（高电压与绝缘技术专业论文）10kv柱上开关绝缘试验装置的研究与开发.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 捅要 由于现有绝缘设计理论的局限、绝缘材料的分散性等原因，设计开发的高压电气设备绝缘能 否满足技术和标准要求，需要高压绝缘试验进行严格地检验。设备绝缘运行过程中各种不利自然 环境的侵蚀，工作电压的长期作用，内外过电压的短时冲击等会造成其绝缘的逐渐老化变质，需 要定期或不定期地进行绝缘的预防性试验，判断绝缘状况，预测其剩余寿命。因此高压绝缘试验 是高电压技术中的一个重要研究领域，各国对高压电气设备绝缘试验都非常重视，投入大量的人 力、物力和财力进行试验方法、控制策略、保护方案和测量手段等的研究。 按照国家标准和实际运行规范要求，为了保证1 0 k v 柱上高压电器在现场能够安全可靠地运 行，要定期对其进行绝缘的预防性试验。然而，由于试品在柱上运行，传统的试验方法是将它吊 放到地面，运输到试验室( 站) 进行。这样限制了试验的普遍进行，导致绝缘事故时有发生。因 此急需研究和开发便携式工频绝缘试验系统，使1 0 k v 柱上高压电器的绝缘预防性试验能够在运 行现场方便进行。 正是在这种情况下，本文进行了便携式工频绝缘试验系统的研究开发。研究开发中采用了双 电源供电方式，在具备工频交流电源妁场合应用该电源供电，在不具备工频交流电源的场合应用 运输工具( 如汽车) 配备的蓄电池或本试验系统配套的蓄电池供电( 两种供电方式可由用户在现 场选择) ，这样方便在试品运行现场进行其绝缘的预防性试验。应用工频交流电源时，第一个环 节是将其整流成2 4 v 直流电( 与蓄电池输出电压相同) ，然后应用脉冲宽度调制( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 技术逆变成可控制的交流电( 正常情况下是输出电压2 2 0 v ，输出电流1 0 a ，频率是 5 0 h z ) 。逆变后的交流电经过调压器控制输出0 2 2 0 v 可调电压供给试验变压器产生0 5 0 k v 的试验电压施加在试品上考核其绝缘能力。为了确保试验系统满足高压工况、户外运行等情况， 系统采用了有效的抗干扰措施。设计以微芯公司的p i c l 6 f 8 7 3 芯片作为控制、测量和保护中心， 以性能可靠的可编程逻辑器件( c p l d ) 中的e p m 7 0 6 4 模块作为正负脉宽调控中心，e p m 7 1 2 8 s 模块的编程环境采用了m a x + p l u s l i ( m u l t i p l ea r r a ym a t r i xa n dp r o g r a m m a b l el o g i cu s e rs y s t e m ) 开 发系统。试验结果表明该试验系统测量准确、保护完善，可以在现场运行。 关键词：便携式，工频绝缘试验，柱上电器，单片机，d c a c 变换 l o k v 柱上开关绝缘试验装置的研究与开发 t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f10 k vp o l es w i t c hp o w e rf r e q u e n c y i n s u l a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e m a b s t r a c t b e c a u s et h el i m i t a t i o no f e x i s t i n gi n s u l a t i o nt h e o r ya n dd i s p e r s i o no f i n s u l a t i o nm a t e r i a l ， w e a t h e rt h ei n s u l a t e so fh i 【曲v o l t a g ee l e c t r i c i t ye q u i p m e n t sc a ns a t i s f yt h et e c h n i q u ea n d s t a n d a r d sr e q u e s t , w h i c hn e e dc a r r yo ns t r i c t l ye x a m i n a t i o nb yh i 曲v o l t a g ei n s u l a t i o n e x p e r i m e n t f o rt h er e a s o no fe r o s i o no fv a r i o u sd i s a d v a n t a g e o u sn a t u r a le n v i r o n m e n t , t h e l o n g t e r me f f e c t i n go ft h ew o r kv o l t a g ea n dt h e i n s i d eo ro u t s i d eo v e rv o l t a g es h o r tt i m e i m p a c t i n gw i l lm a k et h ei