气试验中普遍运用到串联谐振装置完成，其主要利用简单的“R（电阻）-L（电感）-C（电容）”串联电路制造的谐振形式完成试验分析，在如下图1的电路中电源电压和电流存在相位相同，与此同时也能使无功电压和相位相反其所产生的效果相同，此时完整电路表现为阻性特征[1]。电阻R（电阻）大小值决定谐振电力值高低，电路中L（电感）和C（电容）可以帮忙调整谐振频率，在试验中呈现串联谐振的效果，主要运用的数学模型为：

图1 R-L-C 串联电路

R-L-C 串联电路如图1所示。

在完整的高压电路试验中想要实现串联谐振效应首先要协调好电容器和电抗器之间的关系，电路中电容器产生C（电容），电抗器产生L（电感），技术员通过对电容器和电抗器的有效调节得到和电路中固定频率一致的外来电源信号频率并维持不变，这时通路中就会产生谐振现象。

谐振现象持续过程中C（电容）和L（电感）两段的电压可以达到高压的最大状态，同时也成就了电气设备高压试验的理想状态[1]。电路运行过程中当其他参数确定时，通过转化设备的频率，电路便可以产生谐振现象，主要运用的数学模型为：

2.2 串联谐振装置的应用优势

2.2.1 体积小，容量大，损耗低

现阶段，我国在串联谐振装置的研发也逐渐成熟，完整的串联谐振装置只需要具备2500pF 分压器、68H/单节电抗器、额定18kW 输出电容变频电源和激励变压器等5部分组成[2]，串联谐振装置如图2所示。在该类型的装置中，不仅具有很高的便捷性，不需要大型的大功率调压装置，也无须大功率工频试验变压器。谐振励磁电源只需试验容量的1/Q，从而可以实现系统的轻便性，包括其总重量和所占的体积，一般为普通试验装置的1/10-1/30。

图2 串联谐振装置

相较于其他高压试验装置专练谐振装置总体重量轻便，占地空间较小，试验过程中简单便捷利于搬运。在容量较大直接耐压测试中，当绝缘子击穿，相应受损位置被短路，流通电流值瞬间增加，导致烧毁铁芯，增加风险值，利用串联谐振装置体积小、轻便灵活的特点可以在试验中完成相应设置从而能够有效避免相同问题发生，由于试验过程中电抗器和电容器谐振后会产生高电压大电流。在整个系统中，变频电源只需要提供系统中消耗的部分有功功率[3]。高压试验所需的电源功率仅为测试容量的1/Q，从一定程度上达到了节能减排的效果。

2.2.2 有效改善输出电压波形

串联谐振装置可以利用PC 端数控装置对输出电压的波形进行优化，优化后的形状分明的正弦sin波形可以有效防止谐波峰值对试品的误击穿，进而保障检测过程顺利开展，提升整体效率。在GIS 设备中通常采用气体绝缘开关装置，在长途运输过程中，部分GIS 固件和构件容易在外力的作用下产生位移和松动等情况，设备运输到场后，通过串联谐振装置调整输出电压波形可以有效对电场结构进行检测，形状分明的正弦电压波形在传导过程中若遇干扰波形受损从而精准找到故障点，进一步防范危险事故的发生。利用串联谐振装置能够对压力波形实施动态检测，从而全面掌握现场具体情况。

2.2.3 稳定性、可靠性强

预防短路故障是供电公司和供电单位重要的运维工作，短路故障产生后，电力设备出现过载现象，如果继电保护装置不能作出响应，很可能导致电气设备的损伤甚至引起爆炸。在交流耐压试验过程中，为保障发电机输出电压稳定且正常运转，需要对发电机的绝缘性能进行检测，检测过程中传统方法并不能对电路中的电流、电压进行有效调节，为避免电路短路烧毁铁芯，则需要体现串联谐振装置的稳定性和可靠性，试验中铁芯气隙调节电感，控制电流和电压保持谐振，稳定调节电流与电压的输出波形，以免烧毁铁芯，维护电路运转[4]。

3 主要装置及注意事项

3.1 激励变压器接线注意事项

一是当该变压器需要放置于电机的耐压试验装置时，激励变压器通常接低端。二是当该变压器需要用于开关、GIS 的耐压试验装置时，接高端，变压器耐压激励变压器接低端。三是当该变压器接入10kV、35kV、110kV 电缆的耐压试验装置时，高压电缆110kV 接入高端，低电压电缆接低端。

