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串联谐振原理.doc

串联谐振原理.doc

上传者: shen伟深 2017-10-16 评分 4.5 0 84 11 382 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《串联谐振原理doc》,可适用于高等教育领域,主题内容包含串联谐振原理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符等。

串联谐振原理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,XlXc是角频率ω的函数X随ω变化的情况如图所示。当ω从零开始向变化时X从,向变化在ω,ωo时、X,电路为容性在ω,ωo时X,电路为感性在ω,ωo时图图此时电路阻抗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:武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术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),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,XLXc=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共同武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术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电容电压落后外施电压总的电抗电压为。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、而电武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术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。图因为所以这就是说在外加电压一定时电磁场总能量与Q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π。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Z(ω)特性曲线电流的谐振曲线电流的相频特性曲线图从图各曲线可以看出在ω,ωo处X,此时电路阻抗最小为Z,R电流最大为Io,USR电流与电压同相位电路处于谐振状态。ωωo时Z,RI,IoΦ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所武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术示的电流谐振曲线。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(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图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:、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Q。、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Q使得系统重量和体积大大减少一般为普通试验装置的。、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。、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。、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、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。近年武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术来国际、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kV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。、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(Hz)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(Hz)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类:第类为较宽频率范围Hz、Hz、Hz第类为工频范围HzHz第类为接近工频Hz。()第类较宽频率范围国际大电网会议第、工作组发布的《试验导则》建议频率范围为Hz。但实际上更低一些频率也具有较好地等效性。IEC和IEC标准草案(年和年)就规定可采用Hz。国外有些厂家设计串联谐用电抗器在特殊情况下也有采用最低频率为Hz或Hz的。当然频率愈低被试电缆的长度(电容量)可增大。但是电武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术抗器铁心因此放大使重量增加。个别资料显示,Hz的交流试验也具有与工频交流试验的等效性这说明实际应用中频率下限有可能取得更低例如小于Hz甚至到Hz也是可行的。进一步表明在这样的频率范围内绝缘内部各介质的电压分布及介质特性仍基本相同。工作频率超过Hz是否适当,有资料报导说随频率增高串谐电抗器及励磁变压器的损耗降低但是要考虑被试品电容介质的极化发热问题因此频率高于Hz是不可取的。()第类为工频范围国际上工业频率主要指Hz和Hz两种故IEC标准规定对高压绝缘的工业试验频率范围为Hz在我国额定工频为Hz。GBT规定工频试验频率范围为Hz。认为工频电力电缆的试验电压也必须是工频这是趋于比较保守的观点。针对此问题应该着重说明交接和预防性试验的目的在于发现绝缘缺陷的能力来定的。在不同的频率下只要绝缘内部介质电压分布相同又有基本相同的检出绝缘故障的能力就能达到试验的目的。因此即使选用比工频范围更宽的频率也是可以接受的。在年代中期为了选择适当的交流耐压试验的频率范围做了大量、仔细的基础研究工作。得出频率在Hz范围内橡塑电缆内部几种典型绝缘缺陷的击穿特性没有明显差别。这应该是可信的也得到普遍采用。分析形成这种在不同频率下良好的击穿特性主要原因是优良的同轴绝缘结构单一的绝缘介质材质相对纯洁、电场分布合理、规则。因此在不同频率下结构内部电压分布相同形成宽频率范围试验的条件。油纸绝缘电缆一直采用频率等于零的直流电压进行耐压试验其实际效果很好数十年来未受到置疑。()第类为接近工频频率Hz国外曾对正常XLPE(交联聚乙烯)绝缘电缆样品在不同频率下进行击穿试验。结果表明在频率为Hz时击穿电压均落在可置信度之内。因此有观点赞成试验电压频率最好选在Hz,也较为靠近运行电压频率Hz。值得注意的是上述测试结果是对正常绝缘做的击穿试验。而交接和预防性试验所采用的试验电压值是偏低的它只能击穿有缺陷的绝缘弱点(机械损伤、水树枝、终端头或接头盒应力铁锥施工或用料错误等等)完全不足以击穿电缆本体的正常绝缘。可见两种试验的目的和工作机理均不相同。似乎没有必要将正常绝缘Hz的击穿特性“延伸”应用到检测绝缘缺陷方面。武汉高压研究所电力试验用串联谐振技术、标准问题由于设备容量和体积等问题目前国家尚无高压电力电缆敷设后在现场进行交流耐压试验的相应标准。但对直流耐压试验的标准,由于前面所述原因人们也产生了一些疑问。CIGRI国际大电网工作会议工作组的《高压挤包绝缘电缆竣工验收试验建议导则》中对目前采用的直流耐压试验方法提出疑议并推荐使用工频及近似工频(Hz)的交流试验方法。IEC标准中在kV敷设后电缆试验标准中除原直流试验标准外增加了U分钟或U小时的交流试验标准。而在kV等级中IECCD草案中则取消了电缆敷设后试验中直流试验的标准只有交流试验的要求即HzU分钟。为了更有效的对施工后的交联电缆进行交接试验,华北电力集团公司在《电力设备交接和预防性试验规程》修订内容中在电缆主绝缘耐压试验一项中增加了电缆的交流耐压试验标准。之后国内很多地方也相应的出台了地方性试验标准其试验频率大多都在Hz中低压电缆试验电压为倍的相电压高压电缆试验电压一般都在倍的相电压具体根据各个地方略有不同浙江推荐中低

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