高压并联电容器范文第1篇

关键词：电容器；事故分析；处理建议

1 500kV某变电容器组故障及处理情况简述

我公司[简称NW]接到某超高压通知：某站其中一组电容器组成套装置发生不平衡电压保护动作。NW人员在接到通知后立即赶到现场配合进行了检查、试验，确定了更换的方案，其中更换了15台，经判断15台中有5台电容器容量变化超标（1台容量变为0，另4台容量变化在5%～8%），有10台电容器容量变化经估算在1只元件左右，更换返厂的目的是为了能对5台容量变化超标产品的判断分析更具代表性。

2 变电站电容器装置的基本情况

3 电容器结构情况的说明

电容器型号为BAM6r12/2-334-1W，单瓷套，卧放方式。电容器串并联为12并4串，箱壳尺寸为440*180*760，露箔式结构，介质结构为15+15μm，带内熔丝结构，场强为50kV/mm。

4 试验、解剖情况

发现电容器编号198号单台电容器出现开路现象，电容器有鼓肚、绝缘油发黑现象。其中：第一串的第1、4、9、12个元件损坏，其中第1、4个元件是击穿的，第9、12个元件主要是熔丝熔断烧坏的。第二串的第1、2、12个元件损坏，主要是熔丝熔断烧坏的。第三串的第1、2、5、9、11个元件损坏，主要是熔丝熔断烧坏的。第四串的第1、9、11、12个元件损坏，主要是熔丝熔断烧坏的。

通过现场了解和电容器的解剖，发现以下情况：在故障现场发现，变电站有一台电容器电容量为0（即开路）。根据现场检测发现，此变电站发生容量变化的电容器绝大部分分布在框架的上层。解剖的故障电容器中元件的击穿点在元件的大面位置。此变的198#容量变化为0的电容器，解剖中发现部分元件内熔丝衬垫上有明显的烧灼痕迹，有些严重的已在元件的表面外包薄膜上留下了受热的印痕，另外有部分内熔丝未充分气化，变成很多的小段留在纸板上。

5 故障情况分析

5.1 关于电容器组不平衡电流保护动作的计算复核

继电保护动作的主要原因应该是由于其中的一台电容器电容量变化为零引起的。通过相应理论计算所得的保护动作电压与实际保护动作电压非常接近。

计算一下根据实际测量结果应产生的保护出口电压。

单台电容器的额定电压为12/2kV，4串。由于没有获得当时电容器运行电压，我们先假设故障前装置的线电压为U0=38kV，考虑串联电抗器的分压之后电容器组承担的电压为22/（1-0.12）=25kV。

当PT的变比为120：1时，如果差电压保护的定值设为3伏的话，则这时允许切除的故障元件数为9只，完好元件上将承受2.3倍的过电压（超出GB11024.4-2001中4.2及5.3.1条关于内熔丝隔离和试验条款的要求），故障串联段完好的电容器也将在大于1.05倍的过电压下运行，因此从电容器组稳定运行角度来说不甚合理，一旦等到继电保护动作时，可能会发现由于一台电容器的损坏而发展到多台受损的情况。

5.2 关于电容器容量变化的分析

分析认为：此变电站的继电保护动作是由于电容器内部元件击穿，一台电容器容量变零引起的。引起电容器元件击穿的可能原因大致有以下几点：

现场及元件击穿点位置情况：

大部分容量变化大的电容器基本上发生在装置的上层，同时解剖过程中击穿点位置在瓷套侧元件部分占总的击穿元件的75%。通过以上数据，我们可以发现，电容器的击穿点在电容器的温度较高部分，可见温度在促使电容器绝缘介质劣化上发挥了一定的影响。

分析意见：

装置上层受阳光照射后相对温度较高，在夏季时周围环境温度也很高，就会出现上层比下层更容易发生元件损坏现象，出现更高的淘汰率，这是由于工作于温度类别上限或高于上限值时，绝缘材料的热劣化现象造成的。不排除个别电容器及内部元件的损坏也有可能是材料存在的个别偶然的弱点，经过运行后出现的自然淘汰现象。

变电站的电容器元件在熔丝连接片处击穿，由于损坏比较严重，铝箔和侧面铜带相连接造成了整个串联段短路，所以此单台电容器出现熔丝群爆而第三个串联段短路的现象。短路点电流很大、温度很高，造成绝缘油快速汽化，导致箱壳鼓肚。同时由于上述的一些原因而使其他几台电容器也受到影响，出现少量的不同程度的容量变化。

