串聯(lián)諧振在大型發(fā)電機(jī)流耐壓試驗中的應(yīng)用

閆文華

（中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610225）

0 引言

交流耐壓試驗是鑒定電力設(shè)備絕緣強(qiáng)度的最嚴(yán)格、最有效和最直接的試驗方法之一，也是確保設(shè)備絕緣水平、避免發(fā)生絕緣事故的重要手段。

交流耐壓試驗雖對發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷有效，但受試驗條件限制。600MW以上水輪發(fā)電機(jī)耐壓試驗因電容電流較大(2.0～2.5μF)，目前這樣的高電壓試驗變壓器及調(diào)壓器尚不夠普遍。在工頻條件下，由于被試品電容量較大，或者試驗電壓要求較高，對試驗裝置的電源容量相應(yīng)的也有較高的要求，傳統(tǒng)的工頻耐壓裝置（交流耐壓試驗變壓器）往往單件體積大、重量重、不便于現(xiàn)場搬運(yùn)，而且不便于任意組合，靈活性較差。相比，串聯(lián)諧振試驗裝置（體積與重量約為傳統(tǒng)試驗變壓器的1/4～1/5）體積小、重量輕、易搬動，而且是分件式設(shè)計，便于根據(jù)現(xiàn)場需求靈活配置電抗器的個數(shù)，大大降低了勞動強(qiáng)度，提高工作效率。串聯(lián)諧振試驗裝置廣泛用于電力、冶金、石油、化工等行業(yè)，適用于大容量，高電壓的電容性試品的交接和預(yù)防性試驗。

1 串聯(lián)諧振原理介紹

1.1 諧振原理

諧振是由R、L、C元件組成的電路在一定條件下發(fā)生的一種特殊現(xiàn)象。首先，我們來分析RLC串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件和諧振時電路的特性。

圖1 諧振原理圖

串聯(lián)諧振系統(tǒng)又分調(diào)感型諧振及調(diào)頻型諧振，這兩種諧振實現(xiàn)諧振的方式不同，調(diào)感型是通過調(diào)節(jié)電感使試驗回路產(chǎn)生諧振，而調(diào)頻型是通過調(diào)節(jié)試驗頻率使試驗回路產(chǎn)生諧振，但結(jié)果卻是一致的，即在輸入小容量的電源在被試品上能獲得需要的大容量的輸出。諧振原理圖如圖1所示。

這樣針對繞組式的被試品，如發(fā)電機(jī)的定子繞組和變壓器高低壓繞組，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)采用工頻諧振做工頻耐壓試驗；針對電纜、開關(guān)和GIS等試品，可采用變頻諧振做耐壓試驗。

電抗器L上獲得的容量SL=I2·ωL

激勵變的輸出容量為：

S=U·I=UR·I=I2R

因此，品質(zhì)因數(shù)：

因為ωL＞＞R，故Q＞＞1.

由此可見，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計回路的品質(zhì)因數(shù)值，則諧振系統(tǒng)可在被試品Cx上獲得Q倍輸入電源的容量。串聯(lián)電路的諧振頻率是由電路自身參數(shù)L、C決定的.與外部條件無關(guān)，故又稱電路的固有頻率。當(dāng)電源頻率一定時，可以調(diào)節(jié)電路參數(shù)L或C，使電路固有頻率與電源頻率一致而發(fā)生諧振；在電路參數(shù)一定時，可以改變電源頻率使之與電路固有頻率一致而發(fā)生諧振。

1.2 串聯(lián)諧振的品質(zhì)因數(shù)：

串聯(lián)電路諧振時，其電抗X(ωo)=0，所以電路的復(fù)阻抗：

Z（ω0）=R

呈現(xiàn)為一個純電阻，而且阻抗為最小值。諧振時，雖然電抗X=XLXc=0，但感抗與容抗均不為零，只是二者相等。我們稱諧振時的感抗或容抗為串聯(lián)諧振電路的特性阻抗，記為ρ，即:

