变频技术在电气试验中的应用

摘要：介绍了变频技术在电气试验中的典型应用实例，阐述了各类型试验的原理，并与常规试验技术进行对比分析，突出变频技术在电气试验应用中的优越性。

关键词：变频技术；感应耐压；介质损耗

中图分类号：TM73.6                文献标识码：B

 

 

0引言

电气设备预防性试验是提早发现设备隐患、预防设备损坏和电网事故的有效手段之一。随着科技的发展，电气设备现场试验手段也日趋多样化，而通过变频技术完成各类型试验已成为电气试验现场不可或缺的方式。本文从多角度出发，综合分析了变频技术在半绝缘电磁式电压互感器感应耐压试验、橡塑绝缘电力电缆交流耐压试验中的应用原理及在电容型试品的电容量、介质损耗测试中的抗干扰原理，突出了变频技术在电气试验中应用的优越性。

 

1半绝缘电磁式电压互感器感应耐压试验

电磁式电压互感器的交流耐压试验有两种加压方式。一种方式为外施工频试验试验电压，该加压方式适用于全绝缘电压互感器的交流耐压试验，而对于半绝缘的电压互感器，其一次绕组末端绝缘水平很低，一般为5kV左右，因此一次绕组末端不能与首端承受同一试验电压，而应采用感应耐压的加压方法，即把电压互感器一次绕组末端接地，从某一个二次绕组加压，在一次绕组感应出所需要的试验电压，试验接线图如图1。

 

图1 电磁式电压互感器感应耐压试验接线图

这种加压方式一方面使绝缘中的电压分布同实际运行时一致；另一方面，一次绕组首端和尾部的电压比额定电压高，绕组电位也比正常运行时高得多，因此该试验方法考核了电压互感器一次绕组主绝缘的同时，也考核了电压互感器一次绕组的纵绝缘，从而检验出由于电压互感器中电磁线圈质量不良，如露铜、漆膜脱落和绕线时打结等原因造成的纵绝缘方面的缺陷。

1.1感应耐压试验原理

电磁式电压互感器一次绕组耐压试验电压一般为额定运行电压的几倍，根据电磁感应原理，电压互感器感应电动势E=4.44FNφ，由于额定电压下，铁芯的伏安曲线已经接近弯曲部分，若用额定频率的电源给试品加电压，当电压大于1.2倍额定电压的时候，铁芯则趋于饱和，励磁电流会达到不能允许的程度。感应电动势E增加时，欲保持磁通密度不变，就必须相应的将试验电源频率提高。当试验频率超过100Hz时，为避免提高频率后对绝缘的考验加重，所以应相应地减少耐压时间，但最少不低于20s，耐压时间t（s）由下式确定

 

1.2倍频电源的获取方式

1.2.1单向变压器组二次侧开口输出

利用三台单相变压器,一次侧接成星形,二次侧接成开口三角形,如图2所示。

 

图2 三台单相变压器二次侧开口输出倍频正弦波

当在一次侧加压，使变压器的铁芯过励磁，由于是星形接线，则一次侧没有3次谐波电流，此时中性点必须不能接地，否则一次侧便有3次谐波电流，会使磁通波形的3次谐波分量减小。由于铁芯中有3次谐波磁通，每相绕组便感应出3次谐波电动势，当励磁电流为正弦波，在铁芯饱和情况下，如图3所示。

 

图3 铁芯饱和情况下磁通波形关系

主磁通的波形是平顶波，这样，在主磁通波形中包含了较大的3次谐波，二次侧各相的基波电势互差120°,其输出电势为零, 所以输出主要是三次谐波电势。

通过该方式输出的3倍频电源基本能满足试验需求，但采用该方法进行试验需要的试验设备多，接线复杂，同时3台单相变压器二次侧提供的3倍频电源除含有150Hz的3次谐波分量外，还含有其他谐波分量，试验中电压波动大，可控性差，可能伤及设备绕组及铁芯绝缘，甚至损坏被试设备。

