当今电子电力技术飞跃发展，高压谐振技术已被广泛用于发电机、交联电缆以及 GIS 等大容量电力设备的交流耐压试验。20 世纪 70 年代后期，随着天生桥、漫湾、阳泉等电站大型水力发电机组的不断投运发电，刺激着高压谐振变压器耐压技术在发电机试验领域逐步成熟、普及。本文借助于一套 1 000 kVA 工频并联谐振试验变压器耐压装置，针对某大型水轮发电机增容改造时定子现场装配绝缘实况，重点阐述了突破工频谐振试验变压器应用调谐能力的方法。
1 工频谐振变压器耐压装置
1． 1 装置原理
所谓工频谐振变压器耐压装置，是指装置试验回路的工作频率被指定为 50 Hz 时，被试品对地分布电容与试验变压器高压线圈自感之间的工作处于谐振状态的一种交流耐压试验装置。其特点是，在保持串联或并联谐振原理及其优点的基础上，该装置能将调谐电抗器与试验变压器合二为一; 通过调节谐振变压器本体磁路中的气隙长度，得到连续可变的电感量，使励磁感抗恰好能够补偿负载支路容抗，从而满足电路谐振条件［1 － 2］。其原理接线如图 1 所示。
图 1 中，TＲ 为感应调压器，TX 为谐振试验变压器
( 高压线圈为可调电感) ，C 为被试品对地分布电容。
1． 2 电路原理
发电机定子工频耐压试验多选用并联谐振变压器。并联谐振变压器原理及等效电路如图 2 所示。
图 2 中，ＲL 表示电感的等效电阻，Ω; ＲC 表示电容的等效电阻，Ω; L 表示调谐电抗器等效电感，H; C 表示被试品对地等效电容，F。
当 ＲL ωL，ＲC 1C 时，并联谐振的谐振频率为f = 12π 槡LCL /C － Ｒ2LL /C － Ｒ 槡 2C≈ 12π 槡LC ( 1)
并联谐振的品质因数为
Q = ωL /( ＲL + ＲC ) = 1 /( ＲL + ＲC ) ωC ( 2)
当并联谐振变压器通入 380 V 工频电源时，回路将产生与外电源同频率的强迫振荡; 当外电路频率等于回路振荡频率时，回路阻抗*大，且呈纯电阻性，此时回路电流 I *小，但 L 和 C 上的电流 IL、IC 都是 I 的 Q倍，即为典型的电流谐振。
IL = IC = QI ( 3)
从而可得出电源容量为被试品容量的 1 /QP = UI = UIC /Q = PC /Q ( 4)
1． 3 谐振变压器的特点
1． 3． 1 结构特点
谐振变压器高压线圈电感量可以连续调节，其铁芯中间芯柱采用可动式芯柱结构，气隙的调节是通过主轴和轴套连接的丝杠来牵引铁芯移动，这样能够均
匀平滑地调节电感量。这种设计不仅结构简单，而且重要的是，在试验过程中能使感抗特性调整平稳，在额定电容参数的有效范围内，很容易实现与被试容抗的谐振。然而，也正是这种特殊的设计，使在试验负荷下，谐振变压器的铁芯和机械传动机构在气隙的调节中不可避免地将承受强电磁力的作用; 同时该过程产生的噪音大、振动大，在重负荷下有可能损坏谐振变压器的部件( 本文提出的扩大谐振试验变压器应用调谐能力的方法，亦旨在降低谐振装置的重负荷，改善其条件) 。
1． 3． 2 品质因数 Q 与电容参数范围
品质因数的大小是衡量谐振变压器质量的一项重要指标。试验时，电源容量仅为电路消耗的有功损耗，占被试品*大无功容量的 1 /Q，与常规试验变压器相比，谐振变压器的试验容量减少 Q 倍，体积重量自然会得到优化控制。尽管现场试验会受到空气湿度、谐振变压器自身漏磁以及附加损耗的影响，使实际 Q 值要比设计值低很多，但一般而言，只需 10 倍左右的品质因数保证，基本上就能够满足工程需要。
谐振变压器的制造工艺、设计结构以及铁芯硅钢片质量等多样因素会致使其本身产生一些附加损耗，尤其是对铁芯气隙开合而形成的漏磁不可忽略。在这
些因素的共同作用下，谐振变压器的实际负载电容范围总是比额定设计范围狭窄，比如漫湾电站 XYDJ －800 /40 型谐振变压器铭牌负载电容量显示范围为 0． 1～ 1． 6 μF，然而经实测，其负载电容量在 0． 5 ～ 1． 6 μF之间; 龚咀电站 XYDJ － 1000 /40 型谐振变压器铭牌负载电容量显示范围为 0． 21 ～ 2． 5 μF，经实测，其负载电容量介于 0． 35 ～ 2． 3 μF 之间。
由于实际电容参数范围达不到设计值，使谐振变压器在现场使用中往往处于铭牌负载电容范围的两端，导致其应用能力明显下降。即被试品分布电容越
靠近谐振变压器额定*小、*大两处极限值时，越容易失去调谐能力。
2 提高调谐能力的措施
2． 1 主要技术参数
BXYDJ － 1000 /40 型工频并联谐振试验变压器的主要技术参数如下。
高压侧额定容量 1 000 kVA
低压侧额定容量 100 kVA
高压侧额定电压 40 kV
高压侧额定电流 25 A
低压侧额定电压 0． 40 kV
低压侧额定电流 250 A
负载电容量 0． 21( 下限值) ～ 2． 5( 上限值)
μF
品质因数 Q ≥20 ～ 25
感应调压器 选用 100 kVA
生产日期 1993 年
