電壓互感器試驗(yàn)原理

第一篇串聯(lián)諧振原理本篇將和大家討論串聯(lián)諧振電源產(chǎn)生的原理，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)諧振電源產(chǎn)品和分析在試驗(yàn)過(guò)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(lái)分析R、L、C串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件和諧振時(shí)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)阻抗為：z=尺十一舟)=尺+J(XL—xc)=R計(jì)jX式中電抗X=XI—Xc是角頻率3的函數(shù)，X隨3變化的情況如圖2所示。當(dāng)3從零開(kāi)始向8變化時(shí)，X從-8向+8變化，在3<3o時(shí)、XVO,電路為容性;在3>30時(shí)，X>0,電路為感性；在3=30時(shí)圖1 圖2此時(shí)電路阻抗Z(3o)=R為純電阻。電壓和電流同相，我們將電路此時(shí)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30如下:

諧振頻率為2?r/IC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(wú)關(guān)，故又稱電路的固有頻率。當(dāng)電源頻率一定時(shí)，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(shí)，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(shí)，其電抗X(3o)=0,所以電路的復(fù)阻抗Z(wti)=R呈現(xiàn)為一個(gè)純電阻，而且阻抗為最小值。諧振時(shí)，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(shí)的感抗或容抗為串聯(lián)諧振電路的特性阻抗，)記為p,即)(因?yàn)镻的單位為歐姆，它是一個(gè)由電路參數(shù)L、C決定的量，與頻率無(wú)關(guān)。工程上常用特性阻抗與電阻的比值來(lái)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，即記?。河涀。浩焚|(zhì)因數(shù)又稱共振系數(shù)，有時(shí)簡(jiǎn)稱為Q值。它是由電路參數(shù)R、L、C共同決定的一個(gè)無(wú)量綱的量。三、串聯(lián)諧振時(shí)的電壓關(guān)系諧振時(shí)各元件的電壓分別為5=—j忐人=—j層乍=_理4即諧振時(shí)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900，電容電壓落后外施電壓900，總的電抗電壓為0。而電阻電壓和外施電壓相等且同相，外施電壓全部加在電阻R上，電阻上的電壓達(dá)到了最大值。在電路Q值較高時(shí)，電感電壓和電容電壓的數(shù)值都將遠(yuǎn)大于外施電壓的值,所以串聯(lián)諧振又稱電壓諧振。四、串聯(lián)諧振時(shí)的能量關(guān)系：現(xiàn)在分析諧振時(shí)的能量關(guān)系。設(shè)諧振時(shí)電路電流為mCOS*J0Z則電容電壓為電路中的電磁場(chǎng)總能量為7jJ=wc+w;,= —-^-CL7'nisinz<w(jf+Ll^cas2^!由于諧振時(shí)有所以W**'(X%產(chǎn)+A/n這表明，串聯(lián)諧振時(shí)，電路中電場(chǎng)能量最大恒等于磁場(chǎng)能量的最大值、而電感和電容中儲(chǔ)存的電磁能量總和是不隨時(shí)間變化的常量，且等于電場(chǎng)或磁場(chǎng)能量的最大值。圖3的曲線反映了諧振時(shí)電、磁場(chǎng)能量的關(guān)系。當(dāng)電場(chǎng)能量增加某一數(shù)值時(shí)，磁場(chǎng)能量必減小同一數(shù)值，反之亦然。這意味著在電容和電感之間，

存在著電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能經(jīng)相互轉(zhuǎn)換的周期性振蕩過(guò)程。電磁場(chǎng)能量的交換只在電感和電容元件之間進(jìn)行．和電路外部沒(méi)有電磁能量的交換。電源只向電阻提供能量，故電路呈純阻性。圖3因?yàn)樗赃@就是說(shuō)，在外加電壓一定時(shí)，電磁場(chǎng)總能量與Q2成正比，因此可用提高或降低Q值的辦法來(lái)增強(qiáng)或削弱電路振蕩程度。由于可知Q值的物理意義：即Q等于諧振時(shí)電路中儲(chǔ)存的電磁場(chǎng)總能量與電路消耗的平均功率之比乘以3o,或Q等于諧振時(shí)電路中儲(chǔ)存的電磁場(chǎng)總能量與電路在一個(gè)周期中所消耗的能量之比乘以2n。電阻R越小，電路消耗的能量（或功率）越小，Q值越大，振蕩越激烈。五、串聯(lián)諧振的諧振曲線電路中的阻抗（導(dǎo)納）是隨頻率的變化而變化的。在輸入信號(hào)的有效值保持不變情況下，電路的電壓、電流的大小也會(huì)隨頻率的變化而變化。阻抗（導(dǎo)納）、電流或電壓與頻率之間的關(guān)系稱為它們的頻率特性。在串聯(lián)諧振電路中．描繪電流、電壓與頻率關(guān)系的曲線稱諧振曲線。先來(lái)看復(fù)阻抗的頻率特性：Z=R~tjWL—^0=2?十j（XL一Xc）=R+jX復(fù)阻抗Z的頻率特性為電路中電流為i=E=久—"R+W—舟》即

