工頻不完全諧振在高壓試驗中的應用

馬 青，徐建平，趙李江

（1.浙江省火電建設公司，杭州 310016；2.浙江省電力公司，杭州 310007）

火電廠廠房內的中壓電氣設備主要包括6 kV等級的交流感應電動機、真空斷路器、電流互感器、電壓互感器、干式變壓器、電力電纜、母線等；20～35 kV等級的斷路器、電流互感器、電壓互感器、絕緣子、油浸式變壓器、干式變壓器和封閉母線等。這些設備不但電壓等級不一，容量也各不相同。根據電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準，這些中壓設備都應進行工頻交流耐壓試驗。如果只用試驗變壓器，需要多臺且很大的容量才能滿足要求。

為減少試驗設備，提高工作效率，提出了工頻不完全諧振的試驗方法，即利用并聯諧振和串聯諧振的原理，提高試驗電壓，減少試驗電流。

1 幾種工頻不完全諧振

1.1 工頻并聯補償

工頻并聯補償是在試驗變壓器的額定電壓能滿足試驗電壓的要求，但電流達不到被試品所需試驗電流的情況下，采用并聯諧振對電流加以補償，解決容量不足的問題，原理接線如圖1所示。

圖1 工頻并聯補償原理圖

由于現場設備試驗電壓各不相同，如果用這種方法進行現場試驗，需要配置5～6臺不同容量和不同電壓等級的變壓器，以滿足現場的要求，并且每臺變壓器基本只能對一類或者兩類現場設備進行交流耐壓試驗。

1.2 工頻串聯補償

串聯補償主要用于試驗變壓器的額定電壓不能滿足所需試驗電壓，但電流容量能滿足被試品試驗電流的情況下，試驗接線如圖2所示。

圖2 工頻串聯補償原理圖

被試品CX上的電壓取決于試驗回路中電流的大小，其值可高于試驗變壓器輸出電壓許多倍。但試驗電流受到試驗變壓器一次額定電流范圍的限制，對于現場電容量很小或很大的設備，很難通過這種方法進行交流耐壓試驗。

1.3 工頻串并聯補償

串并聯混合補償是在試驗變壓器的額定電壓和額定電流都不能滿足試驗要求時，同時運用串、并聯諧振線路，通稱串并聯補償法，其原理如圖3所示。

圖3 串并聯混合補償原理圖

使L2對CX欠補償，即并聯后仍呈容性負荷，再與L1形成串聯諧振，這樣能同時滿足試驗電壓和電流的要求。對不同試驗電壓或者不同容量的被試品，常采用圖3接線。雖然被試電氣設備的電壓和電容量各不相同，但只要合理配置電抗器和電容器以及試驗變壓器，采用這種試驗方式就可以完成所有電氣設備的交流耐壓試驗。

2 實際應用和分析

2.1 電氣設備的試驗參數

以100 MW的火電機組為例，將中壓電氣設備的試驗參數列入表1。

表1 被試驗中壓電氣設備試驗參數

根據表1并結合以往的試驗方法，通常需要配置5臺不同類型的試驗變壓器和若干電抗器（6個左右），由于工頻并聯補償時變壓器利用效率較低，而工頻串并聯補償靈活高效，所以提出用兩臺試驗變壓器加若干電抗器和一個電容器串并聯混合補償，完成全廠的工頻交流耐壓試驗。

對于表1中的低試驗電壓設備和小容量低試驗電壓設備，只需要進行簡單的交流耐壓試驗。

2.2 大容量低試驗電壓設備

大容量低試驗電壓設備主要是指6 kV電力電纜和較長母線。以6 kV電力電纜交流耐壓試驗作為實例結合工頻串并聯補償法進行分析。

根據交聯聚乙烯電纜每千米的電容量和發電廠實際電纜長度計算，電纜電容量一般在0.42 μF以下，即一般電容電流小于2.0 A。根據圖3的串并聯補償原理圖，并結合6 kV電動機交流耐壓試驗和其他低壓電氣設備的交流耐壓試驗要求，選擇1臺10 kV，600 mA的變壓器作為試驗變壓器。根據試驗變壓器容量并考慮余量，選擇在試驗電壓為15 kV時補償0.5 A左右的電抗器，經計算可以得出電抗器電感量大約為95 H。由于一般設備電容電流小于2.0 A，故需要3個95 H電抗器用于并聯補償。為了方便電抗器的配備和通用性原則，提出再增加1～3個95H電抗器用于串聯諧振。

表2是部分電纜的計算和實際試驗數據，其中電抗器3個（95 H，27 kV），變壓器1臺10 kV，6 kVA，基本完成了15 kV的試驗電壓，電容電流在1.5 A以下的電力電纜交流耐壓試驗工作。

表2 部分電力電纜交流耐壓計算和實測參數

與并聯補償相比，增加了前期準備工作（對現場設備電容值的測量），提高了技術難度，但減少了1臺試驗變壓器，提高了設備有效利用率和工作效率。

2.3 小容量高試驗電壓設備

小容量高試驗電壓設備主要有高壓開關、電流互感器、電壓互感器、絕緣子、干式變壓器等。由于這些設備基本無對地電容（或者很小），如果需要利用串聯諧振，只要增加1個電容器就能滿足需求。利用100 kV試驗電壓，可以得出需要的電容器電容值大于18 nF，而由于變壓器最大電流為600 mA，因此又要求電容器電容值要小于19 nF。因此選取18 nF，100 kV的補償電容器。

2.4 大容量高試驗電壓設備

大容量高試驗電壓設備主要是高壓廠用變壓器和封閉母線。以某臺100 MW機組高壓廠變為例：高壓廠變高壓側電容值17.98 nF，試驗電壓68 kV，電容電流0.384 A。如果利用串聯諧振，只需6個95 H的電抗器加上1臺10 kV、6 kVA的試驗變壓器即可完成試驗。電廠封閉母線長度差異不大，一般在額定試驗電壓時電容電流不大于0.2 A，因此可用18 nF、100 kV的電容器增大電容值，完成試驗。

2.5 試驗中應注意的問題

工頻不完全諧振 （工頻并聯補償、工頻串聯補償、工頻串并聯補償）在現場應用中，還應注意以下幾點：

（1）試驗電壓必須直接在被試品兩端測量。（2）電抗器應滿足電流和絕緣強度的要求。

（3）并聯補償要求過流速斷保護可靠動作。

（4）串并聯補償除了電流保護和電壓保護外，還必須保持回路中并聯補償后的容性狀態，以保證串聯補償的效果。

（5）本文中補償用電抗器直流電阻為750 Ω左右，而電感量為95 H，在工頻狀態下阻抗遠大于直流電阻，所以忽略不計，實際中如果參數有變化必須要重新考慮。

3 結論

工頻不完全諧振已普遍應用于電力設備交流耐壓試驗，但以往主要是用工頻并聯補償，無法同時滿足試驗電流和電壓的要求，需要多個試驗變壓器和電抗器組合，不僅浪費較大，而且設備利用和工作效率低下。如果能靈活運用工頻不完全諧振，不但可以減少試驗變壓器數量，也可以利用其靈活性有效增加設備利用率，減少設備的現場搬運工作量，提高工作效率。

[1]GB 50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S].北京：中國計劃出版社，2006.

[2]四川電力試驗研究所.高壓電氣設備試驗方法[M].北京：中國電力電力出版社，2001.