串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)工作原理

目前在國(guó)際和國(guó)內(nèi)已有越來(lái)越多的XLPE交聯(lián)聚乙烯絕緣的電力電纜替代原有的充油油紙絕緣的電力電纜。但在交聯(lián)電纜投運(yùn)前的試驗(yàn)手段上由于被試容量大和試驗(yàn)設(shè)備的原因，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，仍沿襲使用直流耐壓的試驗(yàn)方法。

近年來(lái)國(guó)際、國(guó)內(nèi)的很多研究機(jī)構(gòu)的研究成果表明直流試驗(yàn)對(duì)XLPE交聯(lián)聚乙烯電纜有不同程度的損害。有的研究觀點(diǎn)認(rèn)為XLPE結(jié)構(gòu)具有存儲(chǔ)積累單極性殘余電荷的能力，當(dāng)在直流試驗(yàn)后，如不能有效的釋放掉直流殘余電荷，投運(yùn)后在直流殘余電荷加上交流電壓峰值將可能致使電纜發(fā)生擊穿。首先，交聯(lián)聚乙烯電纜的直流耐壓試驗(yàn)中，由于空間電荷效應(yīng)，絕緣中的實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度可比電纜絕緣的工作電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)11倍。交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜即使通過(guò)了直流試驗(yàn)不發(fā)生擊穿，也會(huì)引起絕緣的嚴(yán)重?fù)p傷。其次，由于施加的直流電壓場(chǎng)強(qiáng)分布與運(yùn)行的交流電壓場(chǎng)強(qiáng)分布不同，直流試驗(yàn)也不能真實(shí)模擬運(yùn)行狀態(tài)下電纜承受的過(guò)電壓，并有效的發(fā)現(xiàn)電纜及電纜接頭本身和施工工藝上的缺陷。因此，使用非直流的方法對(duì)交聯(lián)電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)就越來(lái)越受到人們的重視。

一、串聯(lián)諧振的產(chǎn)生：

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(lái)分析R、L、C串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件和諧振時(shí)電路的特性。圖1所示R、L、C串聯(lián)電路，在正弦電壓U作用下，其復(fù)阻抗為：

式中電抗X＝Xl—Xc是角頻率ω的函數(shù)，X隨ω變化的情況如圖2所示。當(dāng)ω從零開(kāi)始向∞變化時(shí)，X從﹣∞向﹢∞變化，在ω＜ωo時(shí)、X＜0，電路為容性；在ω＞ωo時(shí)，X＞0，電路為感性；在ω＝ωo時(shí)

圖1                                          圖2

此時(shí)電路阻抗Z(ωo)＝R為純電阻。電壓和電流同相，我們將電路此時(shí)的工作狀態(tài)稱(chēng)為諧振。由于這種諧振發(fā)生在R、L、C串聯(lián)電路中，所以又稱(chēng)為串聯(lián)諧振。式1就是串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件。由此式可求得諧振角頻率ωo如下：

諧振頻率為

由此可知，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(wú)關(guān)，故又稱(chēng)電路的固有頻率。當(dāng)電源頻率一定時(shí)，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(shí)，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。

二、串聯(lián)諧振的品質(zhì)因數(shù)：

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

呈現(xiàn)為一個(gè)純電阻，而且阻抗為最小值。諧振時(shí)，雖然電抗X＝XL—Xc=0，但感抗與容抗均不為零，只是二者相等。我們稱(chēng)諧振時(shí)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(gè)由電路參數(shù)L、C決定的量，與頻率無(wú)關(guān)。

    工程上常用特性阻抗與電阻的比值來(lái)表征諧振電路的性能，并稱(chēng)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(chēng)共振系數(shù)，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為Q值。它是由電路參數(shù)R、L、C共同決定的一個(gè)無(wú)量綱的量。

三、串聯(lián)諧振時(shí)的電壓關(guān)系

諧振時(shí)各元件的電壓分別為

即諧振時(shí)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(chēng)值較高時(shí)，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(chēng)電壓諧振。

