細(xì)談變頻串聯(lián)諧振在電力工程中的前景
遵循電力儀器交接試驗(yàn)需要,變壓器、GIS系統(tǒng)、SF6斷路器、電流互感器、電力電纜、套管的一切容性設(shè)備交接時(shí)必須符合交流耐壓試驗(yàn)規(guī)范[1],那么讓我們一起來細(xì)談細(xì)談變頻串聯(lián)諧振在電力工程中的前景,運(yùn)用傳統(tǒng)的工頻電壓試驗(yàn)法進(jìn)行容性儀器交流耐壓試驗(yàn)時(shí),升壓試驗(yàn)變壓器不易搬運(yùn),并且現(xiàn)場(chǎng)大電流試驗(yàn)電源不容易獲得。和傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相對(duì)來說,變頻串聯(lián)諧振具有輸入電源容量小、設(shè)備重量輕,品質(zhì)因數(shù)高,而且具有自動(dòng)調(diào)諧、雙重防護(hù)、組合方式靈活優(yōu)勢(shì)[2]。
因?yàn)榇?lián)諧振電源主要利用諧振電抗器和被試品電容諧振產(chǎn)生高電壓和大電流的,試驗(yàn)電源僅僅提供系統(tǒng)有功的耗損,所以它所需電源功率僅具備試驗(yàn)容量的1/Q。同時(shí),因?yàn)榇?lián)諧振試驗(yàn)不用大功率調(diào)壓裝置和工頻試驗(yàn)變壓器,諧振激磁電源僅要試驗(yàn)容量的1/Q,使得串聯(lián)諧振系統(tǒng)重量和體積規(guī)模化的削減。不同的是,諧振電源是諧振式濾波電路,其能優(yōu)化輸出電壓波形,以至于規(guī)避諧波峰值對(duì)試品的誤擊穿。但在串聯(lián)諧振模式下,當(dāng)試品絕緣弱點(diǎn)被擊穿時(shí),電路立即脫諧,回路電流迅速調(diào)整為正常試驗(yàn)電流的1/Q,所以他還能規(guī)避大的短路電流對(duì)故障點(diǎn)的燒傷。
2.串聯(lián)諧振原理分析
電路諧振時(shí)阻抗值最小,當(dāng)端口電壓一守時(shí),電路電流將到達(dá)最大值,如圖1(b)所示,且該值的巨細(xì)僅與電阻的阻值有關(guān)而與電感和電容無關(guān)。諧振時(shí)電感電壓與電容電壓數(shù)值持平、相位相反,為總電壓的Q倍[4],即。RLC串聯(lián)電路的電流是電源頻率的函數(shù),
在電阻、電感及電容所構(gòu)成的串聯(lián)電路中,當(dāng)容抗與感抗持平時(shí),電路中的電壓與電流相位相同,電路出現(xiàn)純電阻性,此即為串聯(lián)諧振[3]。當(dāng)電路發(fā)作串聯(lián)諧振時(shí),電路的阻抗Z=R,此時(shí)回路總阻抗值最小,回路電流最大值。圖1(a)所示為電感和電容元件串聯(lián)構(gòu)成的一端口網(wǎng)絡(luò),其等效阻抗,當(dāng)發(fā)作諧振時(shí),其端口電壓與電流同相位,即,由此可推得諧振角頻率和諧振頻率分別為,。界說諧振時(shí)的感抗或容抗 為特性阻抗ρ,則特性阻抗ρ與電阻R的比值即為品質(zhì)因數(shù)Q。
為了研討電路參數(shù)對(duì)諧振特性的影響,通常選用通用諧振曲線,圖2(b)所示為串聯(lián)諧振電路的通用諧振曲線。通用諧振曲線的形狀只與Q值有關(guān),且曲線形狀越尖利,電路的選頻性能越好。幅值大于峰值的0.707倍所對(duì)應(yīng)的頻率規(guī)模為通帶寬,理論推導(dǎo)可得,由該式可知通帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比。
即,在電路的電感L、電容C和電源電壓US不變的情況下,不一樣的R值得到不一樣的Q值,圖2(a)所示為不一樣Q值時(shí)的電流幅頻特性曲線。
3.變頻串聯(lián)諧振的工程運(yùn)用分析
變頻串聯(lián)諧振實(shí)驗(yàn)過程中,勵(lì)磁變的容量應(yīng)大于有功功率P,并在勵(lì)磁變最低輸出電壓滿意實(shí)驗(yàn)需求的前提下盡量下降勵(lì)磁變的變比,然后相應(yīng)減小勵(lì)磁變?cè)叺妮斎腚娏鳌?shí)驗(yàn)電源容量S=P+P1,其間P1為變頻電源自身的損耗,由電源端輸入電壓為380V可得電源電流I1=。實(shí)驗(yàn)中電抗器的額外電壓和電流也應(yīng)大于實(shí)驗(yàn)電壓和高壓電流,當(dāng)電抗器采納串并聯(lián)以滿意實(shí)驗(yàn)需求時(shí),有必要核算每個(gè)電抗器上所接受的電壓和電流不超限值。
在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中,通常選用16mm2以上的裸銅線接地,裸銅線其寄生電感在μH數(shù)量級(jí),約0.1-1μH/m,直
