电压互感器试验原理DOC.docx

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第一篇串联谐振原理

本篇将和大家讨论串联谐振电源产生的原理，并分析串联谐振现象的一些特征，探索串联谐振现象的一些基本规律，以便在应用中能更自如的使用串联谐振电源产品和分析在试验过程中发生的一些现象。

一、串联谐振的产生：

谐振是由R、L、C元件组成的电路在一定条件下发生的一种特殊现象。

首先，我们来分析R、L、C串联电路发生谐振的条件和谐振时电路的特性。

图1所示R、L、C串联电路，在正弦电压U作用下，其复阻抗为：

式中电抗X＝Xl—Xc是角频率ω的函数，X随ω变化的情况如图2所示。

当ω从零开始向∞变化时，X从﹣∞向﹢∞变化，在ω＜ωo时、X＜0，电路为容性；在ω＞ωo时，X＞0，电路为感性；在ω＝ωo时

式1

图1图2

此时电路阻抗Z（ωo）＝R为纯电阻。

电压和电流同相，我们将电路此时的工作状态称为谐振。

由于这种谐振发生在R、L、C串联电路中，所以又称为串联谐振。

式1就是串联电路发生谐振的条件。

由此式可求得谐振角频率ωo如下：

谐振频率为

由此可知，串联电路的谐振频率是由电路自身参数L、C决定的．与外部条件无关，故又称电路的固有频率。

当电源频率一定时，可以调节电路参数L或C，使电路固有频率与电源频率一致而发生谐振；在电路参数一定时，可以改变电源频率使之与电路固有频率一致而发生谐振。

二、串联谐振的品质因数：

串联电路谐振时，其电抗X（ωo）＝0，所以电路的复阻抗

呈现为一个纯电阻，而且阻抗为最小值。

谐振时，虽然电抗X＝XL—Xc=0，但感抗与容抗均不为零，只是二者相等。

我们称谐振时的感抗或容抗为串联谐振电路的特性阻抗，

记为ρ，即

（因为

）

ρ的单位为欧姆，它是一个由电路参数L、C决定的量，与频率无关。

工程上常用特性阻抗与电阻的比值来表征谐振电路的性能，并称此比值为串联电路的品质因数，用Q表示，即

记住：

品质因数又称共振系数，有时简称为Q值。

它是由电路参数R、L、C共同决定的一个无量纲的量。

三、串联谐振时的电压关系

谐振时各元件的电压分别为

即谐振时电感电压和电容电压有效值相等，均为外施电压的Q倍，但电感电压超前外施电压900，电容电压落后外施电压900，总的电抗电压为0。

而电阻电压和外施电压相等且同相，外施电压全部加在电阻R上，电阻上的电压达到了最大值。

在电路Q值较高时，电感电压和电容电压的数值都将远大于外施电压的值，所以串联谐振又称电压谐振。

四、串联谐振时的能量关系：

现在分析谐振时的能量关系。

设谐振时电路电流为

则电容电压为

电路中的电磁场总能量为

由于谐振时有

即

所以

这表明，串联谐振时，电路中电场能量最大恒等于磁场能量的最大值、而电感和电容中储存的电磁能量总和是不随时间变化的常量，且等于电场或磁场能量的最大值。

图3的曲线反映了谐振时电、磁场能量的关系。

当电场能量增加某一数值时，磁场能量必减小同一数值，反之亦然。

这意味着在电容和电感之间，存在着电场能量和磁场能经相互转换的周期性振荡过程。

电磁场能量的交换只在电感和电容元件之间进行．和电路外部没有电磁能量的交换。

电源只向电阻提供能量，故电路呈纯阻性。

图3

因为

所以

这就是说，在外加电压一定时，电磁场总能量与Q2成正比，因此可用提高或降低Q值的办法来增强或削弱电路振荡程度。

由于

可知Q值的物理意义：

即Q等于谐振时电路中储存的电磁场总能量与电路消耗的平均功率之比乘以ωo，或Q等于谐振时电路中储存的电磁场总能量与电路在一个周期中所消耗的能量之比乘以2π。

电阻R越小，电路消耗的能量（或功率）越小，Q值越大，振荡越激烈。

五、串联谐振的谐振曲线

电路中的阻抗（导纳）是随频率的变化而变化的。

在输入信号的有效值保持不变情况下，电路的电压、电流的大小也会随频率的变化而变化。

阻抗（导纳）、电流或电压与频率之间的关系称为它们的频率特性。

在串联谐振电路中．描绘电流、电压与频率关系的曲线称谐振曲线。

先来看复阻抗的频率特性：

复阻抗Z的频率特性为

电路中电流为

即

Z（ω）特性曲线电流的谐振曲线电流的相频特性曲线

图4

从图4各曲线可以看出，在ω＝ωo处，X＝0，此时电路阻抗最小，为Z＝R；电流最大，为Io＝US/R，电流与电压同相位；电路处于谐振状态。

ω≠ωo时，Z＞R，I＜Io，Φ≠0，电路处于失谐状态。

ω偏离ωo越远，Z越大，I越小，Φ越大，失谐越严重。

其中，当ω＜ωo时，电路呈电容性，称为容性失谐；当ω＞ωo时，电路呈电感性，称为感性失谐。

从电流谐振曲线可以看出，在谐振频率及其附近，电路具有较大的电流，而当外施信号频率偏离谐振频率越远，电流就越小。

换言之，串联谐振电路具有选择最接近于谐振频率附近的信号同时抑制其它信号的能力，我们把电路所具有的这种性能称为电路的选择性。