四、串聯(lián)諧振時(shí)的能量關(guān)系：

現(xiàn)在分析諧振時(shí)的能量關(guān)系。設(shè)諧振時(shí)電路電流為

則電容電壓為

電路中的電磁場(chǎng)總能量為

由于諧振時(shí)有

即

所以

這表明，串聯(lián)諧振時(shí)，電路中電場(chǎng)能量最大恒等于磁場(chǎng)能量的最大值、而電感和電容中儲(chǔ)存的電磁能量總和是不隨時(shí)間變化的常量，且等于電場(chǎng)或磁場(chǎng)能量的最大值。圖3的曲線反映了諧振時(shí)電、磁場(chǎng)能量的關(guān)系。當(dāng)電場(chǎng)能量增加某一數(shù)值時(shí)，磁場(chǎng)能量必減小同一數(shù)值，反之亦然。這意味著在電容和電感之間，存在著電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能經(jīng)相互轉(zhuǎn)換的周期性振蕩過(guò)程。電磁場(chǎng)能量的交換只在電感和電容元件之間進(jìn)行．和電路外部沒(méi)有電磁能量的交換。電源只向電阻提供能量，故電路呈純阻性。

                               圖3

因?yàn)?/p>

所以

這就是說(shuō)，在外加電壓一定時(shí)，電磁場(chǎng)總能量與Q2成正比，因此可用提高或降低Q值的辦法來(lái)增強(qiáng)或削弱電路振蕩程度。由于

可知Q值的物理意義：即Q等于諧振時(shí)電路中儲(chǔ)存的電磁場(chǎng)總能量與電路消耗的平均功率之比乘以ωo，或Q等于諧振時(shí)電路中儲(chǔ)存的電磁場(chǎng)總能量與電路在一個(gè)周期中所消耗的能量之比乘以2π。電阻R越小，電路消耗的能量(或功率)越小，Q值越大，振蕩越激烈。

五、串聯(lián)諧振的諧振曲線

電路中的阻抗(導(dǎo)納)是隨頻率的變化而變化的。在輸入信號(hào)的有效值保持不變情況下，電路的電壓、電流的大小也會(huì)隨頻率的變化而變化。阻抗(導(dǎo)納)、電流或電壓與頻率之間的關(guān)系稱(chēng)為它們的頻率特性。在串聯(lián)諧振電路中．描繪電流、電壓與頻率關(guān)系的曲線稱(chēng)諧振曲線。

先來(lái)看復(fù)阻抗的頻率特性：

復(fù)阻抗Z的頻率特性為

電路中電流為

即

 Z（ω）特性曲線        電流的諧振曲線        電流的相頻特性曲線

   圖4

從圖4各曲線可以看出，在ω＝ωo處，X＝0，此時(shí)電路阻抗最小，為Z＝R；電流最大，為Io＝US/R，電流與電壓同相位；電路處于諧振狀態(tài)。ω≠ωo時(shí)，Z＞R，I＜Io，Φ≠0，電路處于失諧狀態(tài)。ω偏離ωo越遠(yuǎn)，Z越大，I越小，Φ越大，失諧越嚴(yán)重。其中，當(dāng)ω＜ωo時(shí)，電路呈電容性，稱(chēng)為容性失諧；當(dāng)ω＞ωo時(shí)，電路呈電感性，稱(chēng)為感性失諧。

從電流諧振曲線可以看出，在諧振頻率及其附近，電路具有較大的電流，而當(dāng)外施信號(hào)頻率偏離諧振頻率越遠(yuǎn)，電流就越小。換言之，串聯(lián)諧振電路具有選擇最接近于諧振頻率附近的信號(hào)同時(shí)抑制其它信號(hào)的能力，我們把電路所具有的這種性能稱(chēng)為電路的選擇性。初步的觀察可以看出，選擇性的好壞與電流諧振曲線在諧振頻率附近的尖銳程度有關(guān)，曲線越尖銳、陡峭，選樣性越好。進(jìn)一步的研究表明，電流諧振曲線的形狀與電路品質(zhì)因數(shù)Q值直接相關(guān)。因?yàn)?/p>

以I／I。為縱坐標(biāo)，ω／ω。叫為橫坐標(biāo)．Q為參變量，可以畫(huà)出如圖5所示的電流諧振曲線。從圖中可以清楚地看出．Q值越高，曲線越尖銳，當(dāng)ω／ω。稍偏離1(即ω稍偏離ω。)時(shí)，I／I。就急劇地下降，表明電路對(duì)非諧振頻率的信號(hào)具有較強(qiáng)的抑制能力，電路的選擇性就越好。而Q值越低，在諧振頻率附近，電流變化不大，曲線頂部越平緩。選擇性就越差。由于Q值相同的任何R、L、C串聯(lián)電路只有—條這樣的曲線與之對(duì)應(yīng)，故稱(chēng)這種曲線為通用諧振曲線。