流電阻約0.1mΩ,假如接地線有彎曲環(huán)繞現(xiàn)象,電感量可增加到10-1000μH/m。試品絕緣通常在溝通電壓的正峰值或負(fù)峰值被擊穿,試品被擊穿剎那間試品上的電壓最高,擊穿后試品上的電壓跌落到零的時(shí)刻通常在0.1-10μs之間,具體情況與擊穿點(diǎn)的實(shí)踐情況有關(guān)。從放電能量上看,即便放電時(shí),試品的最小電容量只要0.002μF,實(shí)踐實(shí)驗(yàn)時(shí)試品電容量遠(yuǎn)大于該值。如以放電時(shí)頻率為100kHz、地線寄生電感為1μH、放電電流為1000A核算,地線的寄生感抗XL==0.628Ω,地線也許發(fā)生的過電壓Ud=If XL=1000×0.628=628V。假如地線連接不規(guī)范,寄生電感就會(huì)增大許多,發(fā)生的過電壓也許更大,可危及變頻電源及人身安全。所以高壓實(shí)驗(yàn)體系有必要一點(diǎn)牢靠接地,分壓器的接地址與大地的連接線應(yīng)盡量短,接地線應(yīng)粗、直、短,然后確保實(shí)驗(yàn)安全。
變頻串聯(lián)諧振其諧振頻率,其間L為電抗器的電感值,如有幾個(gè)電抗器串并聯(lián)運(yùn)用應(yīng)思考互感的影響;C為被試品及分壓電容器的和,現(xiàn)場(chǎng)可以用電橋或介損儀進(jìn)行實(shí)踐丈量取得。高壓電流I=2πfCU,由被試品的電氣參數(shù)和出廠耐壓實(shí)驗(yàn)值,可確定現(xiàn)場(chǎng)的耐壓實(shí)驗(yàn)電壓U;有功功率P=1.2(P0+PK),其間P0為勵(lì)磁變空載損耗,PK為電抗器額外有功損耗。
為進(jìn)行GIS導(dǎo)體對(duì)外殼溝通耐壓實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)前先用介損儀在該變#1主變220kV側(cè)測(cè)得各相對(duì)地電容,并依據(jù)被試設(shè)備電容量估算所需電感以及實(shí)驗(yàn)電流及容量,各相對(duì)地電容量如表1所示。依據(jù)理論核算進(jìn)行預(yù)備實(shí)驗(yàn)作業(yè),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐諧振頻率為73.8Hz,實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)作設(shè)備部件的閃絡(luò)、放電,且實(shí)驗(yàn)前后試品絕緣無明顯變化,設(shè)備順暢通過溝通耐壓實(shí)驗(yàn)
4.變頻串聯(lián)諧振在工程中的運(yùn)用典范分析
以某變電站220kV GIS導(dǎo)體對(duì)外殼耐壓實(shí)驗(yàn)為例,商品出廠實(shí)驗(yàn)電壓導(dǎo)體對(duì)地為460kV,現(xiàn)場(chǎng)交代實(shí)驗(yàn)電壓值為出廠實(shí)驗(yàn)的80%,即368kV。實(shí)驗(yàn)設(shè)備選用變頻式串聯(lián)諧振耐壓實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)按電氣設(shè)備交代實(shí)驗(yàn)規(guī)范和規(guī)程進(jìn)行[1,5]。實(shí)驗(yàn)時(shí)GIS設(shè)備所有氣室均充額外壓力SF6氣體且微水丈量合格,架空線、電力變壓器、避雷器和維護(hù)空隙與GIS隔脫離。導(dǎo)體對(duì)外殼耐壓加壓實(shí)驗(yàn)時(shí),220kV GIS實(shí)驗(yàn)電壓由#1主變220kV側(cè)套管處施加,每次一相,其他兩相與接地的外殼短接。
表1 試品電容的測(cè)量及參數(shù)的估算
相別 電容量(nF) 電感量(H) 諧振頻率(Hz) 一次電流(A) 二次電流(A) 電源電流(A)
A/B-C-E 16.81 260 70.13 3.21 160.61 68.56
B/A-C-E 16.52 260 70.65 3.19 159.43 67.38
C/A-B-E 16.63 260 70.45 3.20 159.88 68.03
5.結(jié)論
因此我們將變頻串聯(lián)諧振和交流工頻耐壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行對(duì)比,從而得知其具有電源容量小、試驗(yàn)儀器易搬運(yùn)、輸出電壓波形好等優(yōu)勢(shì),還可以有力度的規(guī)避諧波峰值對(duì)試品的誤擊穿、同時(shí)也能規(guī)避大的短路電流燒傷故障點(diǎn)。變頻串聯(lián)諧振原理、工程應(yīng)用整合和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)充分證明,變頻串聯(lián)諧振在電力工程試驗(yàn)中具有突出的技術(shù)特長(zhǎng)和龐大的市場(chǎng)需求。