武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术 - 1 -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 XXl Xc 是角频率 的函数，X 随 变化的情况如图 2 所示。当 从零开始向变化时，X 从向变化，在 o 时、X0 ，电路为容性；在 o 时，X 0 ，电路为感性；在 o 时图 1 图 2此时电路阻抗 Z(o) 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 o如下：式 1武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术 - 2 -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(o)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 XX LXc=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 ，即 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武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术 - 3 -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、而武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术 - 4 -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。由于武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术 - 5 -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 o，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 2。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武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术 - 6 -Z（）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 o 处，X0，此时电路阻抗最小，为ZR；电流最大，为 IoU S/R，电流与电压同相位；电路处于谐振状态。o 时， ZR，IIo ，0 ，电路处于失谐状态。 偏离 o 越远，Z越大，I 越小， 越大，失谐越严重。其中，当 o 时，电路呈电容性，称为容性失谐；当 o 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 II。为纵坐标，。叫为横坐标Q 为参变量，可以画出如图 5武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术 - 7 -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。稍偏离 1(即 稍偏离 。)时，II。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武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术 - 8 -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。武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术 - 9 -第二篇 串联谐振电源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、电缆交的流耐压试验1、问题的提出目前在国际和国内已有越来越多的 XLPE 交联聚乙烯绝缘的电力电缆替代原有的充油油纸绝缘的电力电缆。但在交联电缆投运前的试验手段上由于被试容量大和试验设备的原因，很长时间以来，仍沿袭使用直流耐压的试验方法。武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术 - 10 -近年来国际、国内的很多研究机构的研究成果表明直流试验对 XLPE 交联聚乙烯电缆有不同程度的损害。有的研究观点认为 XLPE 结构具有存储积累单极性残余电荷的能力，当在直流试验后，如不能有效的释放掉直流残余电荷，投运后在直流残余电荷加上交流电压峰值将可能致使电缆发生击穿。国内一些研究机构认为，交联聚乙烯电缆的直流耐压试验中，由于空间电荷效应，绝缘中的实际电场强度可比电缆绝缘的工作电场强度高达 11 倍。交联聚乙烯绝缘电缆即使通过了直流试验不发生击穿，也会引起绝缘的严重损伤。其次，由于施加的直流电压场强分布与运行的交流电压场强分布不同。直流试验也不能真实模拟运行状态下电缆承受的过电压，并有效的发现电缆及电缆接头本身和施工工艺上的缺陷。因此，使用非直流的方法对交联电缆进行耐压试验就越来越受到人们的重视。目前，在中低压电缆上国外已使用超低频电源（VLF）进行耐压试验。但由于此类 VLF 的电压等级偏低，尚不能用于 110kV 及以上的高压电缆试验。在国内，对于低压电缆,这种方法也使用过，但由于试验设备的原因，没能得到大面积的推广。而近些年由于城、农网建设改造的进行， XLPE 交联电缆越来越多，仅仅靠直流耐压试验后就将电缆投入运行，而在运行电压下发生电缆或电缆头击穿的事例也时有发生。所以，大家都在探索新的试验方法。2、试验频率由于电缆的电容量较大，采用传统的工频试验变压器很笨重，庞大，且大电流的工作电源在现场不易取得。因此一般都采用串联谐振交流耐压试验设备。其输入电源的容量能显著降低，重量减轻，便于使用和运输。初期多采用调感式串联谐振设备（50Hz） ，但存在自动化程度差、噪音大等缺点。因此现在大都采用调频式（30-300Hz ）串联谐振试验设备，可以得到更高的品质数（Q 值），并具有自动调谐、多重保护，以及低噪音、灵活的组合方式（单件重量大为下降）等优点。综合国内外有关技术资料，选择合适的试验频率范围是个比较重要的问题。在这方面，有一些不同的观点和提法。就目前的国内外的提法来看，我们总结可分成 3 类：第 1 类为较宽频率范围 30-300Hz