Z（3）特性曲線電流的諧振曲線Z（3）特性曲線電流的諧振曲線圖4（0電流的相頻特性曲線從圖4各曲線可以看出，在3=3o處，X=0,此時(shí)電路阻抗最小，為Z=R；電流最大，為lo=UJR,電流與電壓同相位；電路處于諧振狀態(tài)。3工3o時(shí)，Z>R,iVlo,eHO,電路處于失諧狀態(tài)。3偏離3o越遠(yuǎn)，Z越大，I越小，e越大，失諧越嚴(yán)重。其中，當(dāng)3<3o時(shí)，電路呈電容性，稱為容性失諧；當(dāng)3>3o時(shí)，電路呈電感性，稱為感性失諧。從電流諧振曲線可以看出，在諧振頻率及其附近，電路具有較大的電流，而當(dāng)外施信號(hào)頻率偏離諧振頻率越遠(yuǎn)，電流就越小。換言之，串聯(lián)諧振電路具有選擇最接近于諧振頻率附近的信號(hào)同時(shí)抑制其它信號(hào)的能力，我們把電路所具有的這種性能稱為電路的選擇性。初步的觀察可以看出，選擇性的好壞與電流諧振曲線在諧振頻率附近的尖銳程度有關(guān)，曲線越尖銳、陡峭，選樣性越好。進(jìn)一步的研究表明，電流諧振曲線的形狀與電路品質(zhì)因數(shù)Q值直接相關(guān)。因?yàn)橐?/1。為縱坐標(biāo)，3/3。叫為橫坐標(biāo).Q為參變量，可以畫(huà)出如圖5所示的電流諧振曲線。從圖中可以清楚地看出.Q值越高，曲線越尖銳，當(dāng)3/

3。稍偏離1（即3稍偏離3。）時(shí)，1/1。就急劇地下降，表明電路對(duì)非諧振頻率的信號(hào)具有較強(qiáng)的抑制能力，電路的選擇性就越好。而Q值越低，在諧振頻率附近，電流變化不大，曲線頂部越平緩。選擇性就越差。由于Q值相同的任何R、L、C串聯(lián)電路只有一條這樣的曲線與之對(duì)應(yīng)，故稱這種曲線為通用諧振曲線。圖5通用諧振曲線六、串聯(lián)諧振的幅頻特性R、L、C串聯(lián)諧振電路中，電路中各元件電壓的幅頻特性為