3.2 电抗器及分压器接线注意事项

对于短电缆，不考虑电压的影响，都会至少串联两节电抗器，以确保回路可以触发谐振现象。

3.3 电抗器接线注意事项

一是当需要接入开关或者电容较低的交流耐压试验试验品时，需要串联所需的电抗器，为确保谐振还需要放置在高压回路中。二是当该电抗器需要接入开关、GIS、变压器的耐压时，电抗器需要串联且其指数需要按照实际的试验电压确定。

4 串联谐振装置实际应用与案例分析

4.1 电缆高压试验

近年来我国现代化进程加速，电缆电网的大量铺设，伴随用电便捷的效益同样带来的是电网电缆电力事故的多发。为了有效降低电网发展带来负面事件发生概率，确保所安装的电缆可以长周期安全稳定运作，需要运用串联谐振装置交流耐压试验取代先前传统的直流高压试验，通常其频率调试范围涵盖了30～300Hz，为确保该试验的安全和准确，在试验员在试验过程中应注意的内容包括：

一是注意降低直流电场对试验的影响。试验过程中电流通过电路导致电阻温度上升，此时直流电场会伴随电阻的增加也随之变强，因此在选择直流电场的强度时需要考虑到电阻率的分布情况。

二是杜绝绝缘击穿事故发生。检验电路中直流电极容易在高压电缆内部产生聚集空间，在试验过程中应抑制电缆局部电场变强避免绝缘弱点暴露。

4.2 气体绝缘开关试验

由于电气设备在长途运输的过程难免出现磕碰和其他不可控因素导致设备气体绝缘开关出现松动甚至脱落的情况。对气体绝缘开关试验是保障电气设备日后稳定运行的第一步。根据相关数据显示当高压试验频率在35～75Hz 时，结果可置信度高达95%以上。因此试验前，试验人员应提前控制好装置的输出频率。试验过程中待测气体绝缘开关如果不产生发电、闪烁或绝缘性能改变等异常，则表示该开关可以正常使用无安全隐患[5]。

4.3 交流耐压试验

定子绕组绝缘性能的好坏直接关系到发电机能否稳定持续的向外输出电流，进而也就关系到供电公司运行是否安全可靠。在传统的交流耐压试验中调节电压和电流方案并不是理想，导致因试验设备故障短路引发的铁芯烧毁现象屡见不鲜，为电气公司带来经济损失。串联谐振装置可以直接在电气设备的铁芯气隙的基础上完成电感变换，协调电流和电压频率和输出波形完美化解此类技术难题。

5 案例简析

公司在选择串联谐振装置完成电缆高压试验时，选取电力电缆长度可以达到1000m，加载电压需要达到14kV 交流电压，频率调节过后，随后分别对电抗器的数量及规格、变频控制器电压进行调节，使试验频率和工作频率吻合。此时电容数值为0.411uF，通过对比激励变压器，得到串联谐振装置的电抗值较高。试验数学模型为：

式中：C为电路常参数；C1+C2为分压器电容总和；Cx为试验电容。

当试验电容和电缆容量出现同时比分压器电容小的情况时，谐振回路的电容应当与电容一致。试验过程中借助电抗器通入1.2A 电流中完成耐压试验，时长5min，并未发现试验电缆被击穿或出现绝缘闪络情况，则证明该电缆合格可放心使用。

6 提升电气设备高压试验安全性的相关举措

6.1 提升对装置接地不良的重视程度

在利用传利谐振设备进行电气高压试验的过程中，为顺利进行电压试验，且确保安全性，相关测试人员需要重视电气设备高压TV 以及TA 的二次绕组情况，接地不良不仅会影响测试数据的准确性更有可能对测试人员生命健康造成威胁。极其重要的是在进行电气设备交流耐压测试时，相关人员需要具备扎实的理论基础，对设备了如指掌包括设备的电容和电流，结合实际的电流强度对电气高压试验中试验设备电压运行的分析，确保试验能够安全进行。

6.2 注重引线的作用

引线在试验中具有建设性的作用，一般，在试验过程中需要拆除达几百兆欧电阻的绝缘带，否则就相当于在电路上增加另一个电阻器，影响到电气高压试验的正常进行。

7 结语

为确保串联谐振装置能够在电气设备高压试验中发挥出应有的检测作用，需要加强串联谐振装置整体管控力度，对电力高压试验方案进行反复试验并结合不同的试验环境及结果进行针对性优化。经讨论分析本文发表对电气设备试验工作具备一定的借鉴性质。