变频谐振试验装置概述、主要特征及应用领域

变频谐振试验装置主要用于10kV、35kV、110kV的交联橡塑电力电缆，66kV、110kV、220kV 组合电器(GIS)的变频交流耐压试验，水力和火力发电机或电力变压器等的工频交流耐压试验。其基本原理是采用可调节（30--300Hz）串联谐振试验设备与被试品电容谐振产生交流试验电压。

由于电缆的电容量较大，采用传统的工频试验变压器很笨重、庞大、且大电流的工作电源现场不易取得，因此一般都采用串联谐振交流耐压试验设备。其输入电源的容量能显著降低，重量减轻，便于使用和运输。初期多采用调感式串联谐振设备（50Hz），但存在自动化程度差、噪音大等缺点。因此现在大多采用变频谐振，可以得到更高的品质因数（Q 值），并具有自动调谐、多重保护、以及降低噪音、灵活的组合方式、单件重量轻等优点。

变频谐振试验装置主要由变频控制器，励磁变压器，高压电抗器，高压分压器等组成。变频控制器又分两大类，20KW及以上为控制台式，20KW以下为便携箱式；它由控制器和滤波器组成。变频控制器主要作用是把幅值和频率都固定的380V或200V工频正弦交流电转变为幅值和频率可调的正弦波，并为整套设备提供电源。

励磁变压器的作用是将变频电源输出的电压升到合适的试验电压。高压电抗器L是谐振回路重要部件，当电源频率等于1/（2π√LCX）时，它与被试品CX发生串联谐振。

变频谐振试验装置是运用串联谐振原理，利用励磁变压器激发串联谐振回路，调节变频控制器的输出频率，使回路电感L和试品C串联谐振，谐振电压即为加到试品上电压。变频谐振试验装置广泛用于电力、冶金、石油、化工等行业，适用于大容量，高电压的电容性试品的交接和预防性试验。

 

串联谐振在电力系统中应用与优势

串联变频自动谐振试验装置主要用于10kV、35kV、110kV的交联橡塑电力电缆，66kV、110kV、220kV 组合电器(GIS)的变频交流耐压试验，水力和火力发电机或电力变压器等的工频交流耐压试验。其基本原理是采用可调节（30--300Hz）串联谐振试验设备与被试品电容谐振产生交流试验电压。

由于电缆的电容量较大，采用传统的工频试验变压器很笨重、庞大、且大电流的工作电源现场不易取得，因此一般都采用串联谐振交流耐压试验设备。其输入电源的容量能显著降低，重量减轻，便于使用和运输。

初期多采用调感式串联谐振设备（50Hz），但存在自动化程度差、噪音大等缺点。因此现在大多采用变频谐振，可以得到更高的品质因数（Q值），并具有自动调谐、多重保护、以及降低噪音、灵活的组合方式、单件重量轻等优点。

 

串联谐振电源在电力系统应用中的优点

1、所需电源容量大大减小

串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品电容谐振产生高电压和大电流的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q。

2、设备的重量和体积大大减少

串联谐振电源中，不但省去了笨重的大功率调压装置和普通的大功率工频试验变压器，而且，谐振激磁电源只需试验容量的1/Q，使得系统重量和体积大大减少，一般为普通试验装置的1/5-1/10。

3、改善输出电压的波形

谐振电源是谐振式滤波电路，能改善输出电压的波形畸变，获得很好的正弦波形，有效的防止了谐波峰值对试品的误击穿。

4、防止大的短路电流烧伤故障点

在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，电路立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q。而并联谐振或者试验变压器方式做耐压试验时，击穿电流立即上升几十倍，两者相比，短路电流，击穿电流相差数百倍。所以，串联谐振能有效的找到绝缘弱点，又不存在大的短路电流烧伤故障点的忧患。

5、不会出现任何恢复过电压

试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭，且恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪落电压前断开电源，这种电压的恢复过程是一种能量积累的间歇振荡过程，其过程长，而且，不会出现任何恢复过电压。

 

