串联谐振原理及应用浅谈

串联谐振原理及应用浅谈

胡军刚

(江苏华美热电有限公司江苏省徐州市221141)

摘要：介绍了串联谐振法的原理、优点、试验装置以及在50MW发电机交流压试验中的应用。

关键词：串联谐振法；发电机；交流耐压试验

引言：电力设备在运行中，绝缘长期受着电场、温度和机械振动的作用会逐渐发生劣化，其中包括整体劣化和部分劣化，形成缺陷。交流耐压试验是判断电气设备绝缘强度的最有效和最直接的方法,它可以考验电气设备绝缘强度、耐受长时间工频电压的作用和工频电压升高的能力，从而作为决定电气设备能否出厂或能否投入运行的重要依据。但有些电气设备,如输电线、电缆、大型发电机等电容量很大的被试品的交流耐压试验,常常需要很大容量的试验设备和电源,现场往往不具备这些条件。此时可考虑采用串联谐振法进行交流耐压试验。本文详细介绍了串联谐振法的原理、优点、试验装置以及在某厂50MW发电机交流耐压试验中的应用。

一、串联谐振的基本原理

谐振：指在一正弦激励下，电路端口的电压U与电流I同相位。如图所示的R、L、C串联电路。

当上述电路发生谐振时,电压U与电流I同相位,也就是电抗为零,即:

fo：电路的谐振频率。

由上式可知,串联电路的谐振频率f与电阻R无关,它是由串联电路的参数L、C决定。

对于每一个串联电路都有一个与之对应的谐振频率fo。所以,串联电路产生谐振的条件就是电路的外加电源的频率fo与电路的固有的谐振频率f相等。由此可知,要使一个串联电路发生谐振有两种方法：第一种是改变电路的固有谐振频率（调感、调容）使之与外加电源频率相等,即第二种是改变外加电源的频率使之与电路的固有谐振频率相等称之为调频法。本文主要论述第一种试验方法。

二、串联谐振的特性

发生串联谐振时,电路中的电抗为零,电路的阻抗就是一个纯电阻。如果外施电压为固定值,那么在谐振时,电路中的电流达到最大值。这是串联谐振电路的一个重要特征,电流值的大小完全由电阻决定。谐振时,虽然电抗为零,但感抗和容抗都不为零。这时的感抗或容抗称为谐振电路的特性阻抗,用ρ表示:

上式表明,串联谐振时,特性阻抗ρ是由电路参数L和C决定的量,与谐振频率无关。在电工技术中,采用谐振电路的特性阻抗与电路电阻的比值来说明电路的性能。此比值称为谐振电路的品质因数。用Q表示,即:

由上式可见,品质因数Q也是由电路的R、L、C决定的。

谐振时电感和电容上的电压有效值相等,但方向相反,相互抵消。而品质因数Q,一般可达到几十至一百倍左右,可见电感与电容上的电压比电源电压大很多倍,故串联谐振也叫电压谐振，这也是串联谐振的重要特征。根据此特征,电气试验中常用串联谐振法对电气设备进行耐压试验。

三、串联谐振的有点

1、电压波形好

在串联谐振电路中,在谐振条件下,也就是串联电路的谐振频率与电源频率相等时,整个电路一般具有较高的品质因数Q,因此50Hz基波分量得到明显提高,其它电压谐波分量则很显著地被衰减掉。

2、电源输入容量减小

由串联谐振原理可知,发生谐振时,电路中电流I的大小完全由电阻R决定,因整个电路只有电阻R的能量损耗须由电源供给,电感L及电容C上的能量相互交换,不需要电源供给，电路的电源输入容量是很小的。

3、短路电流减小

试验过程中,当试品发生击穿或闪络时,试品对地短路,谐振条件被破坏。此时由于回路中电阻远远小于电抗，所以短路电流主要取决于电抗。被试品一般电容量较小为微法级，此时决定被试品在同样的电压下电阻很多，大大减少了通过被试品的电流。这就减少了对试品的损害,在一定程度上保护了被试品。

4、工作效率提高

由于试验电源容量小,调压设备、控制电器、联接电缆等的容量都相应减少,重量减轻,容易达到现场试验的要求,提高了工作效率。

四、试验实例

1、发电机额定参数

型号：QFS-60-2出厂编号：S60117

额定容量:75000MVA额定电压：6300V

额定电流：6780A功率因数：0.8

转速：3000转/分效率：98.24％

空载励磁电流：501A空载励磁电压：76V

满载励磁电流：1319A满载励磁电流：223V

2、试验装置

装置型号：CHX（I）-5KVA/2KV/0.4KV串联谐振工频耐压试验装置；装置厂家：武汉泛科变电检修设备制造有限公司。该装置采用

调感方式产生谐振,它由控制台、励磁变压器、可调电抗器、交直流分压器组成。

其主要参数如下:

额定容量:50KVA额定频率:50Hz

额定电压:20KV额定电流:2.5A

使用范围:工频≤35KV

电抗器主要参数如下:

电抗器可调间隙距离:0—90mm

电感调整范围:25.3H—1.1.3H

3、试验结果

采用串联谐振工频耐压试验装置对50MW发电机试验数据见下表:

4、试验分析

由于谐振试验所需电源电流的减小使得试验仪器的容量、体积和重量大大减小了。串联谐振耐压是在50HZ的频率下做的试验,试验电路只对工频发生谐振,这就抑制了谐波的干扰,提高了试验的准确性。由此可得出以下几点结论:

(1)串联谐振耐压法完全可以替代老式的工频试验方法。

(2)串联谐振耐压法减小了试验电源和试验仪器容量。

(3)串联谐振耐压法提高了试验的准确性。

五、结束语

随着国家环保、节能等要求的提高，发电厂装机容量的不断增大、发电机价值越来越高,使得对发电机的安全要求越来越高。串联谐振法不仅试验便利，还具有电源电压波形好、试品击穿时接地电流小、需求试验电源容量小等优点，对于及早发现发电机缺陷、保障发电机安全运行具有重要意义。

参考文献：

[1]电力设备预防性试验规程.中华人民共和国电力行业标准DL/T596-1996.

[2]贾逸梅.高压电气设备现场测试技术.水利电力出版社,1994.

作者简介：胡军刚（1981-04），男，汉族，籍贯：河北省石家庄市，当前职务：副主任专工，当前职称：工程师，学历：本科，研究方向：电气工程及其自动化