浅谈高压变频串联谐振耐压试验分析

赖靖胤

摘要：串联谐振产生高电压方法的应用较为广泛，但现场使用这种方法进行耐压试验时也遇到不少问题。本文主要就变频串联谐振耐压试验的原理及应用进行分析与研究。

关键词：高压电气试验；谐振耐压；原理；应用

前言

现场耐压试验取高电压最直接的方法是使用试验变压器将电压升到耐压试验所需要的电压值，但该方法存在很多局限性。被试验设备电压等级越高，试验变压器的变比就越大，由于试验电压比被试设备运行电压高很多，对变压器的绝缘水平要求较高，且带负载能力受到二次绕组的容量和现场试验电源的很大限制；因此，只有较低电压等级和较小电容值的被试设备才使用试验变压器产生高压进行耐压试验。对于较高电压等级和较大电容值的被试设备，现场常用串联谐振方法产生高电压进行耐压试验；对于较低电压等级和大电容值的被试设备，现场常用并联谐振方法产生高电压进行耐压试验。本文主要就变频串联谐振耐压试验的原理及应用进行分析与研究。

一、对高压电气设备进行交流耐压试验的必要性

（1）直流电压测试不能反映实际工作条件下的电场分布，很难发现高压电气设备的内部缺陷。在直流电压上，电气元件上的电压分布在电阻上。在电气设备上的电压是介电常数的分布，这反映了实际操作。例如：对于交联电缆、全膜或纸膜电容器，其固体介质的电阻率可高达1-100EΩ*m，当绝缘膜绝缘薄膜绝缘材料，其电阻率可以大幅下降，只有原来的电阻率的一小部分。做直流电压时，高电阻率，良好的绝缘性电容的电容可以承受的电压较不良电容元件反而高出几倍，使绝缘不良的电容元件更容易通过测试，但在工作电压，绝缘缺陷将暴露，引起故障。

（2）直流电压可以使高压电气设备的局部放电大大减弱，这不利于检测绝缘缺陷。电气设备的某些部分可以产生局部放电，这对绝缘有害。由于高压电气绝缘的多样性，在导体与绝缘介质之间存在多种绝缘介质，而电场强度分布不同。负电场强度的正、负离子的空气间隙形成后，空气间隙的局部放电，使空气间隙的合成电场强度降低，使局部放电减弱甚至熄灭。而交流电压则不然，只要外加试验电压高于局部放电起始电压，每半周内至少会发生两次局部放电，因此交流耐压试验检出的绝缘缺陷远比直流耐压敏感。

（3）工频交流耐压试验反映（符合）实际运行电压波形，与运行中出现的工频暂态电压升高的情况较为符合，不存在等价性问题。但工频耐压，试验设备的容量不易解决：工频耐压试验由于其设备庞大笨重，现场运输困难，一般仅能在现场做110kv电压等级的GIS和SF6断路器，且试验过程中若被试品发生闪络或击穿，短路电流极易烧伤被试品。综上所述，施加交流耐压才能真实地考核高压电气设备的制造质量，才能有效地检出因各种因素造成的绝缘缺陷，但工频耐压存在一些缺陷。

二、变频串联谐振耐压试验的原理和应用

（1）根据串联谐振的原理（见图1）当L、C、R串联回路中的感抗与试品容抗相等时，感抗中的磁场能量与试品电容中的电场能量相互补偿，试品所需的无功功率全部由电抗器供给，电源只提供回路的有功功率，此时电路的功率因数cosψ=1.0，即电源电压与谐振回路电流同相位，电感上的电压降与电容上的电压降相等，相位相反。

图1串联谐振的原理

（2）变频串联谐振装置是运用串联谐振的原理，利用励磁变压器激发串联谐振回路，通过调节变频电源的输出频率，使得回路中的电抗器的电感L和试品电容器的电容C发生谐振，最后通过调整励磁的输出电压，使谐振电压达到所要求的试验电压。

变频串联谐振试验装置广泛应用于电缆、大型电力变压器、气体绝缘组合电器（GIS）、电力电容器等高电压、大容量的电力设备的交流耐压、感应耐压等试验项目中。其试验原理如图2所示：

图2试验原理

原理总结：串谐装置可提供被试设备高于高于电源电压Q倍的试验电压。由于电源容量减小且电感、电容可做成分段式，使试验设备轻巧，运输方便，为大容量、长距离现场试验成为可能并提供极大方便，同时利用试验频率允许在一定可调范围内（30一300Hz）和试验电抗器固定可调（单一电抗器是不可调的，但是通过串并联，总电感可调）的原理，使得系统的柔性大大增加。IEC517和GB7674-1997均认为试验电压在10一300Hz范围内与土频电压试验基本等效。

三、耐压试验击穿电流分析

利用常规试验方法进行耐压试验时，假如试验变压器容量刚好等于实际所需试验容量，由于试验变压器的Uk%约为10%，当被试品击穿后，其短路电流Ik将上升10倍以上。实际试验中，试验变压器容量一般大于试验容量，故Ik>10I试。（其中Uk试验变压器短路电压百分数%）而利用调频式串谐电路进行耐压试验，当被试品击穿时，破坏了谐振条件，即wL=WC，回路立即处于脱谐状态，此时回路电流瞬时降至试验电流的1/Q倍以下，其比常规试验时的电流大大减小，原因分析如下：电容击穿意味着C两端短路，电容退出回路，谐振立即终止，即转为R、T串联回路。

四、变频串联谐振耐压试验的优点

4.1体积小、重量轻，适合施工现场使用。高电压等级时，电抗器采用积木式结构，同时便于运输和现场安装。

4.2在试品击穿时，谐振条件破坏，短路电流小，只有试品额定电流的1/10以下，对试品的危害性小。

4.3采用一点接地、进线保护、低通道滤波器、放电保护等，不仅可以在稳态下使放电或击穿电流小，而且还使暂态（瞬时）电流的破坏减小，从而保证设备和人身的安全。

4.4适用范围广可对电力电缆、断路器、开关进行变频交流耐压试验，对大型发电机组、电力变压器、互感器、套管等电气设备进行耐压试验，还可用于局部放电试验及测量接地电阻。

4.5变频串联谐振耐压试验是先在低电压下调谐振点，然后再升高电压幅值达到试验所需电压，且能保持谐振点，安全可靠。

结束语

调谐式串谐具有体积小、重量轻，消耗的电源能量小，试验电压获得容易，操作方便，省时省工，同时串谐试验将避免被试设备击穿时产生过大的短路电流，而使设备进一步受损。但是，在试验过程中一定要做好一次引线及导电部分的屏蔽，尽量降低线路电晕损耗引起的等效电阻，提高设备品质因数Q，才能保证耐压试验顺利进行。

参考文献：

[1]李建明，朱康.高压电气设备试验方法（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2001.