5也“ Ct*圖6電壓的諧振曲線由電壓的諧振曲線可以看出，試品上出現(xiàn)電壓最高時(shí)并非系統(tǒng)處于完全諧振時(shí)，而是處于容性失諧狀態(tài)，此時(shí)電抗器上承受的電壓低于試品兩端的電壓，有利于設(shè)備的安全，因此,我們建議串聯(lián)諧振電源系統(tǒng)工作在這種狀態(tài)下。第二篇串聯(lián)諧振升壓裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用本篇將分析諧振產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的一些優(yōu)點(diǎn)，并提供電力系統(tǒng)一些主要產(chǎn)品的諧振試驗(yàn)方法和要點(diǎn)，為諧振產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中更好的應(yīng)用提供一些技術(shù)思想和數(shù)據(jù)。在最后，列舉了兩個(gè)常用的選型方案，一方面可以幫助大家分析怎么樣對(duì)自己將要做試驗(yàn)的對(duì)象進(jìn)行設(shè)備選型，另一方面可以幫助大家分析怎么樣使用諧振試驗(yàn)方法有效的對(duì)自己將要做試驗(yàn)的對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)。一、串聯(lián)諧振電源在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)：1、所需電源容量大大減小。串聯(lián)諧振電源是利用諧振電抗器和被試品電容諧振產(chǎn)生高電壓和大電流的，在整個(gè)系統(tǒng)中電源只需要提供系統(tǒng)中有功消耗的部分，因此，試驗(yàn)所需的電源功率只有試驗(yàn)容量的1/Q。2、設(shè)備的重量和體積大大減少。串聯(lián)諧振電源中，不但省去了笨重的大功率調(diào)壓裝置和普通的大功率工頻試驗(yàn)變壓器，而且，諧振激磁電源只需試驗(yàn)容量的1/Q,使得系統(tǒng)重量和體積大大減少，一般為普通試驗(yàn)裝置的1/3-1/5。3、 改善輸出電壓的波形。諧振電源是諧振式濾波電路，能改善輸出電壓的波形畸變，獲得很好的正弦波形，有效的防止了諧波峰值對(duì)試品的誤擊穿。4、 防止大的短路電流燒傷故障點(diǎn)。在串聯(lián)諧振狀態(tài)，當(dāng)試品的絕緣弱點(diǎn)被擊穿時(shí)，電路立即脫諧，回路電流迅速下降為正常試驗(yàn)電流的1/Q。而并聯(lián)諧振或者試驗(yàn)變壓器方式做耐壓試驗(yàn)時(shí)，擊穿電流立即上升幾十倍，兩者相比，短路電流與擊穿電流相差數(shù)百倍。所以，串聯(lián)諧振能有效的找到絕緣弱點(diǎn)，又不存在大的短路電流燒傷故障點(diǎn)的憂患。5、 不會(huì)出現(xiàn)任何恢復(fù)過(guò)電壓。試品發(fā)生擊穿時(shí)，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧即刻熄滅，且恢復(fù)電壓的再建立過(guò)程很長(zhǎng)，很容易在再次達(dá)到閃落電壓前斷開(kāi)電源，這種電壓的恢復(fù)過(guò)程是一種能量積累的間歇振蕩過(guò)程，其過(guò)程長(zhǎng)，而且，不會(huì)出現(xiàn)任何恢復(fù)過(guò)電壓。二、諧振電源產(chǎn)品使用中的注意事項(xiàng)1、 諧振電源產(chǎn)品大多都是高壓試驗(yàn)設(shè)備，要求由高壓試驗(yàn)專業(yè)人員使用，使用前應(yīng)仔細(xì)閱讀使用說(shuō)明書(shū)，并經(jīng)反復(fù)操作訓(xùn)練。2、 操作人員應(yīng)不少于2人。使用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守本單位有關(guān)高壓試驗(yàn)的安全作業(yè)規(guī)程。3、 為了保證試驗(yàn)的安全正確，除必須熟悉本產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)外，還必須嚴(yán)格按國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)操作。4、各聯(lián)接線不能接錯(cuò)，特別是接地線不能接錯(cuò)。否則可導(dǎo)致試驗(yàn)裝置損壞。5、本裝置使用時(shí)，輸出的是高電壓或超高電壓，必須可靠接地，注意操作安全距離。6、串聯(lián)諧振試驗(yàn)系統(tǒng)是利用諧振電抗器與被試品諧振產(chǎn)生高電壓的，也就是說(shuō)，能不能產(chǎn)生高電壓主要是看試品與諧振電抗器是否諧振，所以，試驗(yàn)人員在分析現(xiàn)場(chǎng)不能夠產(chǎn)生所需高電壓時(shí)，應(yīng)該分析什么破壞了諧振條件，回路是否接通等。7、串聯(lián)諧振試驗(yàn)系統(tǒng)的激磁變壓器有特定的電壓和電流要求，在選用代替品時(shí)，一定要考慮電壓和電流，不能采用只是容量相同的普通的試驗(yàn)變壓器。三、不同工頻諧振產(chǎn)品對(duì)比分析諧振升壓方法是目前對(duì)于電力系統(tǒng)大電容性試品比較適用的方法，分為工頻試驗(yàn)和變頻試驗(yàn)。諧振升壓方法有工頻諧振升壓法和變頻諧振升壓法，工頻諧振主要用于發(fā)電機(jī)、CVT，變頻諧振主要用于交聯(lián)電纜。工頻諧振升壓系統(tǒng)是在工頻條件下使得電感和被試品電容諧振，產(chǎn)生的是工頻高壓，因此，它適合幾乎所有的交流試驗(yàn)場(chǎng)合。工頻諧振升壓系統(tǒng)一般采用調(diào)節(jié)電感的感抗的方式在激勵(lì)源的作用下使得電抗器和被試品電容諧振，通常稱為調(diào)感式；也可以采用在被試品兩端并聯(lián)電容器的方式改變被試系統(tǒng)的電容量使得在激勵(lì)源的作用下與電抗器諧振，通常稱為調(diào)頻式，還可以同時(shí)改變電抗器的感抗和被試系統(tǒng)的電容量使得系統(tǒng)達(dá)到諧振狀態(tài)，通常稱為調(diào)感調(diào)容式。調(diào)感式通常采用調(diào)節(jié)鐵心電抗器的氣隙的方式，可以連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)感抗值，操作比較方便；而調(diào)容式不但需要笨重的電容，而且電容不能連續(xù)的調(diào)節(jié)，所以不太適合現(xiàn)場(chǎng)操作。電力系統(tǒng)中，有的類型的試品的的電容量是幾個(gè)固定的量，比如說(shuō)CVT，它只有幾個(gè)固定的電容值，有的試品是根據(jù)試品的容量和電壓等級(jí)及其他特征而變化的，比如說(shuō)發(fā)電機(jī)，變壓器，電纜等。1、調(diào)頻調(diào)感諧振與工頻諧振、變頻諧振的比較調(diào)感型調(diào)容型調(diào)感調(diào)容型調(diào)諧原理采用調(diào)整電抗器電感的方式使得電抗器感抗與被試容性試品容抗相匹配，達(dá)到諧振狀態(tài)。采用調(diào)整系統(tǒng)工作頻率的方式使得電抗器感抗與被試容性試品容抗相匹配，達(dá)到諧振狀態(tài)。既可以米用調(diào)整電抗器電感的方式使得電抗器感抗與被試容性試品容抗相匹配，達(dá)到諧振狀態(tài)，也可以采用調(diào)整系統(tǒng)工作頻率的方式使得電抗器感抗與被試容性試品容抗相