初步的观察可以看出，选择性的好坏与电流谐振曲线在谐振频率附近的尖锐程度有关，曲线越尖锐、陡峭，选样性越好。

进一步的研究表明，电流谐振曲线的形状与电路品质因数Q值直接相关。

因为

以I／I。

为纵坐标，ω／ω。

叫为横坐标．Q为参变量，可以画出如图5所示的电流谐振曲线。

从图中可以清楚地看出．Q值越高，曲线越尖锐，当ω／ω。

稍偏离1（即ω稍偏离ω。

）时，I／I。

就急剧地下降，表明电路对非谐振频率的信号具有较强的抑制能力，电路的选择性就越好。

而Q值越低，在谐振频率附近，电流变化不大，曲线顶部越平缓。

选择性就越差。

由于Q值相同的任何R、L、C串联电路只有—条这样的曲线与之对应，故称这种曲线为通用谐振曲线。

图5通用谐振曲线

六、串联谐振的幅频特性

R、L、C串联谐振电路中，电路中各元件电压的幅频特性为

图6电压的谐振曲线

由电压的谐振曲线可以看出，试品上出现电压最高时并非系统处于完全谐振时，而是处于容性失谐状态，此时电抗器上承受的电压低于试品两端的电压，有利于设备的安全，因此,我们建议串联谐振电源系统工作在这种状态下。

第二篇串联谐振升压装置在电力系统中的应用

本篇将分析谐振产品在电力系统中应用的一些优点，并提供电力系统一些主要产品的谐振试验方法和要点，为谐振产品在电力系统中更好的应用提供一些技术思想和数据。

在最后，列举了两个常用的选型方案，一方面可以帮助大家分析怎么样对自己将要做试验的对象进行设备选型，另一方面可以帮助大家分析怎么样使用谐振试验方法有效的对自己将要做试验的对象进行试验。

一、串联谐振电源在电力系统应用中的优点：

1、所需电源容量大大减小。

串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品电容谐振产生高电压和大电流的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q。

2、设备的重量和体积大大减少。

串联谐振电源中，不但省去了笨重的大功率调压装置和普通的大功率工频试验变压器，而且，谐振激磁电源只需试验容量的1/Q，使得系统重量和体积大大减少，一般为普通试验装置的1/3-1/5。

3、改善输出电压的波形。

谐振电源是谐振式滤波电路，能改善输出电压的波形畸变，获得很好的正弦波形，有效的防止了谐波峰值对试品的误击穿。

4、防止大的短路电流烧伤故障点。

在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，电路立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q。

而并联谐振或者试验变压器方式做耐压试验时，击穿电流立即上升几十倍，两者相比，短路电流与击穿电流相差数百倍。

所以，串联谐振能有效的找到绝缘弱点，又不存在大的短路电流烧伤故障点的忧患。

5、不会出现任何恢复过电压。

试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭，且恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪落电压前断开电源，这种电压的恢复过程是一种能量积累的间歇振荡过程，其过程长，而且，不会出现任何恢复过电压。

二、谐振电源产品使用中的注意事项

1、谐振电源产品大多都是高压试验设备，要求由高压试验专业人员使用，使用前应仔细阅读使用说明书，并经反复操作训练。

2、操作人员应不少于2人。

使用时应严格遵守本单位有关高压试验的安全作业规程。

3、为了保证试验的安全正确，除必须熟悉本产品说明书外，还必须严格按国家有关标准和规程进行试验操作。

4、各联接线不能接错，特别是接地线不能接错。

否则可导致试验装置损坏。

5、本装置使用时，输出的是高电压或超高电压，必须可靠接地，注意操作安全距离。

6、串联谐振试验系统是利用谐振电抗器与被试品谐振产生高电压的，也就是说，能不能产生高电压主要是看试品与谐振电抗器是否谐振，所以，试验人员在分析现场不能够产生所需高电压时，应该分析什么破坏了谐振条件，回路是否接通等。

7、串联谐振试验系统的激磁变压器有特定的电压和电流要求，在选用代替品时，一定要考虑电压和电流，不能采用只是容量相同的普通的试验变压器。

三、不同工频谐振产品对比分析

谐振升压方法是目前对于电力系统大电容性试品比较适用的方法，分为工频试验和变频试验。

谐振升压方法有工频谐振升压法和变频谐振升压法，工频谐振主要用于发电机、CVT，变频谐振主要用于交联电缆。

工频谐振升压系统是在工频条件下使得电感和被试品电容谐振，产生的是工频高压，因此，它适合几乎所有的交流试验场合。

工频谐振升压系统一般采用调节电感的感抗的方式在激励源的作用下使得电抗器和被试品电容谐振，通常称为调感式；也可以采用在被试品两端并联电容器的方式改变被试系统的电容量使得在激励源的作用下与电抗器谐振，通常称为调频式，还可以同时改变电抗器的感抗和被试系统的电容量使得系统达到谐振状态，通常称为调感调容式。

