（电气工程专业论文）特高压电器局部放电和交流耐压试验装置的研究与开发.pdf

硕十学位论文 摘要 随着电力负荷的快速增长，远距离、大容量输电急需增加超高压、特高压电 网。特高压电器是电网中重要组成部分，对特高压电器进行交流耐压和局部放电 试验是一项有效的检验方式。本文以研究和开发特高压电器交流耐压和局部放电 试验装置选题，具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文综述了国内外特高压电器交流耐压和局部放电试验装置的现状，分析了 不同类型的特高压电器设备的特性。以武汉高压研究院特高压试验基地的1 0 0 0 k v 变压器的试验数据为参考，提出了特高压电力变压器的交流耐压和局部放电试验 方法和试验回路原理图；在研究分析特高压g i s 装置特性的基础上，提出了采用 变频串联谐振的方法获取高电压进行试验；论述整个装置中的变频电源和高压电 抗器的设计方法，采用现代大功率电力电子器件实现变频高压功能，论述了三极 管并联放大方式可以输出超大功率，满足试验需要；针对特高压电器的交流耐压 和局部放电试验装置的一些特殊要求，提出了采用变频电源直流保护方式实现安 全控制的模式，采用负反馈回路保证了试验中电压稳定度：为了减小局部放电对 测量的影响及电子元件发热量的问题提出了解决方案。 本文通过对7 5 0 k v 电压等级超高压电器的交流耐压和局部放电试验数据分 析说明了本文设计特高压电器局部放电和交流耐压试验装置方案的合理性，证明 了此装置工作的可靠性高、安全性好、实用性强，具有良好的应用前景。 关键词：特高压；交流耐压；局部放电；变压器：g i s 装置；电力电子 a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo fl o a d ，t h e n e e d e df o rl o n g d i s t a n c e ， l a f g e c a p a c i t y u l t r a h i g hv o l t a g e ( u h v ) g r i di se a g e r l y p o w e rd e l i v e r y u h ve q u i p m e n t sa r e i m p o r t a n tp a r t so fg r i da n di t h a sb e e np r o v e da sa ne f f i c i e n ti n s p e c t l o nm e t h o dt o a p p l ya cv o l t a g ew i t h s t a n dt e s t ( a c v w t ) a n d p a r t i a ld i s c h a r g et e s t ( p d t ) o nu h v e q u i p m e n t s t h i sp a p e ri n c l u d e ds t u d ya n dd e s i g n0 fa na p p l i a n c e w h i c hc a n b eu s e d i na c v w ta n dp d to nt h eu h ve q u i p m e n t s ，h a sb o t ha c a d e m i cs i g n l f i c a n c e a n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n v a l u e t h i sp a p e rs u m m a r i z e d9 1 0 b a l r e s e a r c hs t a t u so “h i s k i n dt e s t l n ga p p l l a n c e ， a n a l v z e dc h a f a c t e r i s t i c s o fd i f f e r e n tt y p e u h ve q u i p m e n t s r e f e r r e dt 0t h e 1 0 0 0 k v t r a n s f o 珊e rt e s t i n g d a t af r o mu h vt e s t b a s e o fw u h a nh i 曲v 0 l 。