此变电站继电保护动作时的出口电压值与模拟计算值基本一致，保护动作正确的切除了故障电容器组，判断事故的直接原因是上层的个别电容器内部元件绝缘受到热的作用劣化，耐电性能下降发生击穿，在保护定值内发展到一个串联段的内熔丝全部熔断并影响其他串联段，最终由一台容量变零导致了差电压不平衡保护动作。

6 建议

个别电容器及内部元件可能受环境温度、阳光照射的影响，使绝缘材料出现热劣化现象，考虑电容器能够安全稳定运行，建议是否可以采取在夏天遮阳的措施来解决。按现行的继电保护整定原则，电容器组电压差动保护定值存在略偏大的情况，建议对电容器组重新进行保护整定值核算，对内熔丝电容器宜按完好串联段电容器元件允许过电压值进行整定，提高保护灵敏度，以及时地切除故障电容器组，避免损坏面由于个别电容器偶然的损坏而扩大。以上分析、建议如有不妥之处还望谅解并给我们多提宝贵意见，谢谢！

参考文献

[1]周存和.并联电容器补偿装置技术问答[M].广西科学技术出版社，2012.

高压并联电容器范文第2篇

[ 关键词 ] 电网谐波危害 高压并联无功补偿电容器 谐振 消谐 并联滤波器

谐波是目前电网中影响电能质量的一项重要指标。随着现代电力电子技术的发展,非线性电力负荷在电力系统中大大增加。使电气设备运行不正常,加速绝缘老化,缩短设备的使用寿命等许多不良后果。本文结合实际重点讨论电网谐波“污染”对高压并联电容器的影响及解决办法。

一、故障的产生

电网变电所及大用户变电所的10KV高压并联无功补偿电容器常常发生故障。这些故障发生在不同变电所,故障现象都是继电保护不平衡电压或差压保护动作,开关跳闸,检查后大多发现10KV高压并联无功补偿电容器组有一个或多个单只电容器熔丝熔断,这类故障有时在同一变电所经常发生。

虽然这些故障发生在不同电压等级的变电所,但不难发现其中有某些内在共同因素:这些变电所附近都有较强烈的谐波源,或本身这个用户就是强烈谐波源,谐波连续监测已确证了这点,从而推断正是这些谐波“污染”源造成了这些高压并联电容器的故障。

1.产生故障的原因

(1)首先,基本可排除是某些电容器的质量问题,在发生故障的变电所,多次更换试验合格的电容器后仍不断发生同类故障,且特别发生故障的单只电容器呈现出无规则随机性的特点。

(2)其次,可排除是电网过电压造成电容器这类故障:测控装置的记录显示在故障发生时电容器所接系统电压无过电压现象,保护动作记录也表明没有一次是过电压保护动作。

(3)同一变电所和频繁发生这类电容器故障以前对比:电网结构和负荷性质与历史记录相比之下最明显的变化是变电所附近大多近几年新建一些大型用户变电所,而这些用户都使用大量的大功率电力电子设备。这些都是谐波源。

二、理论浅析

从以上这些二十四小时实测数据中,高次谐波确实存在,而且我们发现其中三次、五次谐波成分含量较高、出现较频繁。

在一个理想的电力系统,电能是以恒定频率(50HZ)和幅值的三相平衡正弦电压向用户供电。

在电网存在谐波时,我们实际观察到的波形是畸变的,曲线也呈锯齿状,同一测试点一般表现为电流波形比电压波形畸变大。

电力系统中为了补偿负荷的功率因数,提高电压水平,在变电所或负荷点处常常装有并联电容器,用于补偿无功功率。对于工频,系统的感抗一般比容抗小得多。

1.并联谐振注:In---电网中谐波电流源;Ls---系统等值电感

C--系统等值电容,它是变电所补偿电容,变电所出线电容与系统等值并联电容之和。

当谐波源电流注入变电所母线时,在某一谐波频率下,就可能发生并联谐振。令为等值电路的并联谐振频率,由谐振条件

显然如果谐波频率fn(n次谐波)与fP相近,变电所中就会发生并联谐振。

则由谐波注入点看进去的等值谐波电抗为 (2)

谐波电流的注入点的母线电压 (3)

谐振支路中电流分别为(4)