n s u l a t i o ng r a d u a la g i n ga n dc h a n g ei nc h a r a c t e r , i t sn e c e s s a r y p e r i o d i c a l l yo ri r r e g u l a r l yt oc a l t yo np r e v e n t i v ee x p e r i m e n ti no r d e rt oj u d g ei n s u l a t i o n c o n d i t i o n , a n dp r e d i c ti t ss u r p l u sl i f e s oh i g hv o l t a g ei n s u l a t i o ne x p e r i m e n ti sa l li m p o r t a n c e r e s e a r c ha r e ao fh i g hv o l t a g et e c h n i q u e ，a n da l ln a t i o n sp a yag r e a ta t t e n t i o nt oh i 曲v o l t a g e i n s u l a t i o ne x p e r i m e n t ，a n dp u ti nh u g eh u m a n , m a t e r i a la n df i n a n c i a lr e s o u r c e st oe a r l yo nt h e r e s e a r c ho fe x p e r i m e n tm e t h o d s 、c o n t r o lp o l i c y 、p r o t e c t i n gp r o g r a ma n dm e a s u r e m e n t m e a n s a c c o r d i n gt o t h en a t i o ns t a n d a r da n da c t u a lo p e r a t i o nn o r l nr e q u e s t , i t sn e c e s s a r y p e r i o d i c a l l yt oc a l t yp r e v e n t i v ee x p e r i m e n to n1 0 k vp i l l a rh i g hv o l t a g ea p p a r a t u si no r d e rt o c e r t i f yt h eo p e r a t i o ns a f e l ya n dr e l i a b l y h o w e v e r , b e c a u s eo ft e s tp r o d u c to p e r a t i n go nt h e p i l l a r , t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f t h ee x p e r i m e n ti st oh o i s ti to nt h eg r o u n da n dt h e nt r a n s p o r t t 0l a b o r a t o r y w h i c hl i m i t st h ee x p e r i m e n tw i d e s p r e a dc a r r y i n go n , a n di n s u l a t i o na c c i d e n t o c c u rc o n s t a n t l y i t sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp o r t a b l ep o w e rf r e q u e n c y i n s u l a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e m ，w h i c hc a nc a r r yf r e q u e n c yi n s u l a t i o ne x p e r i m e n to nh i g h v o l t a g ee l e c t r i c i t ye q u i p m e n t so fl o k va tt h eo p e r a t i n gf i e l d i ti s a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n dt h a t t h i sp a p e rc a r r i e so np o r t a b l ep o w e rf r e q u e n c y i n s u l a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t w ea d o p tt w op o w e rs u p p l ym e t h o d i nt h er e s e a r c hd