             圖5  通用諧振曲線

六、串聯(lián)諧振的幅頻特性

R、L、C串聯(lián)諧振電路中，電路中各元件電壓的幅頻特性為

           圖6 電壓的諧振曲線

由電壓的諧振曲線可以看出，試品上出現(xiàn)電壓最高時(shí)并非系統(tǒng)處于完全諧振時(shí)，而是處于容性失諧狀態(tài)，此時(shí)電抗器上承受的電壓低于試品兩端的電壓，有利于設(shè)備的安全，因此,我們建議串聯(lián)諧振電源系統(tǒng)工作在這種狀態(tài)下。

七、串聯(lián)諧振在電纜試驗(yàn)中的應(yīng)用

1、 試驗(yàn)頻率

由于電纜的電容量較大，采用傳統(tǒng)的工頻試驗(yàn)變壓器很笨重，龐大，且大電流的工作電源在現(xiàn)場(chǎng)不易取得。因此一般都采用串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備。其輸入電源的容量能顯著降低，重量減輕，便于使用和運(yùn)輸。初期多采用調(diào)感式串聯(lián)諧振設(shè)備（50Hz），但存在自動(dòng)化程度差、噪音大等缺點(diǎn)。因此現(xiàn)在大都采用調(diào)頻式（30-300Hz）串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備，可以得到更高的品質(zhì)數(shù)（Q值），并具有自動(dòng)調(diào)諧、多重保護(hù)，以及低噪音、靈活的組合方式（單件重量大為下降）等優(yōu)點(diǎn)。

綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料，選擇合適的試驗(yàn)頻率范圍是個(gè)比較重要的問(wèn)題。在這方面，有一些不同的觀點(diǎn)和提法。就目前的國(guó)內(nèi)外的提法來(lái)看，我們總結(jié)可分成3類(lèi)：第1類(lèi)為較寬頻率范圍30-300Hz、20-300Hz、1-300Hz；第2類(lèi)為工頻范圍，45-65Hz，45-55Hz；第3類(lèi)為接近工頻，35-75Hz。

（1）第1類(lèi)較寬頻率范圍

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議第21、09工作組發(fā)布的《試驗(yàn)導(dǎo)則》，建議頻率范圍為30-300Hz。但實(shí)際上更低一些頻率也具有較好地等效性。IEC60840和IEC62067標(biāo)準(zhǔn)草案（2001年和2000年）就規(guī)定可采用20-300Hz。

    國(guó)外有些廠家設(shè)計(jì)串聯(lián)諧用電抗器，在特殊情況下也有采用最低頻率為25Hz或20Hz的。當(dāng)然頻率愈低，被試電纜的長(zhǎng)度（電容量）可增大。但是電抗器鐵心因此放大，使重量增加。個(gè)別資料顯示, 1-300Hz的交流試驗(yàn)也具有與工頻交流試驗(yàn)的等效性，這說(shuō)明實(shí)際應(yīng)用中頻率下限有可能取得更低，例如小于20Hz甚至到0.1Hz也是可行的。進(jìn)一步表明在這樣的頻率范圍內(nèi)，絕緣內(nèi)部各介質(zhì)的電壓分布及介質(zhì)特性仍基本相同。

工作頻率超過(guò)300Hz是否適當(dāng)？有資料報(bào)導(dǎo)說(shuō)，隨頻率增高，串諧電抗器及勵(lì)磁變壓器的損耗降低，但是要考慮被試品電容介質(zhì)的極化發(fā)熱問(wèn)題，因此頻率高于300Hz是不可取的。

（2）第2類(lèi)為工頻范圍

國(guó)際上工業(yè)頻率主要指50Hz和60Hz兩種，故IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)高壓絕緣的工業(yè)試驗(yàn)頻率范圍為45-65Hz，在我國(guó)額定工頻為50Hz。GB/T16927.1-1997規(guī)定工頻試驗(yàn)頻率范圍為45-55Hz。

認(rèn)為工頻電力電纜的試驗(yàn)電壓也必須是工頻，這是趨于比較保守的觀點(diǎn)。針對(duì)此問(wèn)題應(yīng)該著重說(shuō)明交接和預(yù)防性試驗(yàn)的目的在于發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的能力來(lái)定的。在不同的頻率下只要絕緣內(nèi)部介質(zhì)電壓分布相同，又有基本相同的檢出絕緣故障的能力，就能達(dá)到試驗(yàn)的目的。因此即使選用比工頻范圍更寬的頻率也是可以接受的。