当时,很大,变电所母线的谐波电压将很高,同时谐振支路中谐波电流也很大,从而可能造成电气设备因过电压和过电流而遭受损坏。

2.串联谐振

当变电所靠近大的谐波源时,在如图4的接线方式下,将可 能发生串联谐振。

当电容器投入的系统中有三次谐波电压分量存在时,电压互感器二次侧感应出的三次谐波相位相同电压值互相叠加产生不平衡电压,当系统中三次谐波电压分量大到产生的不平衡电压达到保护整定值时,保护就动作跳开高压开关。所以在三次谐波电压分量含量较大的用户,无功补偿的三相并联电容器会经常不平衡电压保护动作,导致电容器无法正常投入运行。强行投入则很可能导致电容器发生故障。

三、解决方法初步探讨

1.对那些含谐波源的大用户的用户变电所内的谐振问题,根据调整系统负荷分布或电路参数,确能避免、减少恶性电气故障的发生,调整系统负荷分布具体实施起来也比较容易,投入成本少。

2.在实际运行中,发生故障的电容器大多是不带串联电抗器的电容器组,在发生电容器故障后,针对这些电容器,我们根据电容器容量匹配帮助用户安装了高阻抗电抗器组,一方面提高了支路短路阻抗,改变了并联支路参数,避开谐振频率;另一方面阻止谐波成份进入电容器,使谐波电压的压降大部分落在高阻抗电抗器上,让高次谐波电流消耗在高阻抗电抗器上,特别是阻止畸变电压尖峰波通过,从而减少谐波对电容器的破坏,起到一定的保护作用。

四、结语

大功率冲击性非线性负荷对电网的污染所带来的问题同环境问题一样可怕,令人感到欣喜的是,人们现在对谐波污染这种看不见的污染的重视意识上有了极大的提高,对谐波的监测更严密,对谐波的治理力度也大大加强了。

参考文献:

[1] 李令冬: 《电能质量分析与治理技术现状及发展趋势》, 安徽大学电能质量实验室

高压并联电容器范文第3篇

关键词:串-并联谐振法;串联谐振;调频电源;交联电缆;交流耐压试验

1　概述

随着我国的电力事业的迅速发展,尤其是在城网改造中,用交联聚乙烯电缆(以下简称:“交联电缆”)代替架空线路已成为一种趋势,高电压的电力交联电缆使用的数量越来越多。为了检验和保证交联电缆的安装质量,在送电投运前,对交联电缆进行现场交流耐压试验十分必要。过去由于受试验设备的限制,在现场对交联电缆进行交流耐压试验比较困难,一般采用直流耐压试验来代替。存在两个缺点:

1)直流电压对交联聚乙烯绝缘,有积累效应,即“记忆性”。一旦电缆有了由于直流试验而引起的“记忆性”,它就需要很长时间来释放尽残留在电缆中直流电荷。而当该电缆投入运行时,直流电

荷便会叠加在交流电压峰值上,产生“和电压”,远超过电缆的额定电压,使绝缘加速老化,缩短使用寿命。

2)直流电压分布与实际运行的交流电压不同,直流电场分布受电阻率影响,而交流下电场分布与电阻率和介电系数都有关。因此直流耐压试验并不能象交流耐压一样可以准确地反映电缆的机械损伤等明显缺陷,直流试验合格的电缆,投入运行后,在正常工作电压作用下,也会发生绝缘故障。由此可见,对于交联电缆采用传统的直流耐压试验是不可取的,应予淘汰。近年来,国内外许多专家都建议现场对交联电缆进行交流耐压试验来代替直流电压试验。由于电力电缆对地电容量很大,在现场采用50hz工频进行交流耐压试验条件难以具备,但采用调频电源进行交流耐压试验,条件是基本具备的。根据gb11017-89 [1]及iec840,现场绝缘耐压试验中使用的交流电压频率,可采用30—300hz。

2　交流耐压的几种试验方法

2·1　串联谐振

如果被试品的试验电压较高,而电容量较小, 一般可采用串联谐振方法,见图1所示。

当试验回路中ω0l =1ω0c(c包括cx、c1、c2)时,试验回路产生串联谐振,此时能在试品上产生较高的试验电压(试验电压高低与回路品质因数有关),如果电容c较大,试验回路电流也较大,通过电抗器的电流也较大,这时试验设备一般难以满足现场试验需要;通常该试验接线仅适用于被试品电容量较小而试验电压较高,试验变压器能满足试验容量要求而不能满足试验电压要求的情况。

对于电力电缆来说,被试设备的电容量c是固定的,要使试验回路产生谐振就要改变试验回路的电感l或频率ω,即:ω0=1 lc或l =1ω02c;

