谐振电路品质因数 [发电机串联谐振耐压品质因数低原因分析]

来源:计划方案 发布时间:2019-05-11 05:58:33 点击:

  摘要:串联谐振耐压能够大大减小试验电源的容量,因而在高压耐压试验中被广泛运用,在一般情况下只需根据被试品的电容和串联电抗器计算出谐振频率和试验电流即可确定试验仪器是否能够满足要求,但在实践中发现电缆和变压器耐压中试验仪器都能顺利找到预料中的谐振点,但在发电机耐压时发现试验仪器不能发现预料中的谐振点,对此,文章对此现象进行了详细的分析
  关键词: 串联谐振,品质因数,介质损耗
  
  由于电气交接试验国家标准GB50150规定高压电缆要改直流耐压为交流耐压,而高压长电缆往往电容量比较大,如果单纯用工频交流耐压装置进行交流耐压,将会由于试验设备的容量的增大而使设备变的非常昂贵和笨重,这样的设备往往不经济也不适与现场试验。采用变频串联谐振耐压将会使试验设备的容量大大减小,从而使设备变的轻巧而便于在现场试验中使用。在样的背景下,各种串联谐振试验仪器目前正被广泛使用。我分局试验室在2007年购买了温州华特生产的一套变频串联谐振试验设备,变频范围为30-300HZ,励磁变压器容量4.5KVA输出可选750V 6A 、1500V 3A 、3000V 1.5A三档,配4个电抗器每个参数分别为感抗22H、 额定电压18KV、电流2.8A 、电阻72Ω。笔者曾多次使用这套设备进行电缆、变压器的谐振耐压试验,一般情况下根据试品电容和所配电抗器计算出谐振频率,设备能自动搜索到这一谐振频率点,计算值和自动搜索值相差无几,对一般的35KV以下电缆该设备均能满足耐压要求。
  既然变频串联谐振有诸多的优点,能不能把它也应用到发电机耐压上呢。以前曾经听同事提起前两年我们单位曾经购买过一台华特的类似串联谐振设备,但因为在发电机耐压时发现无法找到谐振点而退货了。现在这台设备是不是也存在同样问题呢,我一直在寻求一个机会来做这个尝试。正好今年4月份,我分局安装的浙江省青田滩坑水电站(3×200MW)首台机发电机进入下线后线棒分层耐压阶段,我们利用这套设备进行了一次尝试。试验接线原理如下图(图1)所示:
  
  其中电抗器采用4只22H 两并两串用于提高耐压等级和增大电流,所以电阻和电抗不变仍为R1=72Ω L=22H,Cx=0.4μF,根据这些参数可以计算出谐振频率为f=1/2π√LC=53.7Hz。滩坑机组发电机额定电压为13.8KV发电机上层线棒耐压等级为35.5KV电抗器两个串联后为36KV能满足要求,流过电抗器的电流I=2πfCU/2=3.14*53.7*0.4*10-6*35.5*103=2.39A也小于2.8A能满足要求。
  在实际试验中发现装置不能正确搜索到谐振点,手动搜索时发现谐振频率和计算的相差不远,但是谐振曲线很平坦,品质因数比电缆耐压时有很大的降低。当时测到的一组数据如下:手动谐振频率F=53.9 Hz,和计算值接近,试品发电机高压测量电压值Uc=10.0KV励磁变压器输出电压UL=750V 电流I=1.34A品质因数仅为Q=Uf/UL=13.3倍,而根据理想状态的等效电路(如下图2):
  
  忽略定子直流电阻,品质因数Q=ωL/R1=√L/C=53.7*6.28*22/72=103实际效果和计算值出入比较大。,根据使用这套设备进行电缆耐压试验时的经验,品质因数虽不能达到理想状态,但一般均能获得比较尖锐的谐振曲线,因而装置均能顺利自动搜索到谐振点。看来使用这套设备进行发电机耐压时上述等效电路模型并不适用,那么是什么原因造成了这现象呢,我们观察上述现象,谐振频率并没有发生很大变化,而电抗L也不会发生变化那么等效回路中电容C值也不会发生变化,只是好象回路中多串了一个电阻。这个电阻在实际电路中并不存在,但能根据实际的电路转换而来,如下图(图3)所示:
  
  在电路A中的CA和RA实际上代表了介质损耗的等效电路,tgδ=1/ωCR,A和B相互转换的公式推导如下:
  ZA=R1+jωL+RA*(-j/ωCA)/(RA-j/ωCA)=R1+RA/((RAωCA)2+1)+j(ωL-RA2ωCA/((RAωCA)2+1))
  上式中由于tgδ=1/ RAωCA《1比较小,因此(RAωCA)2+1≈(RAωCA)2上式可简化为:
  ZA= R1+1/( RAωCA*ωCA)+ j(ωL -1/ωCA)= R1+ tgδ/ωCA+ j(ωL -1/ωCA)
  而ZB= R1+RB+ j(ωL -1/ωCB)
  因此可以得出:RB= tgδ/ωCACB=CA,
  由此可以看出:当tgδ/ωCA足够大时,造成回路中电阻得增大从而减小了品质因数,根据有关资料可以查到,一般构成橡塑电缆主绝缘的聚乙烯和交联聚乙烯的介损值约为0.01~0.05%之间,而构成发电机主绝缘的沥青云母带在0.2~1%之间,而这种差异正是造成了两者在串联谐振耐压时品质因数不同的主要原因。
  根据本次试验中的电路参数制作出不考虑介损值和考虑介损值时的谐振频率曲线如下图(图4)所示:
  
  根据上图可明显看出理想的谐振曲线是非常尖锐的曲线选择性非常好,而考虑了介损的实际谐振频率曲线非常平坦,失去了选择性,因而导致装置无法自动搜索到谐振点。
  不过上述结论并不意味着我们不能利用这套变频串联谐振装置进行发电机耐压试验,我们还是可以利用这套装置对电容量较小的中小发电机进行整体耐压,虽然品质因数较低(从这次试验来看可以达到十几倍),但我们可以通过提高励磁变的输出电压(最高可到3KV)来达到所需要的试验电压。
  小结:在工程应用中为了方便分析我们经常忽略一些次要的因数而考虑主要的因数,由此得到的等效电路图,在一般情况下并不影响我们正确分析问题,但是在某种条件变化下我们忽略的次要因数已经发生变化而不能被忽略,而我们仍然使用原等效电路进行分析就会得出错误得结论。本文基于这一思路对发电机串联谐振耐压时品质因数低这一现象进行了分析,由于作者水平和现场条件所限,考虑的因数不一定全面,得出的结论不一定完全符合实际情况,希读者批评指正。

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