e v e l o p m e n t , t h es y s t e mc a r lt a k et h ep o w e rf r o mt h ee x i s t i n gf r e q u e n c y s o u r c e ，b u ta tm o s tf i l e dw h i c hn o te x i s t i n gf r e q u e n c ys o u r c 宅，i ta l s oc a l lt a k et h ep o w e rf r o m a i la c c u m u l a t o rw h i c hf i tw i t ht h es y s t e mo rf r o mt h ec a r r i e rv e h i c l e ，a n dc o n t r o lt h et r a n s i t i o n 沈阳工业大学硕士学位论文 o ft h et w of u n c t i o n t h ed c2 4 vc a r lb ei n v e r t e di n t oa l t e r n a t i n gc u r r e n t sw h i c hc a l lb e c o n t r o l l e db yt h et e c h n i q u eo fp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n a f t e ri n v e r t e da l t e r n a t i n gc u r r e n t s t r a n s f o r m e di n t o0 - 2 2 0 vb yr e g u l m i n gd e v i c e so ft r a n s f o r m e r , t h e np r o d u c eo - 5 0 k v e x p e r i m e n tv o l t a g eb yt e s t i n gt r a n s f o r m e rt oe v a l u a t et e s t i n gp r o d u c t si n s u l a t i o nt h ea b i l i t y t os e c n r et h ee x p e r i m e n ts y s t e m ss a t i s f yt h eh i g hv o l t a g ew o r k i n gc o n d i t i o na n da d v e r s e c o n d i t i o n so fo u t d o o ro p e r a t i o n ，t h es y s t e ma d o p te f f e c t i v ea n t i - i n t e r f e r e n c et e c h n i q u e d e s i g nw i t ht h ep i c l 6 f 8 7 3c h i pa sc o n t r o l 、m e a s u r ea n dp r o t e c tc e n t e r ，a n dp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ( c p l d ) e p m 7 1 2 8 sc h i pa sc e n t e rc o n t r 0 1 p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n to f e p m 7 1 2 8 sc h i pi sm a x + p l u s l i ( m u l t i p l ea r r a ym a t r i xa n dp r o g r a m m a b l el o g i cu s e r s y s t e m ) r e s d to fs i m u l m i o na n de x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h es y s t e m sm e a s u r e m e n ti s a c c u r a c ya n dp r o t e c t i o ni sp e r f e c t ，a n dc a nb ec i r c u l a t e do nt h ef i e l d k e yw o r d s ：p o r t a b l e ，p o w e rf r e q u e n c yi n s u l a t i o ne x p e r i m e n t ，p o s te l e c t r i ca p p a r a t u s ， s i n g l e - c h i pc o m p u t e r , t r a n s f o r m a t i o no fd c a c 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 躲斗粗导师躲骅瞧塑砷：! ， 沈蕊工韭大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 高电压绝缘试验的意义 由于现有绝缘设计理论的局限、电介质绝缘材料的分散性、不利自然环境( 地震、 强风、污秽、霉、雾、露、融雪、潮湿等) 的侵蚀、工作电压的长期作用、内外过电压 的短时冲击，高压电气设备在现场能否满足设计要求，安全可靠地运行，需要经过绝 缘试验i l 2 】进行严格的验证。