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            便攜式交流串聯(lián)諧振交流耐壓裝置電氣原理

            來源:武漢華頂電力測試設(shè)備有限責任公司   2021年02月25日 16:49  

            本篇將和大家討論串聯(lián)諧振的原理,并分析串聯(lián)諧振現(xiàn)象的一些特征,探索串聯(lián)諧振現(xiàn)象的一些基本規(guī)律,以便在應(yīng)用中能更自如的使用串聯(lián)諧振和分析在試驗過程中發(fā)生的一些現(xiàn)象。

            一、串聯(lián)諧振的產(chǎn)生

            諧振是由R、L、C元件組成的電路在一定條件下發(fā)生的一種特殊現(xiàn)象。首先,我們來分析R、L、C串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件和諧振時電路的特性。圖1所示R、L、C串聯(lián)電路,在正弦電壓U作用下,其復(fù)阻抗:

            Z=R+jωL-1ωC=R+jXL-XC=R+jX  

             

             

            Χ(ω0)=ω0L-1ω0C=0  (式1

            式中電抗X=XL—Xc是角頻率ω的函數(shù),X隨ω變化的情況如圖2所示。當ω從零開始向∞變化時,X從﹣∞向﹢∞變化,在ω<ω0時、X<0,電路為容性;在ω>ω0時,X>0,電路為感性;在ω=ω0

            圖1                                          圖2

            此時電路阻抗Z(ω0)=R為純電阻。電壓和電流同相,我們將電路此時的工作狀態(tài)稱為諧振。由于這種諧振發(fā)生在R、L、C串聯(lián)電路中,所以又稱為串聯(lián)諧振。式1就是串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件。由此式可求得諧振角頻率ω0如下:

                            ω0=1LC

            諧振頻率為

                            f0=1LC

            由此可知,串聯(lián)電路的諧振頻率是由電路自身參數(shù)L、C決定的.與外部條件無關(guān),故又稱電路的固有頻率。當電源頻率一定時,可以調(diào)節(jié)電路參數(shù)L或C,使電路固有頻率與電源頻率一致而發(fā)生諧振;在電路參數(shù)一定時,可以改變電源頻率使之與電路固有頻率一致而發(fā)生諧振。

             

            變配電站變頻串聯(lián)諧振試驗裝置主要由變頻控制電源、激勵變壓器、電抗器、電容分壓器組成。其中變頻控制電源采用進口變頻器,輸出穩(wěn)定,具有各種過流過壓欠壓等保護,頻率分辨率為0.001HZ,在30~300Hz時頻率細度可達0.01Hz,確保在整個頻率區(qū)間內(nèi)輸出波形良好.
            二.產(chǎn)品參數(shù)

            電壓波形正弦波,波形畸變率<1.0%
            輸出頻率30~300Hz
            工作制滿功率輸出下,連續(xù)工作時間60min
            品質(zhì)因數(shù)>30
            輸入工作電源單相380/220V±10%,50Hz
            環(huán)境溫度-10℃~+50℃
            相對濕度<95%,無凝露狀況
            適用范圍電纜變頻諧振裝置
            發(fā)電機交流耐壓裝置
            變電站電氣設(shè)備交流耐壓諧振裝置
            CVT檢驗用諧振升壓裝置
            額定輸出電壓0~1000kV及其以下
            輸出頻率30~300Hz
            諧振電壓波形純正弦波,波形畸變率≤1.0%
            工作時間滿功率連續(xù)工作時間60min
            品質(zhì)因數(shù)30~90
            頻率調(diào)節(jié)靈敏度0.1Hz
            不穩(wěn)定度<0.05%

                 8.工作電源: 380/220V±15%/50Hz±5%  

            圖1                                          圖2

            此時電路阻抗Z(ω0)=R為純電阻。電壓和電流同相,我們將電路此時的工作狀態(tài)稱為諧振。由于這種諧振發(fā)生在R、L、C串聯(lián)電路中,所以又稱為串聯(lián)諧振。式1就是串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件。由此式可求得諧振角頻率ω0如下:

                            ω0=1LC

            諧振頻率為

                            f0=1LC

            由此可知,串聯(lián)電路的諧振頻率是由電路自身參數(shù)L、C決定的.與外部條件無關(guān),故又稱電路的固有頻率。當電源頻率一定時,可以調(diào)節(jié)電路參數(shù)L或C,使電路固有頻率與電源頻率一致而發(fā)生諧振;在電路參數(shù)一定時,可以改變電源頻率使之與電路固有頻率一致而發(fā)生諧振。

             

            二、串聯(lián)諧振的品質(zhì)因數(shù)

            串聯(lián)電路諧振時,其電抗X(ω0)=0,所以電路的復(fù)阻抗

            0=R  

            呈現(xiàn)為一個純電阻,而且阻抗為小值。諧振時,雖然電抗X=XL—Xc=0,但感抗與容抗均不為零,只是二者相等。我們稱諧振時的感抗或容抗為串聯(lián)諧振電路的特性阻抗,記為ρ,即

            ρ=ω0L=1ω0C=1LC?L=LC  

            ρ的單位為歐姆,它是一個由電路參數(shù)L、C決定的量,與頻率無關(guān)。

                工程上常用特性阻抗與電阻的比值來表征諧振電路的性能,并稱此比值為串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù),用Q表示,即

            Q=ρR=ω0LR=1ω0CR=1RLC  

            品質(zhì)因數(shù)又稱共振系數(shù),有時簡稱為Q值。它是由電路參數(shù)R、L、C共同決定的一個無量綱的量。

            三、串聯(lián)諧振時的電壓關(guān)系

            諧振時各元件的電壓分別為

            URO=RIO=US  

            ULO=jω0LIO=jω0LUsR=jQUs  

            UCO=j1ω0CIo=-j1ω0CUSR=-jQUS  

            即諧振時電感電壓和電容電壓有效值相等,均為外施電壓的Q倍,但電感電壓超前外施電壓90°,電容電壓滯后外施電壓90°,總的電抗電壓為0。在電路Q值較高時,電感電壓和電容電壓的數(shù)值都將遠大于外施電壓的值,所以串聯(lián)諧振又稱電壓諧振。

            常見的試品如變壓器、GIS系統(tǒng)、SF6斷路器、電流互感器、電力電纜、套管等均為容性,系統(tǒng)配備的電抗器為感性,試驗時先通過調(diào)節(jié)變頻電源的輸出頻率使回路發(fā)生串聯(lián)諧振,再在回路諧振的條件下調(diào)節(jié)變頻電源輸出電壓使試品電壓達到試驗值。由于回路的諧振,變頻電源較小的輸出電壓就可在試品上產(chǎn)生較高的試驗電壓。

            在實際現(xiàn)場應(yīng)用中試品上的高壓電壓和低壓電壓遵循以下公式:

            U試 = QU

            其中:U為高壓諧振試驗電壓,Q為系統(tǒng)串聯(lián)諧振的品質(zhì)因數(shù),      U為激勵變壓器輸出電壓。

             例如:假設(shè)系統(tǒng)串聯(lián)諧振的品質(zhì)因數(shù)Q為30,激勵變壓器選擇16kV的抽頭,激勵變壓器額定輸入電壓為400V,如果激勵變壓器輸入電壓為100V時,高壓電壓計算步驟如下:

            ①計算激勵變壓器變比

            激勵變壓器變比N=激勵變壓器所選抽頭電壓/輸入額定電壓

            即:N=16kV/400V=16000/400=40

            ②計算激勵變壓器輸出電壓

            激勵變壓器輸出電壓=激勵變壓器輸入電壓*激勵變壓器變比

            即:U=100V*40=4kV

            ③計算高壓諧振試驗電壓

            高壓諧振試驗電壓=激勵變壓器輸出電壓*系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)

            即:U=4kV*30=120kV

            故系統(tǒng)終的高壓諧振試驗電壓為120kV

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