a g e r e s e a r c hl n s t i t u t e ， at e s t i n gm e t h o da n daw i r i n g s c h e m a t i cd i a g r a m a r eb o t n p r o p o s e d ，w h i c ha r ea p p l i e di na c v w t a n dp d to nu h ve q u i p m e n t s b a s e do n a n a l v s i so fu h v g i se q u i p m e n t sc h a r a c t e r i s t i c s ，am e t h o do fv a r i a b l e f r e q u e n c y ( v f 。) s e r i e s r e s o n a n c ei ss h o w n ，u s e dt og e th i g hv o l t a g ef o rt h et e s t d e s i g n i n gw a y o fv f s o u r c e ，h i g h v o l t a g er e a c t o ri nt h ew h o l ee q u i p m e n ta n da p p l y i n gm o d e m h l g h p o w e r e l e c t r o n i c st oc h a n g ef r e q u e n c y0 fh i g hv o l t a g eh a v eb e e nd i s c u s s e d i ti n d i c a t e d t h a t t r i o d e p a r a l l e l - m a g n i f i c a t i o nc a np f o d u c eh u g ep o w e r t 0s a t i s f yt h en e e d so tt e s t f 。0 r t h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so ft h et e s t i n ga p p l i a n c e ，am o d e o fs a f e t y 。c o n t r o la p p l i e dv f s o u r c ed cp r o t e c t i o ni sp r o p o s e d ，a n dn e g a t i v e f e e d b a c kl o o p i sa l s oa d o p t e dt o g u a r a n t e es t a b i l i t yo ft h et e s t i n gv o l t a g e s o l u t i o nm e t h o d sa r e9 1 v e nt or e a u c e i n n u e n c e0 fp a r t i a ld i s c h a f g ea n dg e n e r a t i n g h e a to fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t s o nt n e m e a s u r e m e n t t h i sp a p e r h a sp r o v e dt h er a t i o n a l i t yo ft h et e s t i n ga p p l i a n c eb ya n a l y z i n gt h e d a t af r o ma c v w ta n dp d to n7 5 0 k v 二u h ve q u i p m e n t s ，d e m o n s t r a t e d n sm g h s t a b i l i t y ，g o o ds e c u r i t y ，s t r o n gp r a c t i c a b i l i t ya n dg o o dp o t e n t i a l l na p p l l c a t l o n k e yw o r d s ：u l t r ah i 曲v o l t a g e ；a cv o l t a g ew i t h s t a n d ；p a r t i a ld i s c h a r g e r a n s f o 哪e 。； g i se q u i p m e n t ； p o w e re l e c t r o n i c s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 讳耸 日期：g 年歹月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：褊咩 导师躲冈嘲厦 日期：垆o g 年歹月哆日 日期：妒g 轲月哆日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1论文研究的背景与意义 随着我国经济发展的不断增长，对于能源的需求也在增加。