工频串联谐振在发电机定子耐压试验中的应用
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摘要 本文首先对谐振的基本原理进行了简单的分析，同时对基于谐振技术诞生的各种类型的串联谐振电源进行了介绍；并着重对水轮发电机定子整体耐压所采用的工频串联谐振试验设备、试验方法及试验中的注意事项等方面进行了阐述。
中图分类号TM312 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）77-0192-03
0 引言
谐振是正弦交流电回路中的一种特殊情况。在电力系统中，谐振的产生会造成过电压、过电流现象的出现，影响电力系统的安全稳定运行。但是，在工程技术中，谐振技术也得到了很多正面应用；其中，在大型发电机定子交流耐压试验设备方面，串联谐振耐压设备，因其具备的显著优点，已逐步取代了常规耐压设备，得到了广泛的应用。
1 串联谐振的基本原理
1.1 串联谐振的电路模型（如图1所示）
在正弦交流电压下，电路的复合阻抗值为：
从上面公式可知，当XL与Xc相等时，电路中的复合电抗X为零，电路中的复合阻抗Z=R为纯电阻，电流和电压的相位相同，这种状态即称为串联谐振。
谐振产生的条件为XL=Xc，即，由此得出谐振时的电路频率。
1.2 发生串联谐振时，电路中呈现出的特性
1）电路中复合阻抗最小，呈纯电阻性，阻值的大小等于电路中导体的铜耗电阻R；2）I=U/R，因此发生谐振时，回路中的电流最大，并与电压同相位；3）L和C两端的电压大小相等、相位相反，并且在L和C的两端出现过电压现象，过电压数值等于输入电压的Q倍。Q又称为谐振电路的品质因数，简称Q值。
1.3 谐振电路的品质因数Q（谐振电路补偿效率）
串联谐振下，电源提供功率因数COSΦ=1的激励功率Pi=UiI克服电路中等效有功损耗I2R，激发并维持稳定的谐振。因此，串联谐振又称为电压补偿或低电压激励的谐振。
由以上公式可得出，在完全谐振的情况下，电抗L和电容C通过的纯无功功率相等、相位相反，且等于电源功率的Q倍；电源的输入功率Pi，仅提供电路的等效电阻R的纯有功率，不需要提供额外的功率。
2 串联谐振试验设备
2.1 串联谐振试验设备应用背景
目前，电力系统中对于许多电力设备在投运前、检修后，要求进行交流耐压试验（如XPLE交联电缆、GIS、发电机定子等），以保证设备后期的安全可靠运行。因科技进步及制造业的发展，电力设备的容量逐步增大，同时这些设备往往具有很高的对地电容。因此，在进行交流耐压试验时，通过被试品的电容电流很大（如三峡电站水轮发电机定子的单相对地电容电流达到36A）。在这种情况下，如采用常规的工频交流耐压设备，所需试验设备（调压器、升压器）和电源的容量高达数千千伏安。试验设备非常笨重，同时在现场很难具备如此大容量的试验所需输入电源。
根据谐振理论制造的串联谐振耐压设备，因其所需容量仅为试品容量的1/Q倍（在完全谐振的情况下，试验设备承担的容量仅为电路的有功分量，为被试品容量的1/Q倍），有效的减小了试验设备的容量和对试验电源容量的需求。
2.2 串联谐振试验设备分类
根据试品性质不同，串联谐振耐压设备也可分为不同类型，具体如下：
1）对于XLPE交联高压电缆、GIS的交流耐压，IEC标准规定可采用非工频耐压，频率范围可选择在20Hz～300Hz，国内也有相关的试验标准，一般频率范围为30Hz～300Hz之间。因此，对于这些设备的交流耐压试验，可采用变频串联谐振试验设备。变频串联谐振试验设备一般由以下几个主要部分组成：变频电源（用以产生试验所需的非工频电源），激励变压器，电抗器（分为固定式和可调式），电容分压器（用来测试试验电压）。根据调谐的方式，又可分为调频、调感以及调频调感型。