匹配，達(dá)到諧振狀態(tài)，還可以同時(shí)米用上述兩種方法。調(diào)諧方法一般采用調(diào)節(jié)鐵心電抗的氣隙。分自動(dòng)型和手動(dòng)型：自動(dòng)型可以根據(jù)系統(tǒng)的功率因數(shù)自動(dòng)的調(diào)整電抗器感抗，使得系統(tǒng)達(dá)到諧振；手動(dòng)型則是先施加一定的電壓給試品，記下電流值，然后施加相同電壓給電抗器，調(diào)節(jié)電抗器氣隙，使得電流值與前者相同。一般采用調(diào)節(jié)激勵(lì)源的頻率。分自動(dòng)型和手動(dòng)型：自動(dòng)型可以根據(jù)系統(tǒng)的功率因數(shù)自動(dòng)的調(diào)整激勵(lì)源頻率，使得系統(tǒng)達(dá)到諧振；手動(dòng)型則是手動(dòng)的改變系統(tǒng)的頻率，找出相同激勵(lì)電壓卜系統(tǒng)輸出高壓最大值的激勵(lì)頻率，即為諧振頻率。一般采用調(diào)節(jié)鐵心電抗的氣隙和（或）調(diào)節(jié)激勵(lì)源的頻率的方法。單獨(dú)需要調(diào)頻時(shí)，與調(diào)頻型相同，只要是要用到調(diào)感時(shí)，先接好線，控制源可以自動(dòng)的計(jì)算出試品的電容量，同時(shí)也自動(dòng)的計(jì)算出在所需頻率下需要的電抗器感抗值和需要調(diào)節(jié)的氣隙值，斷電后調(diào)整電抗器氣隙到所需要的值即可。輸出電壓頻率由激勵(lì)電源決定。其頻率與激勵(lì)電源的頻率一致，激勵(lì)電源的頻率為固定頻率，一般為工頻，輸出高壓也為工頻由試品電容量決定。激勵(lì)電源的頻率根據(jù)試品電容量的不同而變化，所以輸出高壓的頻率也隨之變化，同時(shí)，頻率又得滿足一定的范圍，一般為30?300Hz由操作人員決定。當(dāng)需要什么頻率做試驗(yàn)時(shí)，就將激勵(lì)源的頻率調(diào)整到需要的頻率，然后根據(jù)被試品的電容量調(diào)節(jié)電抗器的感抗，使系統(tǒng)諧振，產(chǎn)生咼壓。適用場(chǎng)合一般為需要做工頻試驗(yàn)的場(chǎng)合。例如發(fā)電機(jī)、主變壓器等一般為可以采用變頻方式做試驗(yàn)的場(chǎng)合。例如電纜、GIS等電力系統(tǒng)所有容性試品。既可以是需要做工頻試驗(yàn)的場(chǎng)合，也可以是能采用變頻方式做試驗(yàn)的場(chǎng)合被試電容量范圍由電抗器的電抗值調(diào)節(jié)范圍決定。由激勵(lì)源的頻率調(diào)節(jié)范圍和當(dāng)?shù)貑为?dú)米用調(diào)感或者調(diào)感方式時(shí)，與調(diào)感型或者

電抗器的電抗值有效調(diào)節(jié)范圍一般為15倍，所以，被試品電容量的變化范圍也一般為15倍。規(guī)程決定。被試品電容量的變化