为了满足用户对 电能的需求，电力系统的发展已经从发电厂向负荷中心转移。新电厂开始建在负 荷中心的附近，逐步越来越远，电力系统的复杂性也随之增长。工业化国家的电 力系统增长为区域性电网，接着扩大为国家电网，最后成为采用高电压等级的大 的国际性互联电网。由于我国资源分布的不平衡，超远距离输电成为必然的选择。 交流系统电压从上世纪初的2 2 k v 发展到现在的1 0 0 0 k v 特高压，为我国经济发展 提供了充沛的电力资源。 特高压电网建设在我国还是一个新鲜事物，我国计划在建设第一条特高压商 业运行线路( 晋东南一南阳一荆州) ，目前已经有一条特高压试验线路在运行。在 国际上，也只是在极少数国家有特高压商业线路。在特高压系统中，电气设备是 它的核心部分，电能的顺利传送有赖于其稳定可靠的运行。电气设备的生产部门 在电气设备出厂时进行了严格的测试，由于设备体积大，必须分解成小的单元运 输到工作场地，现场组装。因此在现场对于电气设备进行测试就显得非常重要， 一方面需要检查安装是否正确，另一方面检查运输中设备是否破损或者受潮等情 况发生。 电气设备的局部放电和交流耐压试验是反映电气设备绝缘状况的一种很有效 的手段，局部放电试验用于测试电气设备在超过运行电压下的局部放电水平，能 够准确反映电气设备的健康状况和老化程度；交流耐压试验反映电气设备的耐受 过电压的能力和在正常运行情况下的电压耐受水平。特高压的电气设备尤其需要 测试这两项参数。论文针对特高压电器设备的局部放电试验和交流耐压试验进行 了研究和开发，以为我国特高压电网的建设做出贡献。 1 2交流耐压试验和局部放电试验主要研究内容 对特高压电气设备进行交流耐压试验和局部放电试验，突出需要解决如何获 取超过特高压电压的高电压电源。这也是论文研究与开发的重点。 获取超特高压电源，目的是使特高压电器在短时间内承受超过额定电压的水 平，考核其承受过电压的水平。由于特高压电网输电线路长、容量大，内部过电 压及潜供电流问题更加突出。 本次论文突出解决的问题有三个方面。第一方面，由于总电源来自低压配电 特高压电器局部放电和交流耐压试验装置的研究与开发 电源，需要解决将配电电源转换为可以控制的大容量试验低压电源，该电源具有 调频调压功能，而且没有高频干扰；第二方面，需要一个升高电压的装置，将低 压电源升高到试验需要的电压；最后是测量部分，测量试验电压、电流、局放水 平、频率等等参数。 图1 1 解决问题的流程图 1 3目前同类型的装置发展状况 由于目前全球范围，只有在中国正在建设的特高压的运行线路。其他国家只 是处于试验阶段，相应的特高压电器的试验设备很少。已知的有德国h i g h v o l t 公司的无局放串联谐振试验系统和美国h i p o l 汀公司的中频发电机组能够进行交 流耐压和局部放电试验【1 1 。 在中国国内，大多数采用发电机组配合串联谐振试验系统来进行交流耐压和 局部放电试验。还没有将特高压电器的交流耐压和局部放电试验使用一种装置的 情况。 1 3 1 无局放串联谐振试验系统的特点 h i g h v o l t 公司的无局放串联谐振试验系统，利用调频的方式使系统的电感 和电容达到最佳谐振点来获取高压，其调频电源为脉宽调制( p w m 方式) 波， 价格低，体积轻巧。其中，供给电源的容量只是试验回路的几十分之一，现场试 验非常方便。同时，在试验回路中，电感和电容起到滤波的作用，将调频电源输 出的脉宽调制波进行试验回路输出为平滑的正弦波。通过先进电子选频电路( 1 3 j ， 达到无局放干扰的试验环境。 由于特高压电力变压器的局部放电试验和交流耐压试验是在低压侧加压感应 的方式来完成。无局放串联谐振试验系统的方式目前还无法进行变压器的试验。 同时生产工艺要求严格，试验设备内部回路设计要求进行电磁兼容试验。同时， 2 硕士学位论文 通过电子选频的方式来进行无局放干扰，还存在一定的争议【8 】。在进行交流耐压 和局部放电试验时，装置的发热问题也很突出。 1 3 2 中频发电机组的特点 中频发电机组的方式是利用调整励磁机的电流和转子的转速来控制输出高于 工频的频率，大多数的频率为1 5 0 2 5 0 h z 。目的是进行电力变压器的交流耐压和 局部放电试验时防止被试品出现饱和现象【4 1 。中频发电机组通过市电来作为供给 电源，输出一个固定的频率的大功率的电源。在频率的转换中没有开关状况发生， 输出很平滑，相应的没有局部放电干扰存在。 。由于输出单一频率，中频发电机组只能够满足特高压电力变压器的交流耐压 和局部放电试验，通过在变压器的低压侧加压，特高压变压器的高压侧感应出高 压。无法进行其他特高压电器的交流耐压和局部放电试验。