44kVA/22kV变频串联谐振试验设备装置技术方案

串联谐振耐压试验测试原理解析

充分利用我公司在电子测量技术和电磁兼容方面,完全自主开发设计该套设备所有组成部分包括：变频电源、激励变压器、浇注式高压电抗器和高精度电容分压器.由于中试控股串联谐振产生高电压方法的广泛应用，在现场使用这种高电压方法做耐压试验时也会遇到问题。本文主要就串联谐振耐压试验测试原理做出解析。

串联谐振耐压试验工作原理串联谐振耐压试验装置又叫串联谐振，分为调频式和调感式。一般是由变频电源、励磁变压器、电抗器和电容分压器组成。被试品的电容与电抗器构成串联谐振连接方式；分压器并联在被试品上，用于测量被试品上的谐振电压，并作过压保护信号。

串联谐振耐压试验测试原理:(1)根据串联谐振的原理当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。 

串联谐振耐压试验测试原理:(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(G IS)、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。

 

   中试控股串联谐振耐压试验测试原理总结: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(30一300H z)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。 
       44kVA/22kV变频串联谐振试验设备装置具有体积小、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。

一、被试品对象及试验要求

10kV/300mm2电缆长度1km的交流耐压试验，电容量≤0.3755uF，试验频率30-300Hz，试验电压22kV，试验时间5min。

二、工作环境

1.环境温度：-100℃～50℃；

2.相对湿度：≤90%RH；

3.海拔高度: ≤1000米；

三、装置主要技术参数及功能

1.额定容量：44kVA；

2.输入电源：单相220或三相380V电压，频率为50Hz；

3.额定电压：22kV

4.额定电流：2A

5.工作频率：20-300Hz；

6.装置输出波形：正弦波

7.波形畸变率：输出电压波形畸变率≤1%；

8.工作时间：额定负载下允许连续5min；过压1.1倍1分钟；

9.温升：额定负载下连续运行5min后温升≤65K；

10.品质因素：装置自身Q≥30(f=45Hz)；

11.保护功能：对被试品具有过流、过压及试品闪络保护(详见变频电源部分)；

12.测量精度：系统有效值1.5级；

四、设备遵循标准

GB10229-88　《电抗器》

GB1094　《电力变压器》

GB50150-2006　《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》

DL/T 596-1996　《电力设备预防性试验规程》

GB1094.1-GB1094.6-96　《外壳防护等级》

GB2900　《电工名词术语》

GB/T16927.1～2-1997　《高电压试验技术》

五、装置容量确定

装置容量定为44kkVA/22kV，分两节电抗器，中试控股电抗器单节为22kVA/22kV/1A/92H，使用电抗器串并联能满足上述被试品的试验要求。

试验时设备使用关系列表

被试品对象	电抗器22kVA/22kV两节	激励变压器输出端选择	试验电压
10kV/300mm2电缆1km	使用电抗器两节并联	1.5kV	≤22kV

六、44kVA/22kV变频串联谐振试验设备装置系统配置及其参数

1. 激励变压器ZSJLB-3kVA/1.5kV/0.4kV

a）额定容量：3kVA；

b）输入电压：0-400V，单相；

c）输出电压：1.5kV

d）结构：干式

e）重量：约35kg；

2. 变频电源ZSBP-3kW/220/380V

a）额定输出容量：3kW

b）工作电源：220/380±10%V（单/三相），工频

c）输出电压：0～400V，单相，

d）额定输入电流：7.5A

e）额定输出电流：7.5A

f）电压分辨率：0.01kV

g）电压测量精度：1.5%

h）频率调节范围：20～300Hz

i）频率调节分辨率：≤0.1Hz

j）频率稳定度：0.1%

k）运行时间：额定容量下连续5min

l）额定容量下连续运行5min元器件最高温度≤65K;

m）噪声水平：≤50dB

n）可实现以下功能:

1）变频电源的放置为纵向和横向，特别适合现场操作及观察；

2）内外部具备特殊减震橡胶支撑脚和保护铝箱，可有效减缓运输中的颠簸震动和吊装时的冲击。保证了变频电源的长期稳定性和可靠性；

3）参数显示：触或外接鼠标大屏幕液晶界面显示系统

可显示谐振电压(即试验前设置的目标电压)、试验频率、测量频率、低压电压、低压电流、耐压时间、过压保护、过流保护、闪络保护、阶段升压及阶段计时、操作模式切换、电容，电感，频率互换计算、参数查询等, 还可显示频率曲线、电压曲线等可直观地判断当次试验谐振频率准确及稳定性；