1.2.2电子式变频技术

电子式变频技术由可控硅器变频器、滤波器以及隔离变组合而成，如图4所示。

  

图4 电子变频电源

       电源可输出20-300Hz的正弦波，波形失真度小，波形畸变率低，输出电压在0-380V之间，可充分满足现场试验需求。

1.2.3现场应用

  在此以10kV、18kV和35kV半绝缘电磁式电压互感器为例进行频率及其电压估算。

1)试验所需电源频率见表1

表1  试验电源频率估算表

PT额定电压（kV） 拐点电压（kV） 试验电压（kV） 最低频率输入估算（Hz）

10 6.92 33.6 243

18 12.47 40 160

35 24.25 76 146.7

估算10kV、18kV和35kV半绝缘电磁式电压互感器感应耐压试验所需电源频率在140Hz-250Hz之间，变频电压输出频率在20-300Hz之间，充分满足现场试验需求。

2)试验所需电压见表2

表2 试验所需电压估算表

PT额定电压（kV） 试验电压（kV） 加压端子

a-n da-dn

变比 所需电压（V） 变比 所需电压（V）

10 33.6 100 336 173.2 193

18 40 180 222 311 128

35 76 350 217 375.8 202

估算10kV、18kV和35kV半绝缘电磁式电压互感器试验电压在120V至350V之间，变频电源输出电压在0-380V之间，充分满足现场试验需求。

 

2橡塑绝缘电力电缆交流耐压试验

交流耐压试验是最有效、最直接检测橡塑绝缘电缆绝缘状况的手段。对于低电压、短距离的电缆，在估算其对地电容后，可采用传统的交流耐压试验装置完成试验。而对于长距离、高电压的电力电缆，因其对地电容大，试验所需电压高，试验时间长，传统的交流耐压仪已不能满足试验需求。为此，需考虑采用谐振的方式完成试验。

2.1调感式串联谐振方式

串联谐振耐压试验是利用电抗器的电感与被试品电容实现串联谐振，从而满足试验所需电压及容量，这已经成为当前高电压试验的新的方向和潮流，在国内外得到了广泛应用。

调感式采用可调节铁芯气隙的电抗器，通过调节电感量，使回路处于工频谐振状态。但采用该方式进行试验，设备笨重，可移动性差，同时噪音大、机械结构复杂，搬运困难，不适于现场使用。

2.2变频串联谐振方式

调频式采用固定电感电抗器，通过调节激励电源的频率使其与试验回路的固有频率相同，串联回路达到谐振状态，从而在被试品上产生高电压或大电流，实现对被试品耐压试验的目的。其特点是试验设备体积小、重量轻，品质因数高，使用方便。

串联谐振的等值电路图如图5所示

 

图5 串联谐振的等值电路图

为谐振电抗器电感，为电容（包括被试电容、电容分压器、高压试验回路电容）

由图1可得：

 

式中： ， 

调节频率，使

即：

 

谐振频率

谐振回路电流，即试品电流为：

 

谐振回路的品质因数为：

 

则试品电压，即被试品上的电压为励磁电压的倍。

输入功率,谐振时，负荷为纯电阻性的，即=1,故，而加在被试品上的容量是施加的电压和电流的乘积：

也就是在被试品得到的容量为试验电源容量的倍。换言之，小容量的试验变压器可以对大容量的试品进行耐压试验。

实际试验回路中的值一般可以达到20-70，激励电压仅为试验品谐振电压的，激励功率亦为谐振功率的。

采用变频串联谐振的方法完成电缆交流耐压试验，可大幅度的减小试验电源容量，谐振状态下电压也满足了试验电压。如做2公里长的110kV电缆交流耐压试验，至少需要1500kVA以上容量的试验变压器和调压器，而采用变频串联谐振的方法，仅需要30kVA试验电源，保证试验的等效性同时，也大大提高了工作效率，非常适宜生产现场使用。

