并联补偿电抗器在串联谐振耐压试验的应用

并联补偿电抗器在串联谐振耐压试验的应用

王殿忠

国网山西省电力公司太原供电公司变电检修室，山西省太原市 030000

摘要：随着经济和科技水平的快速发展，电力行业发展也十分快速。谐振耐压试验在大电容设备的耐压试验中应用十分广泛，如大型变压器、电力电缆等。随着城市内变电站布点困难日益突出，长距离电缆也在逐步增加，而在进行电缆的交接试验时，原有的串联谐振耐压设备常出现不能满足试验要求的尴尬局面：如频率不满足要求，电流超过电抗器和励磁变额定电流等；如人员不掌握对大电容被试品谐振耐压试验的接线方法，将出现即使更换多台设备依然无法开展试验的局面，会对线路的安全稳定运行造成较大的影响。本文提出一种新的接线方式，可利用部分原有设备或通过借用其他仪器电抗器来扩展试验范围，达到试验要求。

关键词：并联谐振；补偿电抗器；应用

引言

电力变压器是电力系统运行的重要设备，采用交流耐压的试验方法可以有效判别变压器主绝缘电气强度的水平，具体试验方法包括采用升压变加压和采用变频串联谐振的方法升压。通过对谐振耐压电路的分析，将串联谐振和并联谐振的特点相结合，提出一种新的串并联谐振耐压试验方法，简单改变接线即可达到扩大仪器可用范围的目的，降低了试验功率。可将该方法应用于长距离电缆以及主变等耐压试验。

1带并联补偿电抗器的串联谐振接线法

1.1采用常规试验变压器法进行交流耐压试验

该电力局现有最大试验变压器额定容量2kVA，额定电压60kV，额定电流0.033A，若用常规试验变压器法进行交流耐压试验，试验数据如表3所示。由表3可知，采用传统升压方式高压绕组试验电压和电流不满足要求、低压绕组和平衡绕组试验电流不满足要求，因此不能用现有的常规升压方式进行耐压试验。

1.2变频交流串联谐振装置试验参数

（1）变频电源（HDSR-F，主机1台）：输入电压：380V，三相，50Hz；输出电压：0～450V；输出容量：20.0kVA；频率调节范围：30～300Hz。（2）励磁变（F-LB10B，1台）：输入电压：0～450V；输出电压：0～2.5×4kV；额定容量：10.0kVA。（3）试验电抗器（F-DK27/27.5，5只）：额定电压：27kV，45～300Hz；额定电流：1.0A；额定负载：131nF；额定电感量：95.5H。（4）分压器（F-CF250，1只）：额定电压：300kVAC；有效精度：1.0级；额定电容：0.5nF。（5）补偿电容（HDSR-f-Z140IV，1个）：额定电压：140kV；额定电容量：3.2nF。（6）高压引线、放电杆及附件：1套。（7）5000V高压绝缘电阻仪：1只。（8）绝缘垫：1只。

1.3优化模型的求解

耐压试验设备参数优化模型的求解采用目标规划的序贯式算法，具体步骤如下：1)编写函数品质因数Q，谐振频率f，电抗器电流IL，励磁变压器电流Ib，励磁变压器电压Ub。2)将式(8)的约束条件按优先级排序，如式(8)从上到下的逐级满足约束，将多目标规划问题分解为一系列单目标规划问题。3)变量为串联电抗器数量n1，并联电抗器数量n2，在约束条件下求得使用电抗器最少的组合方案。输入有：变压器数量，内阻，高压侧最大输出电压与电流；电抗器总数以及其额定电压，额定电流，电感和内阻值；试验电压；试品电缆等值电容等。输出有：串并联电抗器数量n1和n2，品质因数，谐振频率，变压器输出电压，变压器高压侧电流，电抗器电流等。