然而，即使高压电气设备的绝缘通过了实验标准规定的各项 绝缘试验1 3 j ，箕绝缘还一直是设备各个组成部分的薄弱环节。在电力系统所发生的所有 事故中，很大部分都是由于设各或线路的绝缘工作不稳定或遭到破坏所造成的。可以 说，在电力系统中，绝缘事故时有发生。据电力部门统计，由于电气设备绝缘工作不可 靠而引起事故所带来的损失往往远远超过电气设备本身的价值。这样，在高电压技术中， 一方面，要进行绝缘的理论和绝缘设计研究 4 1 ，掌握如何采用先进的技术，选用优良的 绝缘材料，既经济合理又安全可靠地进行设备或线路的绝缘设计1 5 ) ；另方面，要进行 绝缘能力的试验性研究【6 】。各国对高压电气设备绝缘试验都非常重视，投入大量的人力、 物力和财力进行试验方法、试验设备、控制策略、保护措施和测量手段的研究。根据试 验规程，对于新开发或改型后的各种高压电气设备的绝缘要进行严格的型式试验，以确 定其能否投入批量生产；定型以后的产品在出厂前要进行必要的绝缘试验，以确定其能 否出厂；经过运输、安装、调试或检修后的高压电气设备的绝缘，要进行交接( 验收) 性试验，以确定其能否投入运行；运行中的高压电气设备的绝缘，要定期或不定期地进 行绝缘的预防性试验或在线监测，以确定其能否继续投入运行，判断其剩余寿命；输电 线路的绝缘同样需要进行各种绝缘试验【7 】。在商电压技术中，工频绝缘试验是一项非常 重要的试验项目，主要包括绝缘的击穿试验、耐压试验、局部放电试验和外绝缘的干、 湿和污闪试验等。 时至今日，电介质理论及其应用技术还不完善，电介质的性能与其微观结构的关系 仍处于研究阶段；工程绝缘材料( 电介质) 就现阶段的工艺及生产水平，往往会含有一 些杂质，而杂质对绝缘材料的电器性能有很大的影响，导致绝缘材料的绝缘性能具有一 定的分散性，定量的确定该分散性，现阶段具有难度：就电介质本身，无论是天然存在 1 0 k y 柱上开关绝缘试验装置的研究与开发 的，还是人工合成制造的，其组成结构有时会具有某些缺陷，造成绝缘材料绝缘性能的 下降，同样会导致绝缘性能具有分散性；应用多种绝缘材料设计的绝缘结构( 组合绝缘) ， 其绝缘配合及其它的经济与技术是否合理；这些问题都需要应用工频绝缘试验进行研究 和验证。对于新开发或新发现的绝缘材料要依靠工频绝缘试验来了解它的电气绝缘性 能，新的绝缘结构要依靠工频绝缘试验来验证它的绝缘能力，新研制的高压电气设备或 输电线路的绝缘，要依靠工频绝缘试验来考核它的绝缘水平，进行高电压及绝缘技术的 理论研究同样需要工频绝缘试验来验证，因此工频绝缘试验在高电压技术中具有非常重 要和不可替代的地位和作用。 按照国家标准和实际运行规范要求，为了保证1 0 k v 柱上开关在现场能够安全可靠 地运行，要定期对其进行绝缘的预防性试验。然而，由于试品在柱上运行，传统的试验 方法是将它吊装到地面，运输到试验现场进行。由于该方法的不方便，限制了试验的进 行，导致绝缘事故时有发生。因此急需研究和开发便携式工频绝缘试验装置，能够保证 试品的绝缘预防性试验在柱上方便进行。因此进行1 0 k v 柱上开关绝缘试验装置的研究 与开发具有实用价值。 1 2 便携式工频绝缘试验系统的研究应用状况 现阶段，市场上常见的便携式试验电源大多数为直流试验电源，多应用于各种直流 耐压试验。而现阶段对于逆变电源的应用范围也是十分广泛的，如电力机车电源、车载 发电机电源及电焊机等使用【1 1 l 。 文献【9 】中介绍了便携式直流高压试验电源由中频被压整流产生，包括试验系统的主 要组成部分，并且介绍了该方法为目前直流高压试验发展的主要方向。 文献 1 0 l e o 简要介绍了一种用于交流耐压试验的大功率变频电源，并分析了电源的 s p w m 控制原理、电路结构和功能特点。对变频试验电源基本原理、控制系统软、硬件 设计、抗干扰措施均做了简要介绍。 文献【1 1 】介绍了移动式1 2 5 h z 试验电源在大型变压器现场局放试验中的应用情况。 并对该设备的硬件设计、频率选择、过载能力等特点做了介绍。 文献【1 2 】中介绍了车载单相正弦脉宽调制( s p w m ) i g b t 逆变器的基本结构方案， 以车用2 4 v 直流电源为逆变器输入，变换得到5 0 h z 2 2 0 v 交流电。该方案采用中问直 沈阳工、监大学硕士学位论文 流环节的高频变压器式逆变电源系统结构，它由高频逆变、高频变压器隔离升压、整流 滤波、高频s p w m 逆变和输出滤波组成。对逆变器的控制及保护电路也在作了详细的 介绍，并给出试验结果。 文献 1 3 】探讨了一种由正弦脉宽调制技术( s p w m ) 产生正弦波的方法。在试验装 置上利用m o s f e t 管组成的全桥式逆变电路和单片机8 0 c 1 9 6 ，通过查表和在线计算相 结合的方法使输出的s p w m 波形在闭环电路的作用下经滤波后得到频率稳定、波形精 度高的正弦交流电。 