相对于变频电源装置， 中频发电机组的体积大，生产成本高，生产周期长，运输不方便等缺点。同时， 在进行交流耐压和局部放电试验时，当输出补偿的电抗器和被试品的电容器达到 完全补偿时，会出现自激现象【5 l ，输出电流异常过大。严重时，将会影响到被试 品的安全。 1 3 3 我国目前同类装置的情况 早期此类设备主要有中频发电机组、倍频发电机组、三倍频电源等。这些设 备通过发电机组产生试验所需电源，并且使用一个拖车运输到现场，因此具有很多 缺点： ( 1 ) 体积大，运输相当不便，不适合现场工作； ( 2 ) 启动电流很大，对于现场的电力电源要求很高； ( 3 ) 频率不能任意调节，只能通过预先设置，很难达到理想的谐振点； ( 4 ) 设备维护工作量大。 由于有这些自身难以克服的缺陷，在电力系统中现场进行高压试验需要的电 源问题尤为重要。 1 4 课题研究装置的特点 本研究课题中涉及的变频电源可以有效解决这些问题，主要表现在：没有启 动电流问题、体积小、适于现场工作、频率可以任意改变，且带电情况下连续可 调、有利于查找谐振点。 。 升压系统采用串联谐振方式进行升高电压，其主要特点，获取高压方式简单， 效率高，一般的品质因数在5 0 以上。当发生被试品击穿时，其谐振回路被破坏， 不会造成过电压或者过电流。同时试验回路的各个组成元件可以采用分级绝缘方 3 特高压电器局部放电和交流耐压试验装置的研究与开发 式，可以降低单个元件的重量，方便运输和电力现场组装。 相应的测量电压单元采用电容分压的方式，并且将整体测量单元分为多个部 件来组装形成一个整体，方便运输和现场组装。每个部件均有均压环来防止电晕。 由于被试品的容量大，受外界干扰小，相对于其他电压等级的高压系统，局放水 平的测量就相对简单。 1 5主要的技术要求及完成的主要工作 由于前面所述的目前实验装置不可克服的缺点，研究开发一种特高压电器交 流耐压和局部放电试验装置很有必要。针对现场进行的高压电气设备的绝缘试验 所要求的技术性能。此次课题中的变频电源设计时就要考虑到实用性原则，同时 还要考虑到产生经济效益，并且能够产品化。 1 5 1 高压试验用大功率变频电源设计的技术参数要求 针对现场高压试验项目中研究开发的变频电源必须满足以下的技术参数要 求： ( 1 ) 变频电源的输出功率为适应大容量变压器需要，其输出功率应到达 8 0 0 k w 。例如：一台型号为s p f z 5 0 0 2 5 0 0 0 0 5 5 0 的5 0 0 k v 变压器，低压侧额定 电压为3 5 k v ，空载损耗为1 6 5 k w 。相应的1 0 0 0 k v 的变压器需要的电源功率很大， 并且考虑一定的容量裕度。 ( 2 ) 为适应局部放电试验需要，变频电源的输出电压波形应为标准正弦波。 根据现场试验经验，输出波形的失真度小于2 ，才能满足试验需要，同时输出 电压中的高频信号引起的局部放大干扰应不大于5 0 p c 才能够可靠的进行试验， 使测量的资料更加准确，排除变频电源的干扰。 ( 3 ) 变频电源的频率调节范围应符合国家规程，在3 0 3 0 0 h z 内且能够连续 可调。 ( 4 ) 高压串联谐振回路的主要单元电抗器设计无局放和无电晕，并且方便运 输和现场组装。 ( 5 ) 当试验中出现故障，例如被试品被击穿，变频电源要求具有快速准确的 保护能力，一方面要求保护被试品，另一面要求保护自身。 【6 ) 该变频电源的结构设计合理，考虑到需要运输到现场，特别是运输到山 区，要求轻便：同时还要考虑高原地区、寒冷地区、潮湿地区等地理因素带来的 影响。 “ ( 7 ) 该变频电源的操作简便，试验回路简单，而且要求能够远距离控制，通 高压回路隔离，保证人身安全。 ( 8 ) 测量系统要求其测量精度误差在2 ，局放分辨率在1 0 p c 以下，同时不 4 硕士学位论文 能够产生附加的干扰。 ( 9 ) 中间升压变压器也是其中重要的一个单元，设计时必须确保无电晕干扰、 无局放干扰。 1 5 2 完成的主要工作 ( 1 ) 完成高压试验用大功率变频电源的硬件原理图的设计。本次课题中，在 大量查找文献基础上，并且结合工程实际情况。设计出该变频电源的硬件原理图， 采用大功率的三极管并联运行，实现功率放大；通过逐级放大，将一个可调节频 率的正弦波信号放大，实现调频过程；在回路通过多种负反馈形式，使得输出的 标准正弦波电压波形得以修正，达到设计要求；采用高压高频电容，减小该变频 电源输出的电压对局部放电试验的干扰；利用快速可控硅的快速关断，实现保护 动作可靠、快速、准确；解决大功率电力电子组件发热量大问题，采用良好的通 风和散热措施。以上部分是实现大功率变频电源所需要解决的重要难点。 ( 2 ) 设计出特高压电器交流耐压试验和局部放电试验用超特高压的高压电 源。