采用改变电感的方法来满足串联谐振需采用可调电抗器,但限于运输和在现场搬动,电抗器的体积和重量不能做得很大,因此可调电抗器的调节范围是有限的。所以在现场试验时采用调感的方法往往由于电抗器的范围有限而不能满足试验要求。

另一种方法是采用调频的方法,即当电抗器和电容固定时通过改变试验电源频率来使ω0l = 1 ω0c来达到所需的电压,但这时需要一套调频电源装置。

2·2　并联谐振

如果被试品的试验电压较低而试品容量较大时,一般可采用并联谐振方法,见图2所示。

当试验回路中ω0l=1ω0c(c包括cx、c1、c2) 时,试验回路产生并联谐振,此时试品电压等于电抗器电压也等于升压变压器高压侧电压。由于电抗器的补偿作用,变压器理论上仅提供回路阻性电流,可以大大降低对试验变压器的容量要求。因此该试验回路适用于试品电容量大,而电压较低的情况。低电压的电抗器一般容易制作,试验时可采用几个低电压电抗器并联的方法或利用可调电抗器改变电感的方法来满足并联谐振要求。如果有一套调频电源装置的话,也可采用改变试验电源频率的方法,使回路满足试验要求。

2·3　串-并联法

当试验电压较高、被试品电容量较大时,采用上述两种方法都难以满足试验要求,主要是试验设备难以满足要求:一是合适的高电压大容量的电抗器一般单位都不具备;二是不同长度的电缆电容量不相同,需要的电抗器也不一样,即使是可调电抗器也往往由于可调范围有限而难以满足试验要求。因此仅靠配备合适的电抗器来满足试验要求就比较困难,所以国内外进行长电缆交流耐压试验一般均采用串、并联调频谐振方式。

如图3所示,在试验回路中串入电抗器产生串联谐振来提高被试品试验电压,在被试品两端并联电抗器使被试品电容电流大部份由电抗器来补偿,从而使通过串联电路中电抗器的电流大为减少,从而降低试验对电抗器、试验变压器的要求。采用调频电源装置来改变试验频率使ω0l =1ω0c,使试验回路产生谐振。这样试验设备就比较容易满足试验要求。

3　柳东i、ii回电力电缆交流耐压试验

云南电力试验研究所对昆明供电局柳东i、ii回110kv交联电力电缆进行交流耐压试验,采用的是调频方法及串-并联谐振接线方式(见图3所示);其两条电缆长度均为2·1km,每km的电容量为0·12μf,每一相电缆总电容量大约为0·27uf,采用的补偿电抗器为4个并联,每个电抗器的电感量为200h左右,串联电抗器电感也为200h左右, 在电抗器1串4并的串并联谐振接线情况下,通过变频电源尽量使试验频率接近于50hz,计算的试验频率大约为48·45hz,计算被试品电力电缆的电容电流大约为9·04a, 4个电抗器补偿电感电流为7·23a,每个补偿电抗器通过的电流不到2a,而串联回路中的电抗器电流仅为1·81a,这样每个电抗器只需要耐压150kv电流大于2a;升压变压器的变比为k=18 000v/400v=45,输出电压为18kv,电流也只需要2a就能满足试验要求,试验数据见下表。

注:在电缆芯导体和金属屏蔽层间施加试验电压110kv,持续5min,试验结果全部通过。

4　调频电源装置的主要技术参数:

4·1　调频电源柜

额定输入电压:三相380v交流

单相输出电压: 0~365v,标准正弦波

额定输出电流: 0~800a

频率调节范围: 30~300hz

重量: 800kg

4·2　中间升压变压器

额定容量: 80kva

高低压变比: 18000v/400v

4·3　谐振电抗器(单节的额定参数)

额定电感量: 200h

额定电流: 4a

额定电压250kv

50hz时的品质因素q: 50

重量: 1 000kg

5　结束语

1)从试验中可以看出,“串-并联谐振法”实质上仍然是串联谐振。这次试验主要还是利用l- c谐振原理·与传统的串联谐振不同之处在于,电抗器l不是简单地与被试品电力电缆电容cx构成串联谐振,而是与电抗器l1-l4和被试电缆电容cx的并联回路产生串联谐振,谐振电压为uc。并联电抗器l1-l4主要起补偿作用。