文献【1 4 】论述了车载单相正弦脉宽调制i g b t 逆变器的工作原理，介绍了利用集成 脉宽调制器s g 3 5 2 4 产生s p w m 波的方法，设计了i g b t 的驱动与保护电路，给出了输 出电压波形的计算机仿真分析和实验结果。 文献【1 5 】论述了强电离气体放电技术在环保领域应用越来越广泛，而实现该技术的 关键是要有结构简单、稳定可靠的高压逆变电源。针对于此，介绍了一种利用绝缘栅型 场效应晶体管( i g b t ) 器件和脉宽调制( p w m ) 控制制造的高压逆变电源，并论述了 它的设计方法、工作原理及应用。结果表明，该电源满足了介质阻挡强电离气体放电的 工艺要求。 文献【1 6 】根据无轨电车的实际需要和工作条件，设计了一种取代无轨电车直流发电 机的p w m 型高频高压逆变电源。该逆变器工作电压为d c 5 5 0 6 5 0 v 。主电路采用d c a c d c 变换方式，功率变换器为半桥式电路，功率开关管使用i g b t ，采用专用模 块驱动。控制电路使用了脉宽调制集成电路控制器$ g 2 5 2 4 ，逆变器的辅助工作电源由 低压逆变产生。样机在无轨电车上进行了运行试验，结果表明，用高频高压逆变电源代 替直流发电机能解决车上蓄电池充电不足的问题。 文献 1 7 1 给出了一种适合于交直交电力机车的脉宽调制( p w m ) 方案，针对逆变 器开关频率低的特点专门设计谐波优化s p w m 调制方法，提出中间6 0 。过渡方法，实 现了异步s p w m 、同步s p w m 、谐波优化s p w m 以及方波工况间的平滑过渡。该系统 完全由单片微机实现。该篇文章对脉宽调制( p w m ) 在电力机车方面的应用作了较为 详细的论述，同时通过实例讲述了s p w m 波形的生成，一级不同调制模式之间的平稳 过渡，实验结果说明该方法在实际运行中的可行性。 1 0 k v 枉上开关绝缘试验装置的研究与开发 文献 1 8 1 针对目前国内内燃机车空调尚无可靠的逆变电源现状，进行了内燃机车空 调专用逆变电源的研制。叙述了主电路形式的选择和控制电路的设计以及为提高电源性 能所采取的有效措施，目前该电源已在东风4 c 型机车上运用。 经多方资料查询，未见到关于1 0 k v 便携式的交流试验电源的相关文献，而国外也 只有少数相关产品的介绍，但交流便携式试验电源t 1 9 产生的电压范围有限，同时设备提 供的容量不能满足大容量试验的要求。在高压试验室中的工频试验电压一般有两种产生 方法：一种是由试验变压器产生，另一种是应用串联谐振回路产生。前一种方法使用方 便，但试验设备容量必须大于或等于试验对象容量；后一种方法在试验过程中要根据试 品的介质电容大小进行调谐，但设备容量可小与试验对象容量。这两种方法组成试验系 统都需要调压器、试验变压器和控制、测量及保护单元。 由于i e c 一2 4 3 1 规定，电压上升率的选择要使受试材料击穿发生在一定耐压时间内， 否则须马上以一定速率升压，直到击穿为止。国家标准g b 3 1 1 号也规定了各种电压等 级产品的施加电压值和耐受时间。同时对电压测量的准确度，升压速度，施加电压的谐 波分量等均有要求。传统的高压试验设备施加电压值和耐受时间都是人工读数的，升压 也由人工控制，升压速度因操作者而异，其要求往往被忽略。因此近年来随着微电子和 控制技术的不断发展，工频耐压试验开始引进微机监控系统，使电压上升率任意可调， 自动化程度高，易于掌握、操作，功能齐备。微机部分不仅能完成调压、多项数据采集、 实时控制，同时还具备对采集的数据进行处理及显示电压波形曲线等的功能。由于试验 全过程没有人为干预，排除了人为的操作误差和读数误差，试验精度、结果可信度均得 到了大大的提高。配备微机监控的工频耐压试验系统，不仅可以满足日常工频高压电器 和变压器出厂试验要求，同时还可以满足超高压产品的型式试验和研究试验的要求。 由于在国内外公开发表的文献中未搜索到便携式工频绝缘试验装置，因此，进行 1 0 k v 便携式工频绝缘试验装置的研究与开发是开拓型的工作。 1 3 课题设计主要内容 根据国家标准及运行规范对高压试验设备的要求，为了保证1 0 k v 柱上丌关在现场 能够安全可靠地运行，要定期对其进行绝缘的预防性试验。但在实际运行中，由于试品 的工作环境所限，导致试验操作需要大量的人力物力，操作繁琐，消耗大量不必要非试 沈阳工监大学硕士学位论文 验操作时间。本次设计正是针对该试验目前在实际操作中存在的诸多不便因素出发，在 保证试验及设备安全可靠运行的前提下，以提高试验效率和可操作性为目的提出的。 ，3 ，t 技术路线 在本次设计中，将研究开发出一套完整的l o k v 便携式工频试验电源系统。研究开 发中采用了双电源供电方式1 2 0 , 2 “，在具备工频交流电源的场合应用该电源供电，在不具 备工频交流电源的场合应用运输工具( 如汽车) 配备的蓄电池或本试验系统配套的蓄电 池供电( 两种供电方式可由用户在现场选择) ，这样方便在试品运行现场进行其绝缘的 预防性试验。