该部分主要由多个电抗器和中间升压变压器组成，电抗器的设计是主要部分， 采用空心线圈来绕制，用于降低其内部局部放电水平。在线圈的端部均有均压措 施，在每个部件有均压环。同时考虑到变压器局部放电试验时间长，电抗器的发 热问题也是一个难点。中间升压变压器，需要考虑不同被试品的电压需要来，还 必须具备自身的无局放干扰、无电晕干扰。 ( 4 ) 设计出特高压电压测量单元和局部放电测量单元。电压测量单元采用电 容分压器，电容分压器用多个部件串联组成。电容分压器的电容量决定了测量的 精度，设计的精度为2 ，该精度完全能够满足工程现场测量使用。设计局部放 电测量单元，方便局放仪进行局放测量，为局部放电测量提供一个纯净的测量环 境。 ( 5 ) 对于整套装置进行系统性的调试，并进行模拟测验。将设计出的整体系 统进行整体调试，在整体调试中，先进行装配，并且每个环节之间的连接是否合 理。考虑电力工程现场使用的环境，整体单元必须有一定的防潮，防风的能力。 整体模拟测验时，采用大电容试品来进行。 5 特高压电器局部放电和交流耐压试验装置的研究与开发 第2 章特高压电器交流耐压和局部放电试验原理研究 本次论文涉及的特高压电器主要指：变压器、高压断路器、电流互感器、电 压互感器。其中变压器的施加电压的方式利用自身的变比，在变压器的低压侧加 压，高压侧感应高压的方式来完成。对于高压断路器、电流互感器、电压互感器 大多数被集合在金属密封的g i s 装置中，其加压的方式采用串联谐振方式来进行。 下面针对不同的电气设备进行试验时进行原理分析，变压器作为一种情况，对于 高压断路器、电流互感器、电压互感器等作为g i s 装置来说明，不在单独讲述。 2 1特高压电力变压器的交流耐压和局部放电试验装置分析 对于特高压电力变压器进行交流耐压试验和局部放电试验，采用低压感应加 压的方式进行，对于每个绕组匝间的绝缘均进行了考核。首先必须了解特高压电 力变压器的相关特性，针对这种方式进行特殊的试验。 2 1 1 特高压电力变压器的特点 电力变压器是利用电磁感应原理，将一个等级的交流电压和电流变成频率相 同的另一个等级或几种不同等级的电压和电流的电器。在工频附近时，特高压变 压器整体相当于一个大电容i 粥，试验时就必须克服其电容电流，采用的方式是在 变压器的低压侧进行补偿的方式。 作为特高压的变压器其作用是将不同电压等级的输电线路和设备连接成为一 个整体，在特高压设备中的地位很重要。它由一个或者几个绕组套于铁心上制成， 本身又具有电抗的特性，在试验时，可以根据情况，调整试验的频率，利用自身 的电感和电容达到相互补偿的特点。对于变压器不同绕组间通过磁链的耦合，使 电能得以在不同的电回路中传递，以实现传输和分配电能的目的。 构成电力变压器的基本元件是绕组和铁心。特高压电力变压器的绕组一般都 是纠结式【2 4 1 。它是一种线匝之间的交叉连接的特殊连续式绕组，其线段中相邻的 两个线匝并不直接串联，而是间隔几个线匝再串联，以增大纵向电容，改善雷电 冲击波作用下绕组上的电位分布，从而提高电力变压器的耐雷冲击能力。进行交 流耐压试验就是检查其耐受的过电压冲击的水平。 当特高压电力变压器并联导线的根数较多时，有时也将各根导线互相之间交 叉排列，称之为插花纠结式绕组。铁心是由芯柱、铁扼和夹件组成的电力变压器 的主磁路，也是电力变压器器身的机械骨架。铁心采用彼此绝缘的薄硅钢片叠积 而成，铁心结构形式分为芯式和壳式两种。芯式变压器中通常采用单相二柱式和 6 硕j l 学位论文 三相三柱式铁心。大容量变压器由于受运输高度的限制，有的采用单相四柱( 二 柱旁扼式) 铁心，单相单柱旁扼式铁心和三相五柱( 三柱旁扼式) 铁心。壳式变 压器制造工艺复杂，但具有机械强度高、漏抗少、运输高度低和耐冲击性能好等 优点，超高压大容量及特殊用途的变压器中也有采用壳式结构的。 变压器是特高压变电站中最重要的设备之一，考虑到它在系统中所占的重要 地位，对其可靠性提出很高的要求。特高压电力变压器的特点如下： ( 1 ) 容量很大，一般三相容量都在1 0 0 0 m v a 以上，甚至达到几千兆伏安。 ( 2 ) 绝缘水平高。基准绝缘水平( 雷电冲击绝缘水平) 高，一般在1 9 5 0 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 2 2 5 0 k v 之间或更高。 由于容量大和绝缘水平高，其重量与体积必然很大。 设计和制造时需要考虑运输的条件，一般为单相结构。 由于容量大，变压器的绕组对地的电容量大，试验需要补偿电感电流就 大。 由于绝缘水平高，相应的工作电压高，低压侧电压水平高( 一般为 1 1 0 k v ) ，试验时加压电压就相应高( 1 7 0 k v 左右) 。 特高压电力变压器可靠性的要求高，需要考虑近年来超高压电力变压器运行 中出现过的问题，如油流带电、g i s 中特快速瞬态过电压引起变压器绕组的损坏 等。