2)由于有了l1-l4的补偿作用,使得流过励磁变压器高压侧及串联电抗器l上的电流i减小,电抗器l的体积和重量将大大减轻以及励磁变压器容量也将大大减少,相对提高了调频谐振装置的带负载能力。使得原本很难进行的试验项目,相对变得容易。

参考文献

高压并联电容器范文第4篇

【关键词】预防 配电线路 并联 电容器 过电压

自从工业革命之后，世界处于一个高速发展的状态。人们也从那时候开始对于电力有了一定的了解与认识。发展至如今的二十一世纪，电力已经从开始的少数人使用发展成为了如今世界的主要能源之一，也是世界人民最基本的设施之一。电力对于人类的发展和生存起着不容忽视的作用，而配电线路并联电容器作为电力系统中重要的组成部分占据着十分重要的作用。

1 配电线路并联电容器的概要

随着社会的发展，人类对于电器使用的频繁，电力系统对于人们来说变得异常的重要。在我们的身边处处都存在着电器，处处都在使用着电，电已经成为了我们生活中必不可少的能源之一。配电线路并联电容器在使用的过程中需要按照系统电压的变化和无功率的变动来进行自身的切换，是一种在使用中需要频繁性操作的电气设备。我国在对于配电线路并联电容器使用研究时进行了大量的实验和断路器的筛选已经对操作电压有了很大程度上的控制和掌握，使得配电线路并联电容器可以在电力系统中正常的运行。但是对于配电线路并联电容器操作在目前来说还是十分复杂的，会由于各种各样的原因出现一系列的问题。

2 配电线路并联电容器操作过电压存在的问题

2.1 合闸的配电线路并联电容器极间过电压存在的问题

从理论上分析，在对没有进行充电的配电线路并联电容器合闸时，配电线路并联电容器中的端子极间过电压最大值为额定电压最大值的两倍左右。但是由于存在于回路中电感的阻尼作用电压只能达到额定电压最大值的1.8倍左右，并没有达到理论的结果。当配电线路并联电容器在进行充电的过程中进行合闸，这时候充电的电压和电力系统的电压是相同的，但是极性是相反的。这样就造成了在合闸的时候过电压达到了额定电压的三倍甚至更高的倍数。这样的想象发生很容易会造成弹跳的现象，这种现象对于配电线路并联电容器的绝缘效果是有很大的损害的。如果这种情况比较严重，会造成极间的短路现象和配电线路并联电容器套管炸碎从而对电力部门和工作人员造成极大的损失。

2.2 配电线路并联电容器合闸的相间过电压存在的问题

配电线路并联电容器合闸的相间过电压容易引起变压器的损坏，使得整个电力系统无法正常的送电。这种现象在国内不是很常见，因此我国对于配电线路并联电容器合闸的相间过压的问题并没有引起足够的重视，也没有对这项问题进行专门的研究。但是这个问题在欧美等发达国家已经被进行了十分深刻的研究，并且已经成为了国际会议上重要的议论问题之一。由此可以看出配电线路并联电容器合闸的相间过电压一旦出现故障将带来不可弥补的损失。这种现象不仅仅给电力部分带来极大的损失，也给我国的人民正常用电带来极大的威胁。

2.3 配电线路并联电容器与变压器同时合闸的动态过电压中存在的问题

当配电线路并联电容器和变压器在电力系统中同时使用的时候，可能会受到变压器合闸涌流的谐波影响从而产生高于原来数倍的动态过电压。这个动态过电压是一直在变动的，电压是不稳定的，存在的时间也是十分短的，一般来说存在的时间是几秒钟。但就是这单单的几秒钟，对于配电线路并联电容器、变压器和连接这两个设备的其他电器来说伤害都是非常大的，会造成这些设备或者电器绝缘部分的损坏从而无法正常使用。

2.4 配电线路并联电容器分闸的重燃过电压中存在的问题

配电线路并联电容器分闸会因为断路器的重燃产生过电压，如果断路器重燃的次数过多将会对配电线路并联电容器的影响加倍，当达到一定倍数的时候就会对配电线路并联电容器的绝缘造成十分严重的损坏使得配电线路并联电容器无法正常的使用。

3 配电线路并联电容器操作过电压的预防措施

3.1 合闸配电线路并联电容器极间过电压的预防措施

对于合闸配电线路并联电容器极间过电压问题的预防，我们可以使得配电线路并联电容器不进行装重合闸的操作，使得整个配电线路并联电容器在完全充好电或者或者没电的时候进行工作。这样就可以有效的避免弹跳现象的发生，更好的保护配电线路并联电容器。