在90年代中期為了選擇適當(dāng)?shù)慕涣髂蛪涸囼?yàn)的頻率范圍，做了大量、仔細(xì)的基礎(chǔ)研究工作。得出頻率在30-300Hz范圍內(nèi)，橡塑電纜內(nèi)部幾種典型絕緣缺陷的擊穿特性沒(méi)有明顯差別。這應(yīng)該是可信的，也得到普遍采用。分析形成這種在不同頻率下良好的擊穿特性，主要原因是優(yōu)良的同軸絕緣結(jié)構(gòu)，單一的絕緣介質(zhì)，材質(zhì)相對(duì)純潔、電場(chǎng)分布合理、規(guī)則。因此，在不同頻率下結(jié)構(gòu)內(nèi)部電壓分布相同，形成寬頻率范圍試驗(yàn)的條件。

油紙絕緣電纜一直采用頻率等于零的直流電壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，其實(shí)際效果很好，數(shù)十年來(lái)未受到置疑。

（3）第3類(lèi)為接近工頻頻率，35-75Hz

國(guó)外曾對(duì)正常XLPE（交聯(lián)聚乙烯）絕緣電纜樣品，在不同頻率下進(jìn)行擊穿試驗(yàn)。結(jié)果表明在頻率為35-75Hz時(shí)擊穿電壓均落在可置信度95%之內(nèi)。因此有觀點(diǎn)贊成試驗(yàn)電壓頻率最好選在35-75Hz,也較為靠近運(yùn)行電壓頻率50Hz。值得注意的是，上述測(cè)試結(jié)果是對(duì)正常絕緣做的擊穿試驗(yàn)。而交接和預(yù)防性試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)電壓值是偏低的，它只能擊穿有缺陷的絕緣弱點(diǎn)（機(jī)械損傷、水樹(shù)枝、終端頭或接頭盒應(yīng)力鐵錐施工或用料錯(cuò)誤，等等），完全不足以擊穿電纜本體的正常絕緣?？梢?jiàn)兩種試驗(yàn)的目的和工作機(jī)理均不相同。似乎沒(méi)有必要將正常絕緣35-75Hz的擊穿特性“延伸”應(yīng)用到檢測(cè)絕緣缺陷方面。

2、 交聯(lián)聚乙烯電纜單位長(zhǎng)度電容量

下表為交聯(lián)聚乙烯電力電纜單位長(zhǎng)的電容量

3、 橡塑絕緣電力電纜30-75Hz（45-65Hz）交流耐壓的試驗(yàn)電壓

4、 電力電纜交流耐壓的試驗(yàn)電壓接線方式

利用勵(lì)磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，調(diào)節(jié)變頻控制器的輸出頻率，使回路電感L和試品C串聯(lián)諧振，諧振電壓即為加到試品上電壓。

八、諧振電源產(chǎn)品使用中的注意事項(xiàng)

1、諧振電源產(chǎn)品大多都是高壓試驗(yàn)設(shè)備，要求由高壓試驗(yàn)專(zhuān)業(yè)人員使用，使用前應(yīng)仔細(xì)閱讀使用說(shuō)明書(shū)，并經(jīng)反復(fù)操作訓(xùn)練。

2、操作人員應(yīng)不少于2人。使用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守本單位有關(guān)高壓試驗(yàn)的安全作業(yè)規(guī)程。

3、為了保證試驗(yàn)的安全正確，除必須熟悉本產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)外，還必須嚴(yán)格按國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)操作。

1、 各聯(lián)接線不能接錯(cuò)，特別是接地線不能接錯(cuò)。否則可導(dǎo)致試驗(yàn)裝置損壞。

2、 本裝置使用時(shí)，輸出的是高電壓或超高電壓，必須可靠接地，注意操作安全距離。

3、 串聯(lián)諧振試驗(yàn)系統(tǒng)是利用諧振電抗器與被試品諧振產(chǎn)生高電壓的，也就是說(shuō)，能不能產(chǎn)生高電壓主要是看試品與諧振電抗器是否諧振，所以，試驗(yàn)人員在分析現(xiàn)場(chǎng)不能夠產(chǎn)生所需高電壓時(shí)，應(yīng)該分析什么破壞了諧振條件，回路是否接通等。

4、 串聯(lián)諧振試驗(yàn)系統(tǒng)的激磁變壓器有特定的電壓和電流要求，在選用代替品時(shí)，一定要考慮電壓和電流，不能采用只是容量相同的普通的試驗(yàn)變壓器。