变频串联谐振耐压试验原理

  变频串联谐振耐压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。

  变频控制器最大的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。

  变频串联谐振装置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，十分便捷于在施工现场使用。现就变频串联谐振试验装置的特点、原理和在实际应用中的几点体会进行阐述。

  利用串联谐振原理在回路中产生高电压,一般频率为30~300Hz。串联谐振中的直流高压发生器如下图表示：

  当电源频率(f)、电感(L)及被试设备电容(C)满足下式时回路处于串联谐振状态此时：f=1/2π√LC，回路中电流为I=Ulx/R,被试设备电压为Ucx=I/ωCx输出电压与励磁电压之比为试验回路的品质因数：Q=Ucx/Ulx=(ωL)/R，由于试验回路中电阻R很小，故试验回路品质因数很大。一般正常时可达50以上，既输出电压是励磁电压50倍，因此用较低容量的试验变压器就能得到较高的试验电压。这样就解决了在一般的交流耐压试验中试验变压器容量不能够满足试验要求的问题。而此时电容量与电感的关系为ωL=1/ωc，因为对某个试品而言，电容量是固有的，试验用可调电感的价格也非常昂贵，因此处理问题的途径就引到了改变电源频率回路的谐振频率，在初始电压下调节回路的频率，观察Uc的变化达最大值时，增加或减小频率时谐振电压都要下降，这时的频率为谐振频率，这时的电压为谐振点电压，增加励磁电压就能升高谐振电压，进而达到试验电压目的。另外，由于试验回路是处于谐振状态，回路本身就具有良好的滤波作用，电源波形中的谐波分量在设备两端大为减小，从而输出良好的正弦波形。当试品放电或击穿时，即回路中等值电容被短路，谐振条件被破坏，电压显而易见地下降，恢复电压上升缓慢，试品上不发生暂态过电压，且电源供给的短路电流受到电抗的限制而减少，从而限制被试设备的损坏程度。

  1、满足35kV，300mm2，800m交联电缆的交流耐压试验，试验频率30~300Hz，电容量≤0.155uF,最高试验电压不超过52kV。

  2、满足10kV，300mm2，2000m交联电缆的交流耐压试验，试验频率30~300Hz，电容量≤0.75uF,最高试验电压不超过22kV。

  3、满足10kV/35kV，20000kVA及以下的电力变压器交流耐压试验，试验频率45~65Hz，最高试验电压不超过28kV/68kV。

  4、满足10/35kV，GIS高压开关、互感器、母排、绝缘子等交流耐压试验，试验频率45~65Hz，最高试验电压不超过44/95kV。

  由电工知识得到：Uc=I/ωC,UL=I*ωL，UR=I*R，U=Uc+UL+UR，当LRC串联回路中的感抗与试品容抗相等时，电感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损耗。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压降大小相等，相位相反。由图1可知，当 ωL=1/ωc，回路的谐振频率f=1/2π√LC，也就是说，电路发生串联谐振，电源提供很小的励磁电压，试品上就能得到很高的电压,电源频率为谐振频率。

  交流耐压试验是鉴定电缆绝缘强度最有效和最直接的方法，是预防性试验的一项重要内容。由于电缆交流耐压试验电压一般比运行电压高，因此通过试验后，电缆有较大的安全裕度，因此交流耐压试验是保证高压电缆安全运作的一种重要手段。

  电缆直流耐压试验和交流耐压试验有什么不同点，两种电缆耐压试验的目的是什么？

  通过直流耐压试验能检查出电缆绝缘中的气泡、机械损伤等局部缺陷，通过直流泄漏电流测量可以反映绝缘老化、受潮等缺陷，从而判断绝缘状况的好坏。

  如果对交联聚乙烯电缆施加直流电压，那么直流试验过程中在交联聚乙烯电缆及其附件中会形成空间电荷，对绝缘，有积累效应，加速绝缘老化，缩短常规使用的寿命，同时，直流电压下绝缘电场分布与实际运行电压下不同。因此，直流试验合格的交联聚乙烯电缆，投入运行后，在正常工作电压作用下也会发生绝缘事故。通过施加交流试验电压，能够尽可能的防止以上不足，并能有效地鉴别正常绝缘的绝缘水平。

  电缆直流耐压试验一般都会采用直流高压发生器来做试验，而交流耐压试验则选用串联谐振耐压装置来做试验。两种试验方法的测试原理、接线方法、实验步骤都不相同，需要仔细地了解的客户，可以到致电三新，获得更多更详细的资料。

  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在现场不易取得。因此一般都采用串联谐振交流耐压试验交流耐压试验设备。其输入电源的容量能明显降低，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。

  因此现在大都采用调频式（30-300Hz）串联谐振试验设备，能够获得更高的品质数（Q值），并具有自动调谐、多重保护，以及低噪音、灵活的组合方式（单件重量大为下降）等优点。综合国内外有关技术资料，选择正真适合的试验频率范围是个较为重要的问题。在这方面，有一些不同的观点和提法。就目前的国内外的提法来看，我们总结可分成3类：第1类为较宽频率范围30-300Hz、20-300Hz、1-300Hz；第2类为工频范围，45-65Hz，45-55Hz；第3类为接近工频，35-75Hz。

  由于设备容量和体积等问题，目前国家尚无高压电力电缆敷设后在现场进行交流耐压试验的相应标准。CIGRI国际大电网工作会议21工作组的《高压挤包绝缘电缆完工验收试验建议导则》中对目前采用的直流耐压试验方法提出疑议，并推荐使用工频及近似工频(30～300Hz)的交流试验方法。

  IEC60840标准中在45～150kV敷设后电缆试验标准中除原直流试验标准外，增加了1.7U0 5min或1 U0 24h的交流试验标准。而在220kV等级中IEC 62067/CD草案中则取消了电缆敷设后试验中直流试验的标准，只有交流试验的要求，即20～300Hz1.4 U0 60min。

  南方电网公司2004年发布的企业标准之《电力设备预防性试验规程》内容中在XLPE电缆主绝缘耐压试验一项中规定了电缆的交流耐压试验标准，其试验频率推荐为20～300Hz，35kV及以下电缆试验电压为1.6倍的相电压，110kV电缆试验电压为1.36倍的相电压，220kV及以上电缆试验电压为1.12倍的相电压。

  三、直流耐压试验、超低频交流耐压试验、变频串联谐振耐压试验三种试验方法有什么区别?

  0.1Hz超低频交流耐压试验的优点是体积较小，重量较轻，需要的输入功率很小，适合现场型电缆耐压试验，油纸电缆和交联电缆均适用。

  变频串联谐振耐压试验的优点是频率有可能调节到等于50Hz，和电缆运行时的频率一致。

  缺点：直流耐压试验的缺点在于不适合交联电缆，会把本可以正常运行的交联电缆提前破坏。0.1Hz超低频交流耐压试验的缺点是制造技术不容易模仿，部分国产仪器性能不能达到国际品质衡量准则。变频串联谐振耐压试验的缺点是设备仍然很重（达到300公斤左右）；现场接线件部件相互连接；设备须要380V三相电源，要输入功率过大（5-15kVA）。