3.2 配电线路并联电容器合闸的相间过电压预防措施

经过大量的实验研究后发现，当配电线路并联电容器容量变得越来越大的时候，过电压倍数就会变得越来越小。如果在进行操作的时候使得输电线增多，就会使得对于配电线路并联电容器的影响分散开来从而使得相间过电压对于配电线路并联电容器的影响降低，使过电压不能够对配电线路并联电容器造成伤害，更好的保护了电容器和电力系统。

3.3 配电线路并联电容器与变压器同时合闸的动态过电压的预防措施

对于这种现象的发生一般采用的措施是避免电容器和变压器同时合闸。另外，还可以安装失压保护或者同期合闸的方法。

3.4 配电线路并联电容器分闸的重燃过电压的预防措施

对于这种现象的预防措施是选择使用分闸不重燃和合闸不弹跳的断路器。这样在电容器使用的过程中就不会对电容器的绝缘进行损坏，使得电容器有更好的保护。

4 总结

随着时代在不断的进步，电力的地位也变得越来越重要，而配电线路并联电容器作为电力系统中重要的组成部分也得到了电力部门的重视。本文主要对配电线路并联电容器的问题以及预防措施进行了简要的论述，希望对有关部门有所帮助。

参考文献

[1]涛，林莘，徐建源，姚卫.配电线路并联补偿电容器的谐波放大问题仿真分析[J].电气制造，2011（09）：58-60.

[2]丁大鹏.牵引变电所并联电容器组操作过电压分析[J].电气技术，2012（12）：44-47.

[3]刘生辉.并联电力电容器过电压分析与仿真研究[D].华南理工大学，2011.

高压并联电容器范文第5篇

1 概述

随着电力电子技术及器件的发展，固态感应加热电源已在金属熔炼、透热、淬火、热处理、焊接等行业得到越来越广泛的应用。对于热处理行业的大部分负载来说，感应加热电源设备须经过负载阻抗匹配后才能正常工作。所谓负载阻抗匹配就是为了使电源输出额定功率，而采取的使负载阻抗等于电源额定阻抗的方法和措施。

对于一台电源设备，其额定电压UN和额定电流IN取决于电源本身，为使电源能输出额定功率，要求有合适的负载阻抗Z=ZN=UN/IN与电源匹配，如果Z≠ZN，电源与负载不匹配，电源利用率就降低。以简单的直流电压源为例：电源额定电压Ud=400V，额定电流Id=400A，额定阻抗|Zd|=1Ω，负载阻抗|Z|=1Ω时，电源输出额定功率；|Z|=0.5Ω时，输出电流为I=Ud/|Z|=400/0.5=800A，电源过载；|Z|=2Ω时，输出电流为I=Ud/|Z|=400/2=200A，电源轻载。图1可清楚的表明以上所说情况。

图1中，线1表示负载与电源匹配，线2表示电源重载，线3表示电源轻载。电源与负载不匹配时，为保证不损坏电源设备，只能降额运行，降低了电源利用率，适当的匹配可以使电源全功率运行，保证设备正常运转，减少故障。在实际中，很少有负载阻抗恰好等于电源额定阻抗的情况，负载匹配是感应加热装置安全可靠经济运行的一个必不可少的环节，是感应加热电源负载侧设计的重要内容。

2 负载等效电路分析

感应加热装置的感应器支路可以等效成一个电阻和一个电感串联或并联的形式[1]，等效的电感、电阻是感应器和负载耦合作用的结果，其值受感应器与负载耦合程度的影响。等效感应器支路是一个感性负载，功率因数很低，需加入电容器进行无功补偿，补偿电容器与感应线圈的连接方式有串联和并联两种形式，从而形成两种基本的谐振电路：并联谐振电路、串连谐振电路。为了提高效率和保证逆变器安全运行，固态感应加热电源一般工作在准谐振状态，串联谐振电路和并联谐振电路的特性，见表1。

从表1可以看出，串联谐振电路在谐振状态下等效阻抗为纯电阻，并达到最小值，并联谐振电路在谐振状态下等效阻抗达到最大值，为了获得最大的电源输出功率，串联谐振电路采用电压源供电，并联谐振电路采用电流源供电，即电压源型感应加热电源必须匹配串联谐振型负载电路，电流源型感应加热电源必须匹配并联谐振型负载电路，这是电源与负载的初次匹配措施。