ρ的單位為歐姆，它是一個由電路參數(shù)L、C決定的量，與頻率無關(guān)。

工程上常用特性阻抗與電阻的比值來表征諧振電路的性能，并稱此比值為串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)，用Q表示，即:

品質(zhì)因數(shù)又稱共振系數(shù)，有時簡稱為Q值。它是由電路參數(shù)R、L、C共同決定的一個無量綱的量。

3）串聯(lián)諧振時的電壓關(guān)系

諧振時各元件的電壓分別為:

即諧振時電感電壓和電容電壓有效值相等，均為外施電壓的Q倍，但電感電壓超前外施電壓900，電容電壓落后外施電壓900，總的電抗電壓為0。而電阻電壓和外施電壓相等且同相，外施電壓全部加在電阻R上，電阻上的電壓達(dá)到了最大值。

在電路Q值較高時，電感電壓和電容電壓的數(shù)值都將遠(yuǎn)大于外施電壓的值，所以串聯(lián)諧振又稱電壓諧振。

諧振試驗裝置采用調(diào)整電感或頻率的方式來調(diào)諧，可方便、準(zhǔn)確的找到諧振點，從而可以達(dá)到30～80的高品質(zhì)因數(shù)，使得系統(tǒng)輕巧簡便；在回路諧振的條件下調(diào)節(jié)變頻電源輸出電壓使試品電壓達(dá)到試驗值。由于回路的諧振，變頻電源較小的輸出電壓就可在試品Cx上產(chǎn)生較高的試驗電壓。而諧振固有的濾波效應(yīng)使得系統(tǒng)輸出的波形完美和諧。

1.3 諧振升壓裝置組成

諧振升壓裝置由諧振操作臺、激勵變壓器、電動調(diào)壓器、可調(diào)電抗器、固定電抗器、分壓器和硅堆組成。

1.4 調(diào)頻式串聯(lián)諧振原理圖：

圖3 發(fā)電機(jī)耐壓試驗接線圖

先由變頻器經(jīng)過勵磁變壓器向主諧電路送入一個較低電壓Ue，調(diào)節(jié)變壓器的輸出頻率，當(dāng)頻率滿足條件時，電路即達(dá)到諧振狀態(tài)。此時在較小的勵磁電壓下，使被試品Cx上產(chǎn)生幾十倍于Ue的電壓Ucx。

諧振時，被試品上的電壓與電流的關(guān)系為：

輸出電壓Ucx與勵磁電壓Ue之比為試驗回路的綜合品質(zhì)因數(shù)Q：

從上述工作原理可以看出：

品質(zhì)因數(shù)越高，所需的電源容量越小。

諧振電抗器L與被試發(fā)電機(jī)Cx處于諧振狀態(tài)，此電路形成一個良好的濾波電路，故輸出電壓Ucx為良好的正弦波形。

被試電纜發(fā)生擊穿時，失去諧振條件，高壓電路和低壓電源回路的帶暖流反而減小，故絕緣擊穿處的電弧不會將故障點擴(kuò)大，便于檢修。

2 諧振裝置交流耐壓試驗中的應(yīng)用

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

發(fā)電機(jī)定子交流耐壓試驗是鑒定定子線圈絕緣強(qiáng)度最直接的方法，它對于判斷電氣設(shè)備能否投入運(yùn)行具有決定性的意義，也是保證定子絕緣水平、避免發(fā)生絕緣事故的重要手段。因為交流耐壓試驗?zāi)艹浞址从畴姎庠O(shè)備在交流電壓下運(yùn)行時的實際情況，能真實有效地發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。

2.2 試驗標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》GB50150-2006、《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》DL/T596-1996以及合同規(guī)定進(jìn)行耐壓試驗。

單個線棒耐壓：57.5KV，1min；

下層線棒嵌裝后：52KV，1min；

上層線棒嵌裝后：52KV，1min；

繞組全部安裝完成后：43KV，1min。

2.3 發(fā)電機(jī)參數(shù)