一般在研制中首先用1 ：1 的原形样品进行专门研究。在制造中采用合理的绝 缘水平和成熟的新技术，以达到优良的性能和较低的造价和重量。 特高压电力变压器一般为单相结构【2 4 1 ，它的额定容量要根据系统的要求、制 造厂设计和制造能力以及设备运输、现场组装的条件进行综合平衡。由于特高压 电力变压器两个绕组之间的绝缘较厚，其短路阻抗都较高，一般都在1 5 左右。 在特高压变电站中都采用在靠近变压器的位置按照避雷器保护，变压器的操 作过电压和雷电冲击试验电压的取值一般比开关类设备低。在试验中应该将特高 压电力变压器同避雷器分离，防止在加压中发生避雷器动作等情况。 另外，特高压电力变压器多数采用自耦变压器，中性点直接接地，其绝缘都 很低。进行外施工频耐压试验时，由于中性点能够支撑的电压较低，绕组感应的 电压又不能够高于工作电压的一倍。如果外施工频电压试验电压较高，往往不能 够导电该试验电压。因此，工频电压试验中增加1 小时的长时间试验，以模拟长 时间的运行状况，同时测量设备内部的局部放电量，要保证在运行中不会又局部 放电而发展到闪络或者击穿。 2 1 2 特高压电力变压器交流耐压和局部放电试验回路分析 由于特高压电力变压器交流耐压试验和局部放电试验采用低压加压，高压电 磁感应的方式实现升高电压的方式。图2 1 所示。 7 其组成部件主要由：大功率变频电源、中间升压变压器、补偿电抗器、测量 电容器、局放仪、控制单元组成。每个单元的具体功能将在第3 章中详细介绍。 图2 1 特高压电力变压器交流耐压和局部放电试验接线图 以在武汉高压研究院进行的国内第一次特高压电力变压器交流耐压试验和局 部放电试验( 见表2 1 ) 来说明本次论文涉及的接线图。 表2 1 国内首台1 0 0 0 k v 特高压电力变压器交流耐压试验和局部放电试验回路参数 8 硕上学位论文 续上表 在进行试验中，按照标准g b l 0 9 4 3 2 0 0 3 ，先进行长时问交流耐压试验的同 时检测局部放电量，并且分段进行了交流耐压试验和局部放电试验测量。对每个 段的测试数据如表2 2 所示。 表2 2 国内首台特高压电力变压器交流耐压和局部放电试验数据 试验电压在1 1 u 。时 电源电压 电源电流 被试品低压侧电流 测量的局部放电水平 补偿电抗器电流 被试品高压侧电流 3 9 5 v 4 2 1 a 1 5 a 5 0 p c 1 1 a 0 2 a 试验电压在1 3 1 u 。时 电源电压 电源电流 被试品低压侧电流 测量的局部放电水平 补偿电抗器电流 被试品高压侧电流 通过以上数据说明，利用本次设计的试验回路，通过较小的电源容量就能够 完成特高压电力变压器的交流耐压和局部放电试验。针对目前规划中的商业运行 特高压线路，其容量比试验线路大很多，进而在此次试验数据上提供设计的容量 参数依据。 由于商业运行线路与试验线路的差别在于容量大小，测量局部放电水平的高 低同电压有直接的关系。容量的大小只是决定了试验电源的容量，试验的目的是 测量被试品的绝缘状况。 9 姒 蛳姒 呲 特高压电器局部放电和交流耐压试验装置的研究与开发 2 1 3 特高压电力变压器的交流耐压和局部放电试验程序分析 线本次论文依据标准g b l 0 9 4 3 2 0 0 3 中相关要求来执行，其中检查变压器绝 缘状况是一个重要的环节。对于全绝缘和分级绝缘的短时感应耐压试验( a c s d ) 。 在进行a c s d 试验时要进行局部放电测量，试验时测量局部放电可以显示绝缘在 发生击穿之前的缺陷。以验证变压器在运行条件下无局部放电。 在变压器一个绕组的端子上施加交流电压，其波形应尽可能接近正弦波。为 了防止试验时励磁电流过大，试验时的频率应适当大于额定频率。应测量感应试 验电压的峰值【3 1 1 ，试验电压值应是测量电压的峰值除以i 。除非另有规定，当试 验电压频率等于或者小于2 倍额定频率时，其全电压下的试验时间应为6 0 秒。当 试验频率超过两倍额定频率时，试验时间应为1 2 0 粤( 如为工频频率，厂为试验频 l 率) ，但不少于1 5 秒【2 4 1 。 相间试验电压应在规定范围内，由于特高压电力变压器大多采用单相结构， 相间的绝缘就完全能够满足设计需要。单相变压器只要求进行相对地试验，本试 验通常是在中性点端子接地的情况下进行的。施加电压的时间和顺序按照图2 2 来执行。 图2 2 特高压电力变压器交流耐压和局部放电试验程序和电压值 试验程序如下： ( 1 ) 当电压小于1 3 u 2 ，电源关合； ( 2 ) 当电压升高到1 1 u m 压( u m 为最高线电压) 时，持续时间a 为5 m i n ； ( 3 ) 当电压再升高到u 2 ( u 2 = 1 5 u m 历) 时，持续时间b 为5 m i n ； ( 4 ) 当电压再升高到u 3 ( u 3 = 1 7 u m 石) 时，持续时间c 为1 m i n ； ( 5 ) 当电压降低至u 2 ，并测量局部放电时，持续时间d 为6 0 m i n ； ( 6 ) 当电压降低至u l ( u l = 1 1 u m 石) 时，持续时间e 为5 m i n ； ( 7 ) 当电压再降低至1 3 u 2 时，断开电源。 