3 负载匹配方案分析

负载匹配方法主要分为两大类：静电耦合和电磁耦合。静电耦合主要采用无源元件，通过改变电路拓扑结构来改变负载阻抗。这一方法在一定条件下可以省去匹配变压器，因此更加经济、方便。电磁耦合主要采用匹配变压器，通过变压器变换阻抗特性进行负载匹配。下面针对不同电路形式进行分析。

3.1 并联谐振电路负载匹配方法

并联谐振电路等效阻抗ZD=L/RC，改变等效电路中的电容、电感、电阻的值都能改变阻抗，这一特性使并联谐振电路的阻抗匹配更加灵活。

3.1.1 匹配电容元件

根据电容元件加入的位置不同，可以分为以下3种方法，分别示意在图2、图3及图4。

图2等效阻抗ZD=L/RC，其中C=C1＋C2＋C3，通过开关的开、合可以改变电容值，从而改变负载电路等效阻抗，此法简单易行，是实践中常用方法之一，但属于有级调节，调节时要求断电。另外，C的变化会引起电路谐振频率发生变化，负载谐振频率受工艺要求限制，当频率超出范围时应配合匹配电感的方法来抵消频率的变化。注意，所有匹配方法都应考虑频率的变化，处理方法类似，以后不再叙及。

图3等效阻抗ZD=LCs/〔RC(C＋Cs)〕，可见加入Cs后，阻抗成Cs/(C＋Cs)倍变化，可使原来的等效阻抗变小，适用于阻抗相对电源来说高的负载。

图4是串并联负载电路，电路仍工作在并联谐振状态，工作情况与并联谐振电路类似，Cs的加入使容性阻抗增加。该电路优点是启动容易，通常作为晶闸管感应加热电源的起动电路，单纯作为负载匹配措施则较少使用。

3.1.2 匹配电感元件

一般分为两种情况，分别如图5及图6所示。以上两种电路形式是通过加入可变电抗器改变感应线圈支路的电感，进而改变等效阻抗值，

图5串联电感的方式只能增加感应器支路的电感，图6的连接方式可以增大支路电感，也可以减小支路电感。由于并联谐振属于电流谐振，并联支路中流过谐振电流，达到电源电流的Q（Q=ω0L/R）倍，谐振电路等效电感增加会增加铜损。

感应加热电源负载匹配方法中利用电感匹配的方法可以归纳为以下几种。

——利用带铁心的多抽头电抗器，改变抽头调节电抗值，属于有级调节，调节时要求断电。由于制作工艺上的原因，抽头的数量受到限制，无法做到?调。

——采用动铁心电抗器，移动铁心与线圈的相对位置来改变电抗值，属于无级调节，调节时无须断电，可以跟随负载阻抗的变化，匹配效果好，容易组成稳定感应线圈上的电压，或恒温、恒功率自动控制系统，但铁心动作须经过一套传动系统，故障率较高，且须建立协调控制模型。

——采用动圈式变压器的形式，一次线圈与感应线圈并联，二次侧绕组自身短接，移动一次绕组与二次绕组的相对位置，便可以改变一次侧的等值电抗，属于无级调节。变压器必须采用空心变压器，一二次绕组相对位置的变化也须经过一套传动装置，故障率高，同样须建立控制模型。

——用磁饱和电抗器作为Lf，通过调节直流激磁电流来改变电抗值，属于无级调节。该方法无移动、旋转部件，也无触点控制，安全可靠，维护工作量小。

——增减感应线圈的匝数。在感应线圈的几何形状不变的条件下（感应线圈的长度和直径不变），感应线圈的电感与其匝数N的平方成正比，当匝数N增减时，感应线圈的电感L和工件的等效阻抗也会相应增减，从而改变负载的等效阻抗。

——改变感应线圈与被加热工件的耦合情况。感应器与被加热工件耦合的紧密程度直接影响感应器支路等效阻抗，从而影响谐振电路等效阻抗，但是，当感应器与工件的间隙增大，耦合较松时会降低加热效率，匹配效果有限。

3.1.3 匹配电阻元件

负载匹配的根本目的是尽量使电源额定功率全部用于工件加热，也就是提高电源效率的问题，因此，在负载匹配的问题中，应结合有利于提高电源效率综合进行分析。在电路中加入电阻可方便地使负载阻抗与电源相匹配，但装置的损耗增加，加热效率降低，没有根本解决问题，不是可行的负载匹配方法。