为什么要用串联谐振做交流耐压试验

电气设备的绝缘结构在运行中可能受到以下四种电压作用：

(I)工频最高工作电压 电气设备的绝缘结构在其整个运行过程中，必须能够长期连续地承受工频最高工作电压，通常称之为系统最高运行电压，一般为额定电压的1 .15倍。

(2)暂态过电压  它包括习惯上所指的上频电压升高和谐振过电压。工频电压升高起因于空载线路的电容效应、甩负载和不对称接地。当突然甩负载后，由于电源只带一条空载的输电线路，而输电线路的对地容抗可用X0表示，这样流过电源内阻的电流就突变为容性电流，这个电流流过系统中的感抗就造成了电压升高。因为这个升高了的电压仍接近于50Hz交流电压，故称为工频电压升高，在近代的继电保护条件下，其作用时间约为几十毫秒至1 s。与长期施加的交流电压一样，它对电气设备内绝缘老化及电力系统的绝缘结构影响很大。谐振过电压起因于含铁心的非线性电感元件所引起的铁磁效应或谐振，其幅值较高，持续时间较长，其频率可以是工频基波，也可以是高次或分次谐波。

(3)操作过电压 它是由于电力系统中的断路器动作所产生的。例如，切断、闭合空载长线路，切断空载变压器等。这种过电压的波形很不规则，情况不同时变化很大，可以是衰减振荡波或是非周期性电压的冲击波，一般在1ms之内电压达到最大值。电力系统中的操作过电压与系统电压有关，而且系统电压越高倍数越小，6～35kv系统约为5～4倍。

(4)雷电过电压(或外部过电压、大气过电压)  它是由于雷云放电产生的，幅值很高，作用时间约几到几十微秒。：目前，我国对于雷电过电压的试验标准电压波规定为1.2／50us的全波。雷电过电压往往造成电气设备的绝缘破坏，为保证电力系统的安全运行，对雷电过电压必须采取预防措施，如安装避雷针、避雷线、避雷器等。

为了保证绝缘结构能够耐受上述四种电压的作用，绝缘结构必须经受冲击波耐压试验以及工频耐压试验的考验，并要求有足够的裕度。

 

串联谐振试验设备选型指南

目前，随着电压等级的不断增高，常规高压试验设备由于试验设备笨重、不便搬运，或者容量不够、电流容量不够等缺陷的制约，很多情况下不能满足现场试验的需求；而串联谐振试验设备具有常规高压设备无法比拟的优势，同时可以客服常规高压试验设备的一些缺点，越来越受到试验人员的青睐。

一、串联谐振原理

串联谐振等值电路图

在正常情况下

UC=I×XC=U/R2+（X1-X2）2XC

当串联谐振时

XC=XL

UC=U/R XC =U/R XL

Q=wL/R=1/wCR

XC =QU

Ps=QP

由上可见，利用额定电压较低的试验变压器，可以等到较高的输出电压；利用小容量的试验变压器，可以对大容量的试品进行高压试验。

串联谐振试验设备就是基于上述串联谐振原理而制造的。

二.串联谐振试验设备的应用

目前，串联谐振试验设备主要用于交流耐压试。

众所周知，交流耐压试验是高压电力设备试验中非常重要的一项试验。而进行交流耐压试验，选择合适的试验设备又是重中之重。目前交流耐压试验设备主要有两种：高压试验变压器和串联谐振试验设备。

2.1高压试验变压器

高压试验变压器一般分为两个系列：一个系列高压侧电流为1～2A，一个系列高压侧电流为0.1～0.2A，试验时根据电压、电流、频率、容量四点要求选择合适的试验变压器，计算方法参考如下：

Ps=Us2wCx

Is=UswCx

该方法缺点主要是试验电压较低。

为了解决试验电压较低的缺点，可以采用串级试验变压器来提高试验电压，但利用率下降，比如两台试验变压器串联，使用效率为66.7%，三台试验变压器串联其效率为50%，级数越多，效率越低，一般不会采用三级以上的试验变压器串联，况且不宜搬运。

总之，运用试验变压器进行交流耐压试验，缺点是试验电压较低，试验变压器容量有限，很难满足高电压等级电力设备的交流耐压试验要求，一般用于实验室。

利用串联谐振试验设备进行交流耐压试验，可以弥补试验变压器的一些缺陷，满足现场对大容量电力设备的交流耐压试验要求。

串联谐振试验设备可以通过调节电感、电容、频率，或者调解其中的两者来实现。以前串联谐振试验设备主要是调解电感，但目前以调解频率为多，此时除了考虑试验电压和容量外，还应该注意试验加压间。

加压时间标准：当试验电源频率小于或等于2倍额定频率时，试验加压时间为60s；当试验电源频率大于或等于2倍额定频率时，试验加压时间按如下计算

t=120×fn/f

式中：t——试验加压时间  fn——额定频率 f试验频率

切记：如果试验电源频率大于2倍额定频率时，试验加压时间不小于15s。

 