1 0 硕上学位论文 在巩下的长时间试验期间，局部放电量的连续水平不大于5 0 0 p c ；u l 的持 续时间，i e c 规定的时间为1 分钟。 特高压变压器的励磁电流涌流计算为 以蹦) = 腆) ，o ) ) = 扭厂p 冲f 子) 打 ( 2 1 ) 通过采用小波计算的方式来对特高压变压器的励磁电流的涌流来进行估计。 相应的作为小波基函数，对于的滤波器系数。 目前，用于局部放电检测的小波去噪方法主要有模极大值法和阈值法两大类， 前者实现过程比较复杂，重构信号误差较大。后者算法简捷，在局部放电检测去 噪中应用较多。在采用阈值法去除局部放电脉冲混叠的背景噪声时，由于基小波 和阈值的选择直接影响信号的畸变，因此，最优基小波和阈值的选择是解决小波 噪后局部放电脉冲信号畸变及幅值误差的关键问题。 论文分析了局部放电信号与白噪声在小波域上的分布差异，针对小波域值法 中最优基小波去噪算法。该算法在信号分解各尺度上选择与局部放电脉冲最匹配 的小波进行信号的分解和重构，依据各尺度分解信号能量和现场实测信号具有良 好的去噪效果，去噪局部放电脉冲波形畸变和幅度误差明显低于传统的小波域值 法去噪结果。 变压器局部放电在线监测信号中的白噪声主要包括各种随机噪声、线路及其 变压器绕组的热噪声、信号采集系统及信号传输通道产生的热噪声。理想白噪声 在时域和频域都服从随机分布，可用一个均值为o 、方差为常数的正态分布高斯 随机信号模拟。白噪声的各尺度细节信号能量随尺度增加而减小，当分解深度增 加一层时，该尺度细节信号能量降低5 0 ，即各尺度白噪声细节信号能量与分解 尺度有1 2 关系。 局部放电脉冲是一种瞬态信号。在线监测系统实测的局部放电脉冲信号与局 部放电自身波形、变压器绕组传播特性以及传感器相应特性有关。局部放电脉冲 可采用指数衰减波形函数s 1 和衰减震荡波形函数s 2 两种模拟： s j ( f ) = a ( e 叫，f e 叫厅2 )( 2 2 ) & ( f ) = a ( e 叫一1 s ( “一叻一e 叫厅2c d s 5 f ，)( 2 3 ) 式中a 为信号幅度系数，t l 和t 2 为衰减时间常数。 两类局部放电脉冲小波多尺度分解的信号分量与白噪声相反，近视信号包含 了局部放电脉冲的主要能量。 变压器中每一次局部放电都发生正负电荷中和，并伴随有一个陡的电流脉冲， 向周围辐射电磁波。变压器油一隔板结构的绝缘强度比较高，因此，变压器中的 局部放电能够辐射很高的频率的电磁波，最高频率可达g h z 【1 2 l 。 采用超高频检测技术通过接收变压器内部局部放电所激发的超高频电磁波， 特高压电器局部放电和交流耐压试验装置的研究与开发 实现局部放电的检测和定位，并实现抗干扰。 在所有的局部放电模式中局部放电相位分布应用最广泛，按照要求视在放电 量是在严格的传感器带宽限制与校正要求等条件下得到【1 7 】。现在很多数字化局放 测量方法得到的为放电电流脉冲幅值，与传统局放视在放电量的定义已有差别。 由于放电量本身受众多因素的影响( 如被试品电容大小、耦合电容大小、校正条 件等) ，加上局放测量方法要求( 如带宽限制) 的不统一，使p r p d 模式下试验结 果的重复性较差。 当测量传感器改变使p r p d 模式的图谱变化较大，且抗干扰能力也较弱，虽 然在试验中应用能达到很好的效果，但现场应用却有很多障碍。两次连续的局部 放电是相关联的。即前一次放电对后一次会产生影响，这种影响可以通过它们间 的时间差来表征。 2 2 特高压g i s 装置的交流耐压和局部放电试验装置分析 特高压g i s 装置主要包括特高压断路器、开关、电压互感器、电流互感器、 母线、避雷器等。由于避雷器为非线性元件，在试验中必须同试验回路断开，对 于局部放电的测量采用超高频局放测量方式，局部放电测量在进行交流耐压时进 行。本次论文重点讲述交流耐压试验，先针对特高压g i s 装置的特性进行分析， 然后对试验装置进行详尽分析。 2 2 1 特高压g i s 装置的特点 将变电站的电气元件( 除变压器外) ，如母线、断路器、隔离开关、电流互感 器、电压互感器、母线接地开关、避雷器等全部( 或者大部分) ，用接地的金属密 闭容器密闭在充有高于大气压的绝缘气体s f 6 中的成套配电装置，简称g i s 。充 注的s f 6 密度大小取决于内部灭弧性能的要求1 2 4 1 。g i s 内部元件只有组合在一起 并充以规定密度的s f 6 时才能够运行，才能拆开单独使用。 