应用2 4 v 直路电时，采用脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术逆 变成可控制的交流电( 正常情况下是输出电压2 2 0 v ，输出电流1 0 a ，频率是5 0 h z ) 。 逆变后的交流电经过调压器控制输出0 2 2 0 v 可调电压供给试验变压器产生0 5 0 k v 的试验电压施加在试品上考核其绝缘能力。为了确保试验系统满足高电压试验各级标 准、户外运行不利条件，设计采用了有效的抗干扰措施，及多项电路检钡4 、保护措施。 设计以微芯公司的p i c l 6 f 8 7 3 芯片作为控制、测量和保护中心，以性能可靠的可编程逻 辑器件( c p l d ) 中的e p m 7 1 2 8 s 模块作为核心控制，e p m 7 1 2 8 s 模块的编程环境采用 了m a x + p l u s l ifm u l t i p l ea r r a ym a t r i xa n dp r o g r a m m a b l el o g i cu s e rs y s t e m ) 开发系统。 在设计完成之后将采用m a t hw o r k s 公司推出的科技应用软件m a i a b 中的仿真工具 箱s i m u l i n k 对本次设计的逆变主系统进行仿真。在仿真成功之后将做出实物样品进行调 制试验，将设计应用于实际正是本次设计的最终目的。 1 3 2 系统构成 本文在进行便携式工频绝缘试验系统的研究与开发中所采用的双电源供电，即在具 有工频电源的场合，应用工频电源供电进行试验；在不具备工频电源的试验现场，应用 配套的2 4 v 蓄电池或运输车辆配备的蓄电池供电。这样，本文便确立了采用单片机为控 制、测量和保护中心，包括两种供电电源的转换电路、直流交流变换电路( 将2 4 v 直 流蓄电池电压转变成2 2 0 w 5 0 h z 交流电压的逆变电路) 、控制电路、保护电路、调压电 路、试验电压输出等环节。其中保护电路包括直流侧过压保护、欠压保护、短路保护、 过载保护和试验电路试品突然闪络时的迅动保护等。在该试验系统的设计时，充分地考 1 0 k v 柱上开关绝缘试验装置的研究与开发 虑了几乎纯容性负载的特点，同时为了使试验电压波形满足试验标准要求，采取了有效 的消除谐波措施。图1 1 是便携式工频绝缘试验系统结构。 图1 i 便携式。l 频绝缘试验系统结构幽 f i g 1 1 s t r u c t u r ec h a r to f p o r t a b l ep o w e r f r e q u e n c y i n s u l m i o ns y s t e m 直流交流变换电路：利用蓄电池供电，直流交流( d c a c ) 电压变换电路是该试 验系统的重要环节。通过d c a c 变换获得满足试验标准的5 0 h z 2 2 0 v 工频交流供电电 源，通过试验变压器升压到试验电压考核试品的绝缘。 辅助电源：在本逆变系统中，控制电路和逆变环节的开关管驱动电路分别需要电压 等级不同的多路直流电源( 士5 v 、士1 2 v 、2 0 v ) ，我们称之为辅助电源。由于反激变换 器具有多路隔离输出的功能，且电路简单、低耗，不需要增加磁通复原电路。缺点只是 输出中含有较大的文波电压，仅适用于1 5 0 w 以下的小功率开关电源。根据本系统对辅 助电源的要求特点，选用反激变换器作为辅助电源的拓扑结构。 保护电路：该部分设计包括过热保护、过载保护，蓄电池保护等，线路电压检测电 路、继电器保护电路等，通过以上保护可实现系统安全、稳定、可靠的运行。 控制电路：设计采用微芯公司的p i c l 6 f 8 7 3 芯片作总体控制，以性能可靠的可编程 逻辑器件( c p l d ) 中的e p m 7 1 2 8 s 模块作为s p w m 波形生成控制。 沈阿1 1 ：业大学硕士学位论文 1 3 3 试验对象介绍 在1 0 k v 配网中应用的柱上开关品种多样，常见的有柱上断路器、柱上负荷开关、 柱上隔离开关，三者之间性能是完全不同的，使用地点方式也有所区别。另还包括柱上 变压器等器件。下面分别对各种歼关做简要的介绍。 ( 1 ) 柱上断路器 功能：主要用于配电线路区间分段投切、控制、保护，能开断、关合短路电流。 1 ) 油浸断路器。油浸断路器是早期的产品，因开断能力差、油易燃、渗漏、易酿 成二次事故而趋于淘汰。 2 ) 真空断路器。真空断路器有箱式、柱式二种，额定电通常为4 0 0 a 、6 3 0 a ，就额 定电流而言两者之间价格相差不大，额定开断短路电流有1 2 5 k a 、1 6 k a 、2 0 k a 。机械 寿命，额定电流开断1 0 0 0 0 次以上，额定开断短路电流次数3 0 一5 0 次，能频繁操作。 按相对地绝缘质来分又可分为油浸绝缘、空气绝缘、s f 6 绝缘。 3 ) s f 6 断路器。s f 6 断路器额定电流为4 0 0 a ，额定开断短路电流一般至1 2 5 k a ， 目前有的厂家已有1 6 k a 产品。机械寿命，额定电流开断1 0 0 0 0 次以上，额定开断短路 电流次数3 0 5 0 次，适合于频繁操作。 ( 2 ) 柱上负荷开关 功能：具有承载、分合额定电流能力，但不能开断短路电流，主要用于线路的分段 和故障隔离。 1 ) 产气式负荷开关。