调感式通常采用调节铁心电抗器的气隙的方式，可以连续平滑的调节感抗值，操作比较方便；而调容式不但需要笨重的电容，而且电容不能连续的调节，所以不太适合现场操作。

电力系统中，有的类型的试品的的电容量是几个固定的量，比如说CVT，它只有几个固定的电容值，有的试品是根据试品的容量和电压等级及其他特征而变化的，比如说发电机，变压器，电缆等。

1、调频调感谐振与工频谐振、变频谐振的比较

调感型

调容型

调感调容型

调谐原理

采用调整电抗器电感的方式使得电抗器感抗与被试容性试品容抗相匹配，达到谐振状态。

采用调整系统工作频率的方式使得电抗器感抗与被试容性试品容抗相匹配，达到谐振状态。

既可以采用调整电抗器电感的方式使得电抗器感抗与被试容性试品容抗相匹配，达到谐振状态，也可以采用调整系统工作频率的方式使得电抗器感抗与被试容性试品容抗相匹配，达到谐振状态，还可以同时采用上述两种方法。

调谐方法

一般采用调节铁心电抗的气隙。

分自动型和手动型：

自动型可以根据系统的功率因数自动的调整电抗器感抗，使得系统达到谐振；手动型则是先施加一定的电压给试品，记下电流值，然后施加相同电压给电抗器，调节电抗器气隙，使得电流值与前者相同。

一般采用调节激励源的频率。

分自动型和手动型：

自动型可以根据系统的功率因数自动的调整激励源频率，使得系统达到谐振；手动型则是手动的改变系统的频率，找出相同激励电压下系统输出高压最大值的激励频率，即为谐振频率。

一般采用调节铁心电抗的气隙和（或）调节激励源的频率的方法。

单独需要调频时，与调频型相同，只要是要用到调感时，先接好线，控制源可以自动的计算出试品的电容量，同时也自动的计算出在所需频率下需要的电抗器感抗值和需要调节的气隙值，断电后调整电抗器气隙到所需要的值即可。

输出电压频率

由激励电源决定。

其频率与激励电源的频率一致，激励电源的频率为固定频率，一般为工频，输出高压也为工频

由试品电容量决定。

激励电源的频率根据试品电容量的不同而变化，所以输出高压的频率也随之变化，同时，频率又得满足一定的范围，一般为30～300Hz

由操作人员决定。

当需要什么频率做试验时，就将激励源的频率调整到需要的频率，然后根据被试品的电容量调节电抗器的感抗，使系统谐振，产生高压。

适用场合

一般为需要做工频试验的场合。

例如发电机、主变压器等

一般为可以采用变频方式做试验的场合。

例如电缆、GIS等

电力系统所有容性试品。

既可以是需要做工频试验的场合，也可以是能采用变频方式做试验的场合

被试电容量范围

由电抗器的电抗值调节范围决定。

电抗器的电抗值有效调节范围一般为15倍，所以，被试品电容量的变化范围也一般为15倍。

由激励源的频率调节范围和当地规程决定。

被试品电容量的变化范围为频率允许调节范围平方倍。

单独采用调感或者调感方式时，与调感型或者调频型相同。

同时采用调频调感方式时，其被试品电容量的变化范围为电抗值调节范围和频率调节范围两者乘积。

输出波形

正弦波

波形畸变率<1%

正弦波

波形畸变率<1%

正弦波

波形畸变率<1%

250kVA/60kV容量的重量

1200kg

48kg/台六台

总重：

288kg

60kg/台五台

总重：

300kg

四、互感器谐振升压装置现场试验：

1、工作原理

工频试验系统以串联谐振电路原理工作。

谐振点是由把频率变换器的频率调整到串联谐振电路的固有频率而达到的。

回路谐振后，输出的电压波形为纯正弦波，系统的频率取决于回路的L-C参数。

其中被试互感器的电容量是固定的，因此系统的频率取决于工频试验系统电抗器电感的大小。

2、现场试验原理框图

上图中控制单元部分包括开关回路、频率转换器、微处理器、反馈电压测量系统、自动控制及馈出系统等，激磁变压器能将变频器输出的方波电压升高到试验水平，满足电抗器、负载和高压回路在一定品质因数下的电压要求，试验谐振电压具体值可由分压器实时读出，构成闭环反馈回路。

电压互感器工频谐振升压系统没有连接分压器，而是通过连接标准电压互感器构成闭环反馈回路，具体电压值由电压互感器校验仪电压升压百分比读出，具体互感器现场校验由规程宣讲老师介绍，在这里就不详加赘述、

3、工频谐振升压系统试验现场图