由于特高压的g i s 面积和体积都很大，采用户内型g i s 的可能性很小。 g i s 内部元件，有的单独占有一个气室，有的几个元件联在一起占有一个气 室。各个气室可以有不同的气体密度。气室内导电部分与金属外壳之间用浇铸瑕 氧树脂绝缘子支撑，气室之间在电气上通过金属连接件连接起来。外壳之间的接 口法兰均经过精密加工，使用耐腐蚀的o 型密封胶圈将高压气体密封在内部。外 壳上一般都安装有安全阀或防爆膜片。 按内部结构不同，g i s 可分为三相共箱型和分箱型。三相共箱型是将三相电 器安装在同一箱体内，用绝缘支架或隔板将其隔开。这种结构可节约金属外壳材 料，并可节省占地。此外，当三相电流同时流过母线时，磁力线在外壳中相互抵 消，可减小涡流损耗。分箱型g i s 中各相电气单独安装在分相的金属外壳内，各 1 2 硕十学位论文 相主回路有独立的圆筒外壳。构成同轴圆筒电极系统，电场较均匀，结构比较简 单，绝缘问题比较容易处理，不会发生相间短路故障，制造方便；外壳数量多， 金属外壳材料增多，密封环节多，涡流损耗大，占地也相应增大。但分箱结构简 单，由于绝缘问题，一般的3 3 0 k v 等级及以上的g i s 都是分箱型g i s 。1 0 0 0 k v 特高压g i s 也都是分箱型。在进行交流耐压和局部放电试验时也是采用单相加压 的方式，其他非被试相接地。 、 g i s 与常规高压电器相比，其优点是： 。 ( 1 ) 可以大幅度缩小占地面积： ( 2 ) 设备带电部分全部密闭在金属外壳内，可避免高电压对环境的电磁污染； ( 3 ) 可防止人员触电伤亡； ( 4 ) 延长设备检修周期，一般在1 0 2 0 年内不必解体大修 ( 5 ) 设备绝缘性能不受大气条件影响耐震性强，能够提高运行可靠性。 对于特高压来说，g i s 的造价高于常规电器。在工程设计上，计及占用土地 面积、施工费用等，g i s 总投资与常规电器投资的比随电压等级的提高而相对降 低，这对于在特高压采用g i s 是有利的。 g i s 运行维护的注意事项如下： ( 1 ) s f 6 气体的密度和潮气进入容器的速度影响g i s 内部绝缘强度，因此要严 格限制漏气率，一般年漏气率小于1 ，而且需要定期检测s f 6 气体中水分含量。 ( 2 ) s f 6 在电场效应和电弧作用下分解成一部分低氟化氢等剧毒性和强腐蚀 性杂质，因此要在g i s 内部放置专用的吸附济，并需要定期处理或更换吸附济。 ( 3 ) g i s 解体检修时，要有保护措施，避免人员中毒，二汽在变电站内要配备 s f 6 气体回收装置及专用工具。 ( 4 ) 运行时，g i s 的金属外壳上可能存在循环电流，导致局部过热，因此在 有关部位要设置高温标志以免灼伤巡视人员。 ( 5 ) g i s 一般需要在现场安装，因此安装后投入运行前要作高电压耐受试验， 以消除内部可能存在的绝缘隐患。耐压试验过程中，需要按一定的程序升压。进 行工频耐压试验时，尽可能应用谐振式试验装置，以免故障电流扩大故障影响部 位。 ( 6 ) g i s 内部残存的金属颗粒极易导致击穿，运行中通常利用声测法、压力探 头法以及局部放电探测法等进行检视，预报可能出现的故障。 ( 7 ) 在过电压保护方面，应采用性能优异的金属氧化物避雷器，以达到较好 过电压保护。 2 2 2 特高压g i s 交流耐压和局部放电试验回路分析 特高压g i s 交流耐压和局部放电试验采用串联谐振的原理来进行试验，将特 特高压电器局部放电和交流耐压试验装置的研究与开发 高压g i s 设计为一个对地电容的被试品，7 5 0 k v 电压等级的g i s 对地电容为 5 0 p f m 。 7 图2 3 特高压g i s 装置交流耐压和局部放电试验接线图 试验回路主要组成部分是：变频电源、升压变压器、高压电抗器、电容分压 器组成。其中变频电源和升压变压器可以同变压器交流耐压和局部放电试验装置 相同；高压电抗器有多个电抗器串联而成，试验所需要的电压为1 1 0 0 k v ，试验电 压分配到每个电抗器，这样每个单元的电抗器体积就小。 每个单元的参数如下： 1 变压器 型号：z b 一8 0 0 额定频率：5 0 h z 3 0 0 h z 额定容量：8 0 0 k v a 输出绕组额定电压：2 2 0 k v 、2 4 0 k v 、2 6 0 l 【v 高压绕组共6 个，全绝缘，可串可并 低压绕组输入电压：2 3 5 0 v 2 4 0 0 v 2 4 5 0 v 单绕组阻抗电压：s 5 ( 5 0 h z ) 电压比误差：o 3 局部放电量： 7 0 允许温升：在额定容量下，线圈温升5 6 5 允许运行时间：额定输出电流下允许连续运行6 0 m i n 。 3 电容分压器 型号：t a