3.1.4 匹配变压器

利用电磁耦合进行负载匹配是通过变压器的变阻抗特性实现的，这在感应加热中非常普遍，采用的电路形式主要有两种，如图7及图8所示。变压器变阻抗特性以图7为例说明如下：变压器副边电路工作在谐振状态，等效阻抗ZD=L/RC，通过变比为n:1的变压器后，变压器原边的等效阻抗ZD=n2L/RC（忽略变压器漏抗的影响），可见阻抗成n2倍变化。

图7电路中感应器支路所需无功容量由并联电容器提供，负载电路工作在准谐振状态，匹配变压器通过少量无功功率，所需容量较小，匹

配变压器原边流过电源电流，损耗不大，可以采用铁心变压器。图8电路中，匹配变压器中既通过有功功率又通过无功功率，所需变压器容量较大，铁心变压器容量受铁心制造水平限制，在传输容量大时难以胜任，所以此电路通常采用空心变压器，匹配变压器原边流过谐振电流，损耗较大。利用匹配变压器进行负载匹配时应考虑以下选择原则。

——空心变压器易实现大容量化，?合于初级补偿，减轻了对C的要求，但随着电压、功率的上升，其体积相应增大。铁心变压器难以实现大容量化，无功须在次级补偿，增加了C的选择难度。另外，空心变压器漏感大，变比不等于匝比，在设计中难以掌握，变比较大时实现困难，铁心变压器漏感小，变比等于匝比，对于极低的负载阻抗可以做成较大的匝比。

——铁心变压器的铁损正比于频率的平方，高频时发热严重，这提高了对变压器冷却系统的要求，所以高频时常采用铁淦氧磁芯或空心变压器。

——当负载工作频率较高时，为保证匹配效率要求匹配变压器漏抗尽量小，这对匹配变压器的设计提出了更高要求。

——补偿电容C一般放在匹配变压器高压侧，在提供无功容量一定时，可大大降低电容值，当然，这需综合考虑所选电路形式、变压器和电容的市场售价而定。

——为适应多种负载，匹配变压器应设计成多抽头变压器，但抽头数量受变压器结构的限制，对负载的调节有限，难以做到最佳匹配。随着频率的增加，多抽头变压器的设计更加困难。

——随着铜价的上升，变压器造价会不断上升，而电容价格随着电容生产技术的发展有下降趋势，另外利用匹配变压器进行负载匹配须考虑其寄生元件的影响（漏抗、寄生电容），变压器铜损的存在也会降低电源效率，所以进行负载匹配时应首选静电耦合方法。

——匹配变压器可以起到电气隔离的作用。

3.2 串联谐振电路负载匹配方法

通过对串联谐振电路负载特性的分析可知，串联谐振电路等效阻抗只与等效电阻R有关，改变等效电路中电容和电感值不影响等效阻抗，这一特性大大限制了串联谐振电路的负载匹配措施。

3.2.1 改变感应器与工件的耦合

在并联谐振电路匹配电感的方法中已经提到，改变感应线圈与被加热工件间的耦合程度可以改变等效电阻，此法也适用于串联谐振电路阻抗匹配。

3.2.2 负载串接

当负载阻抗小时，将数个完全相同的感应线圈和被加热工件串接起来可以增大负载等效阻抗。

3.2.3匹配电容元件

图9（a）为匹配电路，该电路仍工作于串联谐振状态，即谐振时并联部分相当于感性负载，图9（b）为图9（a）的等效电路，其中可见，Cs的加入影响串联谐振电路等效电阻，从而影响串联谐振电路等效阻抗。在一定频率下负载的感性无功功率一定，工作在谐振状态的容性无功功率等于感性无功功率，所以要求补偿的容性无功功率容量也是一定的，Cs的加入只是分担了一部分容性无功功率，不会因增加无功功率容量而增加成本。

3.2.4 匹配变压器

串联谐振电路受其电路形式的限制，匹配方法单一，所以在实际应用中，串联谐振电路一般利用匹配变压器实现负载匹配。利用变压器进行负载匹配的研究与并联谐振电路类似，不同的是串联谐振属于电压谐振，匹配变压器位置不同所承受电压不同。图10所示电路中匹配变压器原边为谐振电压，对匹配变压器绝缘要求较高。而图11所示电路中匹配变压器承受电源电压，可以降低绝缘要求。

4 结语

串联谐振电路的特性决定改变等效电容和电感值不能改变谐振状态的等效阻抗，静电耦合负载阻抗匹配方案中许多不适用于串联谐振电路，串联谐振电路一般采用匹配变压器进行负载匹配。