 

3电容型试品的电容量及其介质损耗测试

测量电容型试品的电容量及其介质损耗是判断其绝缘状况的一种十分传统有效的方法。绝缘能力的下降直接反映为设备介损增大，进一步可以分析绝缘下降的原因，如绝缘受潮、绝缘油受污染、绝缘老化变质等。而电容量的变化直接反映为多个电容屏中的一个或几个发生短路、断路。

电容型设备一般在110kV电压等级及以上系统使用，如电容式电压互感器、载波耦合电容器等。试验过程中相邻运行线路产生的电磁场干扰严重，电压等级越高，干扰现象越为突出。使用传统手段进行试验，采用移相、倒向法等手段反复进行测试，始终得不到准确的试验数据。这种情况下采用变频技术进行测量是一个很好的、甚至是唯一的选择。

3.1变频抗干扰原理

试验现场的干扰源主要是相邻运行线路产生的，干扰源频率约为50Hz，为此，需选择不同于50Hz的频率进行测试。因试品介质损耗与频率有很大关系，所以频率选择不能过高或过低，避免测试结果的失真。现场实际应用中一般选择55Hz和45Hz进行两次测试，然后推算50Hz频率下数据，保证试验数据的准确性。

以55Hz为例，试验过程中，测量系统只允许55Hz信号通过，50Hz干扰信号被有效抑制，原因在于测量系统很容易区别不同频率，由下述简单计算可以说明变频测量的效果，频率源相位及幅值见表3。

表3 频率源相位及幅值

频率源 相位 幅值 备注

低频测量源 5.678° 1.234 高频干扰源幅度为低频测量源的10倍

高频干扰源 87.65° 12.34

两个频率相差1倍的正弦波叠加到一起：

Y=1.234sin(x+5.678°)+12.34sin(2x+87.65°) 

在x=0/90/180/270°得到4个测量值：

Y0=12.4517，Y1=-11.1017，Y2=12.2075，Y3=-13.5576，

计算A=Y1-Y3=2.4559，B=Y0-Y2=0.2442，则：

φ=tg-1(B/A)=5.678°   V=  A2+B2/2=1.234

这刚好是低频部分的相位和幅度，干扰被有效抑制。

3.2频率等效性

从理论上讲，试品的等效模型有两种：串联模型时tgδ=2πfRC；并联模型时tgδ=1/(2πfRC)，tgδ分别随频率f成正比和反比。因试品介质损耗与频率有很大关系，因此采用变频技术完成试验，试验数据的准确性便受到一定怀疑。但实际中试品是多种模型交织的混合模型，试验中又是在50Hz对称位置45Hz和55Hz 各测量一次，试验结果通过倒数平均法进行计算，计算结果与理论值比较几乎没有误差，可保证测试数据的准确性。

 

4结语

在半绝缘电磁式电压互感器感应耐压试验中，变频技术的应用可保证试验电源输出波形失真度小,波形畸变率低，满足试验需求的同时，也保证了试验设备的安全；在橡塑绝缘电力电缆交流耐压试验中，变频技术的应用可解决电源容量及电压的问题，保证试验等效性的同时，也大大提高了工作效率；而在电容型试品的电容量及其介质损耗测试中，变频技术的应用可有效解决现场干扰问题，测试数据准确，目前已成为强电磁场干扰下测试电容型设备电容量及介质损耗的主流技术。本文从三个方面阐述了变频技术应用的优越性，在实际的运用中，除上述3种情况外，对于一些大型电力设备，如发电机、大型变压器、GIS（气体封闭组合电器）等，在开展电气试验工作时，也均用到了变频技术。电气试验中变频技术的应用不仅可以几十倍的降低电源容量，减小设备体积，还可以使试验更加安全、方便、有效。

 

参考文献：

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

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