2系统有效性验证

根据以上参数建立仿真模型，进行系统有效性验证，以SIMULINK为开发工具，根据上述的相应参数选择方案构建模，在嵌入式系统中执行MATLAB算法。输入交流电压（要求电压的频率随时间增加而增加），得到不同输入频率时的输出电压有效值的波形图，波形图显示随着输入电压的频率不断增加，试验品（仿真系统中为试验电容）上电压会逐步发生变化，当谐振电路处于谐振状态时，试验品上加载的电压达到最大值。需要注意的是，波形图中在频率升高过程中，输出电压会出现多个极值点，如果以极值点选择谐振频率虽然能节省时间，但可能误判谐振频率的大小，而应根据波形图中电压最大值判定谐振频率的大小，以确保所选定的频率最接近谐振点。根据波形图，最大输出电压值对应的频率为20.50Hz。通过多次测试发现这一频率要略高于谐振频率，探究其根源，是因为存在系统误差，即设定的频率改变时间小于0.5秒，而谐振电路稳定时间大于1.0秒。为减小系统误差，可延长频率变化时间，只是延长频率变化时间会直接造成测试时间增加。

3试验范围比较

同样，以现场测试中谐振耐压仪为例，频率下限为30Hz，试验电压为17.4kV，配置5节60H电抗器，励磁变的额定电流为6A，分别计算两种不同方式下最大被试品电容量。使用带并联补偿电抗器接线时，最多可使用5节电抗器并联，即L=12H，将参数代入式（2），C=2.34µF。可见，改变接线方式将5节电抗器均用上，扩大了被试品范围，甚至可以借用其他谐振耐压仪电抗器来持续增加并联补偿电抗器，以达到扩展试验范围的目的。因此根据实际工程要求，文中通过对品质因数进行约束，获得一个品质因数区间，再从中优选出最少的电抗器组合方案，得到的3+3和2+1组合，既满足了工程上品质因数的要求，又使得采用电抗器数量最少，兼具了经济效果和试验效果，是最佳的方案选择。

结论

采用变频串联谐振耐压试验技术有以下优点：（1）解决常规试验变压器升压耐压方式不能完成试验的问题。（2）对于大容量的被试变压器，所需电源容量大大减小，试验设备的重量和体积大幅减小，便于现场操作。（3）可以有效改善输出电压的波形，并具有防止大短路电流烧伤故障点和不出现任何恢复过电压等显著优点。本文提供了一种针对大电容量被试品谐振耐压试验（除并联励磁变之外）新的谐振耐压试验方法。当使用带并联补偿电抗器的接线方法在对大电容量被试品进行谐振耐压试验时，计算方法与普通的串联谐振计算方法一样，在普通串联谐振接线方式已经无法继续降低回路电抗值的情况下，仅需改变电抗器的接线方式，即可通过投入更多的电抗器来获得更大的试验范围，与并联励磁变方案所需的电抗器数量一致，无需增加励磁变；在与普通串联谐振接法电抗器数量相同的情况下，流过主回路的电流更低，所需电源的功率更小，更适合以小型发电机作为电源进行的户外试验工作。从理论上讲，可以通过无限个电抗器来完成无限大电容的被试品谐振耐压试验，但受电抗器和励磁变等本身电阻影响，品质因数会出现下降，被试品最大电容值也会存在一定差异，需要实测进行确定。

参考文献：

[1]何波,付旭平,施佩峮,等.串联谐振试验系统在电缆耐压试验中的应用[J].电线电缆,2002(1):37-39.

[2]沈立刚.调频串联谐振设备在XLPE电缆线路试验中的应用[J].电线电缆,2007(1):35-37.

[3]唐求,王耀南,郭斯羽.电力系统谐波及其检测方法研究[J].电子测量与仪器学报,2009,23(5):29-33.

[4]张仁豫，陈昌渔，王昌长.高电压试验技术[M].2版.北京：清华大学出版社，2003.

[5]张占，陈家强，娄东升，等.浅评电力变压器的预防性试验[J].电气试验，2009（1）：14-17.

[6]林梅芬，许晶.变频串联谐振在大中型变压器交流耐压试验中的应用[J].电气时代，2009（12）：74-76.