如何对变压器的交流耐压试验结果进行分析判断和处理

目前主要通过串联谐振给变压器加压，根据仪表指示和被试变压器发出的声响，判断变压器的交流耐压试验是否合格。

(1)试验中，表计指示不跳动，被试变压器无放电声，持续加压1min后认为交流耐压试验合格。

(2)在交流耐压试验中，电流表指针突然上升或下降，并且被试品有放电响声或者保护间隙放电)则说明被试变压器有问题。应查明原因。

(3)对于35kv以上的变压器．当电压升到规定的试验电压后，若油箱内有轻微局部放电声(如吱吱声)但指示表计没有变化，则应将电压下降后再次升压复试，若复试中放电声消失，则认为试验正常；若复试中仍有放电声，则应停止试验。待采取措施(倒如加热、滤油、真空处理或进行干燥)后。再行试验。

(4)在交流耐压试验中，若油箱内有明显的放电现象，试验表计有明显变化或有瓦斯气体排出等现象，则应立即停止试验，对变压器进行吊芯检查(或检修)，待消除放电原因后，再行试验。

(5)几种故障判断如下：

1)油隙击穿放电。在加压过程中，被试变压器内部放电，发出很象金属撞击油箱的声音，电流指示突变。这种现象一般是由于油隙距离不够或电场畸变，而导致油隙贯穿性击穿所致。重复试验时，由于油隙抗电强度恢复，其放电电压不会明显下降：若放电电压比第一次降低，则是固体绝缘击穿。

2)油中气体间隙放电。试验时．放电声一次比一次小，仪表摆动不大，重复试验放电又消失。这种现象是油气体间隙放电，气泡不断逸出所致。  

3)带悬浮电位的金属件放电。在加压过程中，被试变压器内部如有象炒豆般的放电声，而电流指示叉很稳定，这可能是带悬浮电位的金属件对地放电(如铁芯接地不良等)所致。

4)固体绝缘爬电。若出现哧哧的放电声，电流表指示突增，这是由于内部固体绝缘(多数是绝缘角环纸板)爬电或绕组端部对铁轭爬电，再重复试验时放电电压就会明显下降。

5)外部试验回路放电。试验时，被试变压器外部试验回路的绝缘被击穿，将发生明显响声和火花，这是可观察到的。此外，空气中有轻微的电晕或瓷件表面有轻微的树枝状放电，这是正常现象。、

 

串联谐振进行交流耐压试验分析及注意事项

一、试验分析

对于绝缘良好的被试品，在交流耐压中不应击穿，而其是否击穿，可根据下述现象来分析。

1．根据试验回路接入表计的指示进行分析

 一般情况下，电流表如突然上升，说明被试品击穿。但当被试品的容抗XC与试验变压器的漏抗XL之比等于2时，虽然被试品已击穿，但电流表的指示不变(因为回路电抗X=|XC—XL|，所以当被试品短路XC=0时，回路中仍有XL存在，与被试品击穿前的电抗值是相等的，故电流表的指示不会发生变化)；当XC与XL的比值小于2时，被试品击穿后，使试验回路的电抗增大，电流表指示反而下降。通常XC》XL，不会出现上述情况，只有在被试品电容量很大或试验变压器容量不够时，才有可能发生。此时，应以接在高压端测量被试品上的电压表指示来判断，被试品击穿时，电压表指示明显下降。低压侧电压表的指示也会有所下降。

2．根据控制回路的状况进行分析

如果过流继电器整定适当，在被试品击穿时，过流继电器应动作，并使自动控制开关跳闸。若动作整定值过小，可能在升压过程中，因电容电流的充电作用而使开关跳闸；整定值过大时，电流继电器整定电流过大，即使被试品放电或小电流击穿，继电器也不会动作。因此，应正确整定过流继电器的动作电流，一般应整定为被试品额定试验电流的1.3倍左右。