4）参数设置：大屏幕触液晶彩屏和外接鼠标直接完成各种参数的设置，可对起始频率、终止频率、起始电压、阶段升压和计时、测量分压器变比、激励变变比、过压保护、过流保护、闪络保护、试验模式、电容电感频率互换计算、参数设置提示以及帮助等参数进行设置或选；

5）试验模式：触屏和外接鼠标操作，有全自动、半自动、手动三种运行状态。具备升压、调谐（含手动、自动）、分段加压和计时、运行状态、模式切换、故障提示、电容电感频率互换计算功能等；

6）保护功能及其信息提示：具备高压过压保护、低压过流、过流保护，以及失保护、零位、闪络保护、紧急停机、欠压保护等多重保护功能；

7） 数据存储功能：试验结果保存（手动保存）、打印、上传、回查等

① 试验结果：手动或自动试验完毕后，在试验结果界面中可显示出试验时的详细参数，当试验发生中断时，可提示中断状态。可将参数保存在存储器中，该存储器为非易失存储器，可保存50次试验记录；

② 数据查询：可将已保存的试验结果数据显示到屏幕上，同时具有USB接口，可将数据输出打印或利用设备所携带打印机打印；（打印机属客户自选，若客户有此需求，须在合同中予以特别写明）

8）自动稳压功能：系统根据设定的试验电压或手动升压结果，自动跟踪并维持稳定的试验电压，电压稳定度可达1.0%；

9）调频范围及频率分辨率均可设定：调频范围可设为30～300Hz、45～100Hz、200-300Hz、按需设置，可加快调谐过程；频率分辨率根据需要，可预设为0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz、或1.0Hz，在调谐效率与调谐精准度之间取得优化平衡；

10）中试控股频率调节分为粗调和细调，并可自动寻找试验谐振点，保证谐振频率在整个试验过程中不发生漂移；

p）重 量：约8kg；

3. 44kVA/22kV变频串联谐振试验设备装置高压电抗器ZSDK-22kVA/22kV

a) 额定容量：22kVA；

b) 额定电压：22kV；

c) 额定电流：1A；

d) 电感量：92H/单节；

e) 品质因素：Q≥30(f=45Hz)；

f) 结构：干式；

g) 重量：约30kg；

4. 电容分压器FR-30kV/3500pF

a) 额定电压：30kV；

b) 高压电容量：3500pF

c) 介质损耗：tgσ≤0.5%；

d) 分压比：1000：1

e) 测量精度：有效值1.5级；

f) 重量：约6kg；

变频串联谐振耐压试验装置中试控股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。

一、变频串联谐振耐压试验装置的原理

串联谐振原理图

根据串联谐振的原理图，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，中试控股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=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。

当XL=XC即ωL=ωC时，

，回路的谐振频率

，若LC参数固定，调节电源频率使之等于谐振频率，就可以产生谐振。此时流经试品的电流和试品两端的电压分别为：

I=U/(R+j(XL-XC))=U/R

UC=-jIXC=-jQU

式中的Q为谐振电路的品质因数。

由于电流与供电电压同相，因此输入功率为纯有功功率：

P=UI=I?2;R

谐振时试验电压所耗的功率仅为电阻上所耗的功率，中试控股所以励磁变压器容量比常规试验变压器小很多。谐振时，负荷C上的无功功率为：

44kVA/22kV变频串联谐振试验设备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。

其试验原理如下图所示。

变频串联谐振试验原理

分压电容(也称为旁路电容器)的作用：

a) 分压作用：作为高压测量分压电容。

b) 分流作用：与试品配合，使谐振装置在额定负荷范围内，按要求随意工作在调频、倍频、工频上。

c) 与试品电容一起，构成谐振电容。

二、高压电气设备进行交流耐压试验存在必要性

1) 直流耐压试验不能反映设备实际工况下的电场分布，难以正确发现高压电气设备的内部缺陷。

2) 直流电压可使高压电气设备内部的局部放电大为减弱，不利于绝缘缺陷的检出。

3) 工频交流耐压试验反映实际运行电压波形，中试控股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。

大电容量的电气设备(如大型发电机组、电力变压器、电力电容器、GIS、电力电缆等)在一定频率范围内的绝缘耐受与工频耐压具有一定的等效性， 这样就为利用变频试验装置的电感与被试品的电容串联产生谐振电压来进行交流耐压试验提供了可能，且由于试验装置的励磁电压低、重量轻，非常方便于在施工现 场使用。

 

三、串联谐振装置小结

可提供被试设备高于电源电压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，使实验设备轻巧，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(30~300Hz)和试验电抗器固定可调(单一电抗器是不可调的，但是通过串联并联，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10~300Hz范围内与工频电压试验基本等效。