發(fā)電機(jī)型號：SF600-36/12000

額定功率：667MVA

額定電壓：20KV

額定電流：19254.6A

額定功率因數(shù)：0.9(滯后)

額定轉(zhuǎn)速：166.7r/min

支路數(shù)量：6

定子絕緣等級：F

定子繞組電容：5.35μF（三相對地）

2.4 定子線圈交流耐壓試驗

根據(jù)天津阿爾斯通提供的錦屏二級水電站發(fā)電機(jī)主要特征所列出的技術(shù)數(shù)據(jù)：定子繞組每相對地電容為1.783μF。

1）工頻諧振耐壓試驗變壓器容量選擇

在下層線棒及上層線棒嵌裝完畢，整體耐壓時，試驗設(shè)備所需容量最大。

根據(jù)對定子繞組電容量的計算C=1.78μF，

試驗變壓器高壓側(cè)所需電流，按下式計算：

試驗變壓器容量的理論計算按下式計算：

匹配電感量按下式計算：

C=2.45μF時，L=4.13556H

錦屏二級電站發(fā)電機(jī)定子交流耐壓試驗選用DH-X（L）-2200kVA/55kV調(diào)感式串聯(lián)諧振試驗裝置，高壓側(cè)額定電流50 A，比上述計算值大，考慮到下層線棒耐壓47 kV，所以選高壓側(cè)額定電壓55 kV，也比整體耐壓值43 kV高，所以，在試驗變壓器的選擇時，首先需要估算電機(jī)電容量的實際最大值，再考慮其高壓側(cè)額定電壓應(yīng)不低于被試物的試驗電壓，還要計算并考慮額定電流應(yīng)不低于被試物的最大電容電流。同時，考慮到經(jīng)濟(jì)性及估算的偏差，交流諧振試驗裝置要考慮留5%～10%的余量。因此DH-X（L）-2200kVA/55kV型工頻諧振試驗裝置，可完全滿足錦屏二級水電站發(fā)電機(jī)交流耐壓試驗要求。

2.5 試驗注意事項

1）應(yīng)將被試品繞組自身的兩端短接，非被試品繞組亦應(yīng)短接并與外殼連接后接地。

2）交流耐壓試驗時加至試驗電壓后的持續(xù)時間，如無特殊說明則均為1min。

3）升壓必須從零開始，切不可沖擊合閘。升壓速度在75%試驗電壓以前，可以是任意的，自75%電壓開始應(yīng)均勻升壓。

4）耐壓試驗后，迅速均勻降壓到零，然后切斷電源。

3 結(jié)論

本文通過對錦屏二級水電站發(fā)電機(jī)定子線圈耐壓試驗結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

1）采用串聯(lián)諧振耐壓試驗技術(shù)可完成常規(guī)試驗變壓器不能解決的大型水輪發(fā)電機(jī)組耐壓試驗。

2）采用串聯(lián)諧振方法，試驗容量、設(shè)備重量與體積大幅減小，更適用于現(xiàn)場試驗，并具有防止大短路電流燒傷故障點、不出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓、抑制高次諧波的顯著優(yōu)點。

3）由于諧振裝置的固定電抗器和可調(diào)電抗器隨不同電容量的被試品而變化，所以其使用范圍受一定限制。

4）串聯(lián)諧振耐壓裝置在以下方面均具有實用性：

①6kV-500kV高壓交聯(lián)電纜的交流耐壓試驗；

②6kV-500kV變壓器的工頻耐壓試驗；

③GIS和SF6開關(guān)的交流耐壓試驗；

④發(fā)電機(jī)的交流耐壓試驗；

⑤其它電力高壓設(shè)備如母線，套管，互感器的交流耐壓試驗。

［1] GB50150—20O6電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)[S] ．

［2] DL/T 596—1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程[S] ．

［3] JB_T6204-2002高壓交流電機(jī)定子線圈及繞組絕緣耐壓試驗規(guī)范[S] ．

［4] 鄔偉民.高壓電氣設(shè)備現(xiàn)場試驗技術(shù)365問[M] .水利電力出版社.