2． 2 超过负载电容量上限值的调谐应用
铜街子水电站位于四川省大渡河下游河段，总装机容量为 600 MW( 4 × 150 MW) ，部分机组运行已达20 a，为了提高发电效率、根除设备隐患，2012 年，利用电站的检修期对 12 号水轮发电机组实施了增容改造。增容改造后，12 号水轮发电机的单相定子分布电容超过 2． 7 μF，该值已经超出 BXYDJ － 1000 /40 型谐振试验变压器耐压装置的应用调谐范围，因而成为*现实且需亟待解决的难题。
为此，经研究，计划利用外接高压电抗器并联补偿来减小试品侧容性电流，以直接降低被试品的分布电容量，通过人为操作，将铜街子水电站 12 号水轮发电机单相定子分布电容限制在谐振变压器负载调谐较为理想的段落范围。其原理接线如图 3 所示。铜街子电站 12 号机组定子分相以后，交流耐压外接高压电抗器试验实测数据列于表 1。
铜街子电站 12 号机组定子分相后，形成的外接高压电抗器并联补偿方案参数计算如下。
( 1) 主选设备。主选设备为 BXYDJ － 1000 /40 型工频并联谐振试验变压器耐压装置。单相定子分布电容 Cx ( 预测值) ≈2． 7 μF，单相定子电容电流 Ic = 2πf× Cx × Us = 2 × 3． 14 × 50 × 2． 7 × 30． 6 ≈ 26 A，1 台YKDTK － 396 /33 真空环氧浇注电抗器并联使用; YKDTK － 396 /33 真空环氧浇注电抗器技术参数为: 额定*高工作电压 33 kV，额定*大工作电流 12 A，额定容量 396 kVA，额定电感量 9． 12 H。
( 2) 参数计算。试验电压 Us = 2． 0Un + 3 = 2． 0× 13． 8 + 3 = 30． 6 kV ＜ 33kV，补偿电感电流 IL =Us /ωLe = 30． 6 × 1 000 /( 314 × 9． 12) ≈ 11 A，补偿分布电容 C补偿 = 1 /ω2Le = 1 /( 3142 × 9． 12) ≈ 1． 1 μF，剩余电容电流 I剩余 = Ic － IL = 26 － 11 = 15 A，剩余分布电容 C剩余 = Cx － C补偿 = 2． 7 － 1． 1 = 1． 6 μF。理论计算结果表明，使用 YKDTK － 396 /33 真空环氧浇注电抗器并联补偿后，12 号机组的单相定子电容量为 1． 6 μF，该值恰处于 BXYDJ － 1000 /40 谐振变压器中段调谐负荷段落。
实测数 据 显 示，当试验电压达到耐压要求时，BXYDJ － 1000 /40 谐振变压器副边电流约为 14 A，小于额定值 25 A，与方案理论计算值较为吻合; 谐振变压器原边电流约 155 A，小于额定值 250 A。在试验现场，整个方案在实施过程中数据平稳，无异常放电现象。实测结果表明，当发电机定子电容量较大，且超过谐振变压器耐压装置额定极限负荷时，可以利用外接高压电抗器在试验回路高压侧或者试品侧进行并联补偿，此举能够显著提升谐振变压器应用补偿能力。
2． 3 低于负载电容量下限值的调谐应用
就发电机领域而言，汽轮发电机的定子分布电容值只有相同容量下水轮发电机的 1 /10 左右，很多卧式中小型水轮发电机定子分布电容也不足 0． 2 μF。显然，一套大型谐振变压器耐压装置无法满足更多小电容量被试品的耐压需求。另外，在对发电机实施增容改造时，在定子线棒下线阶段的随机检验过程中，难免也会碰到定子线棒数量不多的情况。针对该应用瓶颈，可采用输出端或试品侧外接高压电容器的并联补偿方式，来提高被试品的对地等效电容量，以使其靠近谐振变压器负载调谐较为理想的段落范围。其原理接线如图 4 所示。
图 4 中，外接高压电容器 C外 与发电机定子等效电容值 C 并联，亦即增大了被试品总的等效对地电容量。以铜街子水电站 12 号水轮发电机组增容改造的
定子上层线棒下线后交流耐压检验为例，由于 543 ～565 槽部分区段的槽电位偏高，经局部绝缘处理，槽电位得到了有效控制，随后必须对 543 ～ 565 槽上下层线棒进行绝缘耐压检验。检验结果表明，22 槽共计 44根定子线棒的电容量仅为 0． 2 μF 左右，低于 BXYDJ－ 1000 /40 谐振变压器额定负载的下限值，在试验过程中反复调谐仍无法找到谐振点。后来利用一只 FC－ 40 kV /0． 3 μF 电容器与试品的高压侧并联，在被试品等效对地电容整体抬高的情况下，谐振变压器顺利地找到了谐振范围，而且在整个升压过程中，升压表显示的电压值稳定，只是标准试验电压下的高低压电流值略偏高于计算值。
3 结 语
( 1) 利用工频谐振变压器耐压装置对电力设备实施交流耐压试验时，不能教条地、完全以铭牌给定的负载电容范围作为参考，而应预先估计到谐振变压器在*大和*小 2 个极限负荷段落内，会存在丧失应用调谐能力的可能性。
( 2) 采用并联外接高压电抗器和并联外接高压电容器，是突破工频谐振试验变压器应用调谐能力的可靠方法，具有现实意义和推广价值。