2）对于发电机定子的交流耐压，因发电机定子线棒的绝缘介质较为薄弱，进行交流耐压时如采用过高的频率，极易因高频造成的极化、发热损坏线棒的绝缘；如采用低频进行试验，则不能真实的反映定子的正常工作状态，得不到好的试验效果。故此，对于发电机定子的耐压试验，一般采用工频进行。国内相关标准对于工频的定义，一般为45Hz～55Hz。工频串联谐振耐压设备的调谐方式，理论上分为调感和调容两种。调感式通常采用调节电抗器铁心气隙的方式，可以连续平滑的调节感抗值，操作比较方便；调容式不仅需要笨重的电容，并且电容不能连续的调节，所以不太适合现场操作。因此，一般都采用调节电感的方式进行调谐，故又称为工频串联调感谐振。
3）在实际应用中，变频谐振和工频谐振的主要区别有以下几点：
（1）在电抗器的选择上，变频谐振的采用的电抗器，一般为固定式，并分为多节；试验时根据不同电抗器的串、并联达到要求的电感值；或可采用固定式电抗器和可调电抗器结合的方式；但可调电抗器一般只能在试验前进行手动调节，试验过程中不变。因此，对于变频串联谐振，试验前电抗器的调整、匹配工作较为繁琐。而工频谐振的电抗器，是连续可调型，并且通常用电机进行电动操作，操作非常简便。
（2）根据谐振产生的条件，及品质因数。工频串联谐振，因频率f不能调节，试品电容值C为定值，因此，只能通过调节电抗器来调谐，因此工频串联谐振的Q值一般情况下相对较低。与之相比，变频串联谐振，可通过调节频率和电感两种方式来进行调谐，因此，可获得较高的Q值；体现在试验设备上，变频串联试验设备在设计上，可充分考虑变频电源容量、电抗器的数量、电感值等各项参数，使设备在满足试品容量需要的情况下，达到最高的Q值。使试验设备的容量、体积等做到更小。
3 串联谐振试验设备的优点
综上所述，串联谐振试验设备，具有以下特点和优点：
1）输入电源和试验设备的功率仅为被试品所需容量的1/Q；试验设备体积小、重量轻，输出容量大，而所需配置的电源容量小；2）串联谐振实际是个电流滤波回路，使通过被试品的电流基本是基波电流，输出电压的波形畸变率（THD）极小，优于常规交流耐压设备；3）试品闪络或击穿后的短路电流为短路前试验电流的1/Q，可有效防止击穿后扩大对故障点的损伤；4）闪络后立即自动熄弧，熄弧后恢复谐振状态电压建立的过程较长（数秒）是一个稳态的建立过程，无电压过冲之虑，更无毫秒级、微秒级瞬态过程恢复过电压的危险。
4 水轮发电机定子耐压试验
4.1 试验标准
大型水轮发电机定子，因体积、重量较大，因此一般采用在工地装配的方式。装配完毕后的定子按照国家标准，需进行交流耐压试验。试验的标准，通常参照现行的国家标准GB/T 8564-2003《水轮发电机组安装技术规范》。标准中规定的交流耐压试验电压2U0+3kV（U0为发电机定子额定电压），耐压时间1分钟。
4.2 串联谐振耐压设备的选择
1）定子绕组单相对地电容：定子交流耐压需分相进行，从而检测定子绕组相间及对地绝缘；因此，定子绕组单相对地电容是决定试验设备容量的选择的一个关键参数。
2）串联谐振试验原理接线图如下图2所示：
图2 串联谐振试验原理接线图
图中：T为电动调压器，B为激励变压器，L为可调电抗器；Cx为定子绕组单相对地电容。
3）试验设备选型
工频串联谐振耐压设备由以下几项主要部件：电动调压器，激励变压器，电动可调电抗器，电容分压器以及控制台组成。下面以定子单相对地电容0.3μF～1.0μF，额定工作电压10.5kV为例；来说明如何进行试验设备的选型。