产气式负荷开关是利用固体产气材料组成的狭缝在电弧作用 下产生大量气体形成气吹灭弧，因其结构简单，成本低廉而一度被广泛推广使用。 2 ) 真空、s f 6 负荷开关。与真空、s f 6 断路器外形、参数相似，区别在于负荷开关 不配保护c t 、不能开断短路电流，但可以承受短路电流、关合短路电流，具有寿命长、 免维护特点。机械寿命，额定电流开断次数1 0 0 0 0 次以上，适合于频繁操作。 ( 3 ) 柱上隔离开关 柱上隔离开关主要用于隔离电路，分闸状态有明显断口，便于线路检修。重构运行 方式，有三极联动、单极操作两种形式。 1 0 k v 柱上开关绝缘试验装置的研究与开发 1 3 4 系统的主要技术参数 便携式工频绝缘试验装置具有的功能是：在具有市电条件的试验现场，应用市电供 电进行1 0 k v 及以下电压等级的( 包括柱上开关在内的) 高压电气设备的工频绝缘试验； 在没有室内交流电源条件的试验现场，应用配套的2 4 v 蓄电池( 也可以利用机动车配备 的蓄电池) 提供直流电源，逆变成与市电相同的2 2 0 v 5 0 h z 交流电为高压电气设备的工 频绝缘试验提供试验电源。 便携式工频绝缘试验装置的技术参数： ( 1 ) 输出电压：5 0 k v 士( 5 0 3 ) ； ( 2 ) 输出频率：5 0 h z 士( 5 0 1 0 ) ； ( 3 ) 额定容量：3 k v a ； ( 4 ) 输入直流电压范围：2 2 - - 2 6 v ； ( 5 ) 谐波成分：小于或等于5 ； ( 6 ) 温度范围：士4 0 0 c 。 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 逆变系统结构原理及设计 利用蓄电池供电，直流交流( d c a c ) 电压变换电路是该试验系统的重要环节。 通过d c a c 变换获得满足试验标准的5 0 h z 2 2 0 v 工频交流供电电源，通过试验变压器 升压到试验电压考核试品的绝缘。图2 1 是d c a c 变换电路结构。 d c a c 变换电路采用升压逆变技术，应用高频脉冲方波逆变实现。逆变后得到高频 交流电压1 2 2 2 3 1 ，经过高频脉冲变压器升压得到峰值为3 7 0 v 的交流电压。设计过程中， 为了尽可能地减小试验系统的体积，采用铁氧体铁芯高频脉冲变压器。这样，3 k v a 的 试验容量，高频脉冲变压器的体积将小于硅钢片铁心的十分之一。 升压逆 3 7 0 v 桥式整 3 7 0 v s p w m 逆 + 卜a c2 2 0 v 5 0 h z 变电路流电路 变电路 图2 1d c a c 变换电路结构图 f i g 2 1s t r u c t u r ec h a r to f d c a ci n v e r t e r 桥式整流电路将峰值为3 7 0 v 的交流电压整流为直流电压，该直流电压经过s p w m 桥式逆变电路逆变成5 0 h z 2 2 0 v 工频交流电。在s p w m 桥式逆变电路后，设有滤波电 路，滤除谐波成分，保证供电电源满足试验标准对试验电压波形式的要求。 2 1 直流升压电路设计 设计采用将d c 2 4 v 逆变后升压的方法来实现。常见的单相正弦逆变电源主电路主 要有半桥、全桥、推挽三种结构。下面将分别对半桥式逆变电路、全桥逆变电路和推挽 逆变电路的拓扑结构和工作原理进行分析和介绍。 2 1 1 半桥式逆变电源主电路 半桥逆变式功率转换主电路及其工作波形如图2 2 所示。 当两只开关管t r l 、t r 2 都截止时，若两只电容相等，即o = c 2 ，则两电容中点a 的电压为输入电压的一半，即u c l - 巩2 _ u d 2 。当t r l 导通时，电容。将通过t r l 和变 1 0 k v 柱上开关绝缘试验装置的研究与开发 压器原边n l 放电，同时电源电压砜通过t r l 和变压器原边n l 放电为电容。充电，中 点a 的电位将有所上升；当t r l 导通结束时，两只开关管t r l 、t r 2 又都截止，它们的端 电压又都回到输入电压的一半，即u d 2 。当t r 2 导通时，t r l 截止，e e l - c 1 被充电，o 放电，a 点的电位下降：t r 2 导通结束后，又回到了t r l 、t r 2 都截止的状态。 _ c l 兰三 0 9 5 ； 计算如下： 4 ：! ! ! ! ! ! ! ：g ! ：掣 ：9 2 5 9 岛2 面i 蕊磊& 聂而丽i 矿而：厮5 其中坼卸4 ，7 = 0 9 ，取2 0a e r a 2 查表4 。= 7 1 4 c m 2 ，a 。- - - - 2 8 7 x ( 5 5 2 7 5 ) = 7 8 9 2 5c m 2 所以磁窗口面积a 。与磁芯有效面积a 。的乘积： 4 = a o a 。= 7 1 7 7 8 9 2 5 = 5 6 5 9 c m 2 p = 巧蕞= 而丽丽兰丽毛l o o s 4 观t j ：旦：型生：9 2 5 9 a k 7 7 2 4 0 9 取k = 2 0 3 7 0 。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 逆变子系统电路设计 2 3 ，1 总体设计参数 设计工作的主要内容是：研究开发一套适合于在试品运行现场进行工频绝缘试验的 便携式工频绝缘试验装置。