3根据被试品的状况进行分析

被试品发出击穿响声(或断续放电声)、冒烟、出气、焦臭、闪弧、燃烧等，都是不容许的．应查明原因。这些现象如果确定是绝缘部分出现的，则认为是被试品存在缺陷或击穿。

二、注意事项

 (1)被试品为有机绝缘材料时，试验后应立即触摸，如出现普遍或局部发热，则认为绝缘不良，应及时处瑾，然后再作试验。

 (2)对夹层绝缘或有机绝缘材料的设备，如果耐压试验后的绝缘电阻比耐压前下降30％，则检查该试品是否合格。

(3)在试验过程中，若由于空气湿度、温度、表面脏污等影响，引起被试品表面滑闪放电或空气放电，不应认为被试品的内绝缘不合格，需经清洁、干燥处理之后，再进行试验。

(4)升压必须从零开始．不可冲击合闸。升压速度在40％试验电压以内可不受限制，其后应均匀升压，速度约为每秒3％的试验电压。

(5)耐压试验前后均应测量被试品的绝缘电阻。

 

电力电缆交流耐压试验作业指导书

一.使用范围

橡塑绝缘电力电缆

二.试验类型

例行试验

三.试验依据

GB11017 额定电压110KV铜芯、铝芯交联聚乙烯绝缘电力电缆

GB12906 额定电压35KV及以下铜芯、铝芯塑料绝缘电力电缆

四.测量仪器

交流耐压试验可选用工频耐压试验设备、工频串联谐振耐压试验设备或变频串联谐振耐压试验设备，设备电压及容量由所试电缆的情况确定。

1.试验变压器：额定电流In大于试品所需电流Ix（估算公式为Ix-UwC）；高压侧额定电压Un应大于试验所需电压的1.2倍。

2.工频串联谐振耐压设备：

①串联电抗器：耐压应高于试验电压Ux（kV）；电感量应近似等于I/（w2Cx）和额定电流应近似等于UwC。

②试验变压器：额定电流In大于试品所需电流Ix（估算公式为Ix=UwC）；容量和高压侧额定电压Un可用下式估算：

S＞IxUx/Q，kVA（完全补偿时）

Un=S/In，kV

Un＞|wL-1/wCx|·Ix（非完全补偿时）

Sn=UnIn，kVA

式中：Q——电抗器的品质因数；

③调压器：容量与试验变压器匹配

3.变频串联谐振耐压试验设备

①串联电抗器：耐压应高于试验电压Ux（KV）；电感量和额定电流估算同工频串联谐振。

②试验变压器：额定电流In大于试品所需电流Ix（估算公式同并联谐振）；容量和高压侧额定电压Un可用下式估算：

S＞IxUx/Q，kVA

Un=S/In，kV

③调压器：容量与试验变压器匹配。

 

串联谐振之电抗器在电力系统中的作用

1)轻空载或轻负荷线路上的电容效应,以降低工频暂态过电压。

2)改善长输电线路上的电压分布。

3)使轻负荷时线路中的无功功率尽可能就地平衡,防止无功功率不合理流动,同时也减轻了线路上的功率损失。

4)在大机组与系统并列时,降低高压母线上工频稳态电压,便于发电机同期并列。

5)防止发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象。

6)当采用电抗器中性点经小电抗接地装置时,还可用小电抗器补偿线路相间及相地电容,以加速潜供电流自动熄灭,便于采用单相快速重合闸

 

用变频串联谐振做交流耐压试验的注意事项

用串联谐振测量交流耐压试验方法是通过改变试验回路中的电感、频率、是回路处于谐振状态，采用这种方法能满足高压、大电流的试验要求。用串联谐振做交流耐压试验时应注意以下几点：

1)试验前应了解被试设备的非破坏性试验项目是否合格，若有缺陷或异常，应在排除以后再进行试验；

2)试验现场应围好遮栏，挂好警示标志牌，并派专人监视；

3)试验前应将被试设备的绝缘表面擦拭干净，将试验设备、被试品的外壳和非被试绕组可靠接地。对多油设备应按有关规定使油静止一定时间后再做试验，如：大容量变压器，应使油静止12～24h；3～l0kV变压器，应使油静止6—12h；

4)调整保护球间隙，使其放电电压为试验电压的105％~110％，连续试验三次，应无明显差别，并检查过电流保护装置动作的可靠性；

5)根据试验接线图接好线后，应有专人检查，确认无误（包括引线对地距离、安全距离等）后方可准备加压；

6)加压前要检查调压器是否在零位，确认在零位后方可加压，而且要在高呼“家高压”后才能实施操作；

7)对于升压速度，在试验电压的30%以下时可以稍微快一些，其后升压应均匀，约按5%试验电压/s进行升压，或升至额定试验电压世界为10~15s；

8)升压过程中应监视电压表及其他仪表的变化，0.5倍额定试验电压时，读取被试设备的电容电流；当升至额定电压时，开始计算时间，再读取电容电流，时间到后缓慢降下电压至零，再断开电源；