（1）试验电压为。
（2）根据谐振条件，所需可调电抗器的电感值为。经计算得出可调电抗器电感值范围为11.4H～33.8H。当然，在设备容量设计时，需考虑一定的裕度，在此不作特别说明。
（3）试验时被试品（定子绕组）上通过的对地电容电流。
（4）可调电抗器的容量。
（5）品质因数Q值按10考虑，因此电动调压器和激励变压器的容量选择为260kVA/Q=26kVA。考虑一定裕度，选定容量为30kVA。激励变压器的输出电压为24kV/10=2.4kV。
试验设备主要部件参数统计见下表1
4.3 试验方法
1）按照设备接线原理图连接好试验设备之间的连线，接入380V三相交流电源，连接好电抗器和定子绕组之间的连线；2）设定过电压、过电流保护定值：过电压定值一般按1.1倍试验电压设定（24×1.1=26.4kV）。过电流保护定值为试验电流的1.1倍，但是考虑到试验过程中试验电流的计算误差、以及可能出现的电压波动，所以一般在实际操作时，可把过电流定值稍微调大一些，避免正常试验过程中出现过电流保护动作，造成试验终止，增加试验的次数，从而对定子绕组造成不必要的损伤；3）试验电流的确认：升压试验前，一般可使用电容电桥测定定子绕组的单相对地电容大小（有的发电机厂家提供定子绕组单相对地电容值），并以此作为计算试验设备容量和设定过电流保护定值的依据；4）合上控制电源开关，检查各表计指示是否正常，操作电动调压器和电抗器的驱动电动机，进行升降、增减操作，检查设备运转是否正常；5）控制功能检查完毕后，点击“合闸”按钮，合上主回路电源开关。操作电动调压器进行升压，升压到电抗器上获得几百伏电压后停止；再操作电抗器，改变气隙来调谐使输出电压达到最高，此时控制台功率因数表显示接近于1.0（一般情况下可略低于1，回路略微呈现容性），至此，调谐过程结束；6）操作电动调压器继续升压，升压过程应尽量匀速进行，升压过程持续时间以10s～15s为最佳（防止在高电压情况下停留时间过长，造成定子线棒绝缘损伤）。升至额定试验电压后，控制台中的自动计时器（预先设定为60s）自动启动开始计时，60s结束后自动计时器动作，自动操作电动调压器动作，逐步降压至最低。然后操作“分闸”按钮，断开主回路开关。至此，耐压试验结束。
4.4 耐压试验中的注意事项
1）耐压试验属高电压试验，试验电压通常在几万伏，因此为了保证试验过程中人身和设备安全，试验前首先必须做好可靠的设备接地；通常，需从2个以上的可靠接地点与设备的进行可靠连接；2）试验过程中，有关人员需加强对被试品的监护，一旦发现电晕、放电等不正常的现象，因立即中止试验，迅速操作调压器降压。待检查完成、缺陷处理完毕后方可再次升压；3）耐压设备中的功率因数表，具有脱谐闭锁功能，通常设定为0.95～1.05，升压过程中，需密切注意观察功率因数表的指示，如发现指针偏离，应及时在升压的同时，对电抗器进行微调。保证功率因数维持在设定范围，避免脱谐造成试验失败；4）试验前后分别测试进行极化指数测试，并进行比较，以检查耐压试验是否造成绝缘损伤；5）为正确的测量被试品上的试验电压，电容分压器因接至被试品端部；6）试验结束后，应对被试品充分放电。
5 结论
串联谐振耐压设备的采用，极大的降低了发电机定子耐压试验的难度，体现出了极大的优越性。如何善用各种理论，使之为生产服务，将是各个领域永恒的研究课题。
参考文献
[1]朱光华，朱玮玮.RLC串联谐振电路的实验研究[J].现代电子技术，2010（21）.
[2]要焕年.大型发电机串联谐振工频耐压试验[J].中国电力，1980（10）.