它具有工频试验电压的产生与整定、完善可靠的控制、保护 和测量单元组成的试验系统。 便携式工频绝缘试验装置具有的功能是：在具有市电条件的试验现场，应用市电供 电进行l o k v 及以下电压等级的( 包括柱上开关在内的) 高压电气设备的工频绝缘试验； 在没有市电条件的试验现场，应用配套的2 4 v 蓄电池( 也可以利用机动车配备的蓄电池) 提供直流电源，逆变成与市电相同的2 2 0 v 5 0 h z 交流电为高压电气设备的工频绝缘试验 提供试验电源。 便携式工频绝缘试验装置的技术参数： ( 1 ) 输出电压：5 0 k v 士( 5 0 3 ) ； ( 2 ) 输出频率：5 0 h z 士( 5 0 1 0 ) ； ( 3 ) 额定容量：3 k v a ； ( 4 ) 输入直流电压范围：2 2 2 6 v ： ( 5 ) 谐波成分：小于或等于5 ； ( 8 ) 温度范围：4 0 。c 。 2 3 2 主功率器件的选择 鉴于本系统设计要求3 k v a 的额定容量和高频s p w m 调制方式，故逆变主功率器 件选择绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 。i g b t 综合m o s f e t 和g t r 的优点，具有开关 速度快，输入阻抗高，驱动功率低，过流能力强的特点，目前i g b t 的电流电压等级已 达1 8 0 0 a 1 2 0 0 v ，关断时间已缩短到4 0 n s ，t 作频率可达2 0 k h z ，擎住现象得到改善， 安全工作区域扩大。 本系统交流输入电压设定为3 7 0 v ，所以开关器件的最高耐压值可选为6 0 0 v 。电源 的输出功率也就是变压器的输出功率p 。= 2 k w ，设变压器的效率为9 6 ，电路电流有效 值约为8 7 a ，设定开关器件的电流峰值最大为原边电流最大值的2 5 倍，即电流允许失 1 0 k v 柱上开关绝缘试验装置的研究与开发 真度为2 5 倍，那么开关器件的峰值电流约为2 2 a 。我们根据参数选用合适的i g b t 元 件。 2 3 3 输入侧平波电容器参数设计 电解电容额定直流峰值为4 0 0 v ，目的用于整流滤波作用，参数计算如下： c = r r l ( 2 7 ) 式中r 为输入侧直流电压的脉动的周期，足为直流侧等效负载阻抗，按本系统的额定 功率，晶= 2 k w ，作用在电容上的平均电压= 3 7 0 v ，则 r ：堡：翌：6 8 4 5 q( 2 8 ) 。 足 2 0 0 0 若直流侧是交流电压( 5 0 h z ) 经全波整流后得到的电压，则r = 1 0 m s ，则可得 c = t r l = o 0 1 6 8 4 5 = 1 4 6 1 x1 0 。肛 ( 2 9 ) 由于直流侧采用的是蓄电池电压，实际上t 应小些，则电容值也应小一些，但是考虑到 逆变器的通用性，使之既能满足蓄电池供电又能满足交流电压经过整流的电压供电，我 们取，c = 2 2 0 0 9 f 。采用4 5 0 v 2 2 0 0 心的电解电容，同时在电解电容两端并联一个o 1 心 的高频无极性电容。 2 3 4 输出侧l c 滤波器参数的设计 当逆变器的输出是频率为2 0 k h z ( 1 0 k h z 开关频率倍频) 的s p w m 方波，其基波为 5 0 h z ，还含有低次、高次谐波，谐波主要集中在2 0 4 0 k h z 附近，预使逆变器输出为 标准正弦波就必须设置滤波器。 其截至角频率国= 2 r l ，r 为公称阻抗，在8 0 5 k w ，3 7 0 v 的输出下， r = o 8 x 3 7 0 2 2 0 0 0 = 5 4 7 6 q ( 2 1 0 ) 如果设截至频率为2 0 k h z ，衰减4 被即5 k h ，则有： 三：鲨：旦：3 4 8 6 m h( 2 1 1 ) 缈 万。 c ：i 1 ：去：1 1 6 2 9 f ( 2 1 2 ) r 2 矾r 考虑到变压器的漏感，实际电感取4 m h 即可，电容c 取1 2 p f 。 沈阳工业大学硕士学位论文 电感磁芯采用铝硅铁粉芯，能取得较好的滤波效果，并且损耗小，温升低。电容采用无 极性纸介电容。 2 4d c a c 变换主电路设计 对于电压及电流型交一直一交变频电路( 如图2 5 所示) 。 整流逆变 图2 5 普通电压型交一直一交变频电路 f i g 2 ，5g e n e r a lv o l t a g ea c - d c - a cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc i r c u i t 为了使输出的电压和电流都得到控制【2 9 1 ，变频器通常由一个可控整流电路和一个逆 变电路组成f 3 0 1 ，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路以改变输出频率口1 1 ，这种 传统方式存在着以下缺点： ( 1 ) 输出电压为矩形波，其中含有较多的谐波，对负载有不利影响。 ( 2 ) 用相控方式改变中间直流环节的电压，使得输入功率因数降低。 ( 3