9)试验中若发现电压表指针摆动很大，被试物发出异常响声，毫安表的指示急剧增加，被试物冒烟、冒火、绝缘表面发等连续火花放电等情况时，应立即降下电压，在高压侧挂上地线后，查明原因；

10)被试设备无明确规定者，一般耐压时间为1min；绝缘棒等用具耐压时间为5min。试验完毕应及时挂上地线，然后接触有关部位，应无发热现象；

11)试验前后应测量被试设备的绝缘电阻及吸收比，两次测量结果不应有明显差别。

 

串联谐振的操作步骤和注意事项

一、操作步骤 

1·首先根据串联谐振试验电压有效值，调整铜球间隙(按3KV/mm)以保证试验电压不至过高。在确证调压器置于零位时，接入被试品，然后接通电源。

2·在试验电压的20％、50％、80％处调谐找出谐振点。

3·继续升压，直至被试品上获得试验电压值。

二、注意事项：

1·作变频串联谐振试验，其可调电感的一端必须接变压器3Kv输出端(此时35KV端空载)。

2．回路要可靠接地。

3·初调找谐振点时应在低电压下调节，以免在被试品上产生过高的电压。

4·当被试品发生闪络或放电时，应立即把电压降到零．并断开电源。  

5·做线棒耐压时，断开变压器3KV输出端、直接将被试品接变压器35KV输出端。

 

串联谐振试验装置的操作步骤

1.首先根据试验电压有效值，调整铜球间隙（按3kV/mm）以保证试验电压不至于过高。在确证调压器置于零位时，接入被试品，然后接通电源。

2.在试验电压的20%、50%、80%处调谐找出谐振点。

3.继续升压，直至被试品上获得试验电压值。

调频串联谐振试验装置注意事项

4.做谐振试验时，其可调电感的一端必须接变压器3kV输出端（此时35kV端空载）。

5.回路要可靠接地。

6.出调找谐振点时应在低电压下调解，以免在被试品上产生过高的电压。

7.当被试品发生闪络或放电时，应立即把电压降到零，并断开电源。

8.做线棒耐压时，断开变压器3kV输出端、直接将被试品接变压器35kV输出端。

 

如何用串联谐振给发电机做交流耐压试验

工频交流耐压试验是鉴定发电机绝缘强度的最有效和最直接的方法，由于试验电压与工作电压的波形、频率一致，因此对判断发电机能够投入运行具有决定性的意义，是发电机绝缘试验中一项关键性的试验。

特别注意：在进行交流耐压试验前，必须先对其它各项非破坏性试验结果，如绝缘电阻、吸收比、泄漏电流等进行综合分析判断后，才决定该发电机能否承受耐压试验的电压，以免在交流耐压试验中造成不应有的绝缘击穿。

如何用串联谐振给发电机做交流耐压试验，具体操作方法如下：

过流保护设定，按试验变压器高压侧额定电流的1.2倍整定。

例：该激励变压器高压侧额定电流为50A，所配置互感器为50/5，则其电流继电器应调整为5A。

过压保护设定，按试验时的电压的1.1倍整定。

例：该试验电压为39kV时，则其显示器应调整为43kV。

把分压器的电缆线接到控制台上高压电压两接线柱  注意：所有地线必须接好，牢固可靠。

激励变压器上的高压电流接到控制台上高压电流两接线柱.

耐压时间整定：将时间继电器上的试验时间设置到所需的试验时间。

按上图所示连接好试验接线检查无误后，合上控制台的断路器，此时若调压器不在零位，调压器将自动回零。不接通主电源，调节电抗器铁芯间隙，观察升降及间隙限位保护功能是否正常。

合闸主电源，按“升压”按钮，升压到电抗器上获得几百伏电压，通过改变气隙来调谐使输出电压达到最高，此时调谐完毕，即可升压，升压到试验电压值时，会自动耐压计时，到达设定耐压时间，设备自动降压到零。

断开主电源。

试验时，有关人员应加强对被试设备的监护，一旦出现异常现象，应将调压器迅速降压，并同时断开电源。

 

串联谐振计算常用数据查询表

高压电气设备电容量一览表

 

 

部分设备试验电压标准