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智能型特高压变频谐振试验电源的研制及工程应用 摘要 高压试验是输电线路投入运行前必不可少的一环，随着特高压电网在我国的 飞速发展，特高压现场试验能否顺利完成显得至关重要。研制出运输方便、适用 于特高压电压等级的特高压试验电源势在必行。目前，我国高压试验电源主要有 高压试验变压器和谐振式交流试验电源，但是由于其体积庞大难以运输、电压等 级不高、不具备快速响应的保护电路，难以满足特高压现场试验的需求。本装置 的研制对我国特高压输电的建设和发展节省开支，实现电网升级具有重大意义。 首先，本文从特高压输电的特点着手，讨论了特高压输电在我国实行的必然 性，然后分析了传统高压试验及其试验电源，同时指出现有试验电源所存在的问 题，随后结合项目实际需求提出了智能型特高压变频谐振电源的设计要求。 其次，在分析设计要求，结合现场实际需求的基础上，本文提出了基于d s p 的新型串联谐振式特高压试验电源的整体结构，并且利用d d s 频率改变技术研 制了波形好，畸变率低的正弦波发生器，通过分析调频、调压的控制算法，提高 了系统的响应速度。针对传统谐振试验电源额定功率小，本文提出了基于桥式功 率放大电路的电源放大柜，其输出功率达到6 0 0 k w ，利用光纤无失真技术，解 决了试验现场电磁干扰大、难以测量反馈电压的问题。 再次，本文介绍了特高压谐振回路中各个部件的研制方法，并且详细描述了 特高压谐振电抗器的制作方法及其参数，同时从功率损耗、局部放电量，耐压等 级等方面研究了适用于特高压谐振回路的各个元件，包括励磁变压器，特高压谐 振电抗器，特高压谐振电容器，均压环，提出了其参数要求。之后本文分析了装 置调试的步骤及关键点。 此外，为了对装置各个部件及整体的参数性能有全面了解，并且在现场试验 之前确保装置安全稳定运行，本文介绍了对特高压试验电源进行的一次全面的型 式试验，试验采取先分体测试再整体测试的方法。分体试验对中间励磁变、高压 谐振电抗器、补偿电抗器、高压谐振电容器、6 0 0 k w 调频电源柜进行了性能与 参数的测试。整体试验对装置整体品质因数、谐波因数及耐压性能进行了测量。 最后通过特变电工衡阳变压器厂1 0 0 0 k v 特高压试验变压器的局部放电试验 和湖北荆门1 0 0 0 k vg i s 耐压试验两次工程试验，有力的验证了装置的性能和现 场可行性。 关键词：特高压；无局放；交流耐压；串联谐振；变频；试验电源 硕七学位论文 a b s t r a c t h i g hv o l t a g et e s ti sa na b s o l u t e l yn e c e s s a r yr a t h eb e f o r ep u t t i n gt r a n s m i s s i o n l i n ei n t os e r v i c e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu l t r ah i g hv o l t a g eg r i di n0 1 1 1 c o u n t r y , i ts e e m se s p e c i a l l yi m p o r t a n tw e a t h e rt h eu l t r ah i 【g hv o l t a g ef i e l dt e s tc a l lb e a c c o m p l i s h e ds u c c e s s f u l l y d e v e l o p i n gat e s tp o w e rs u p p l ya p p l i c a b l et ou l t r ah i g h v o l t a g eg r a d ea n de a s yt r a n s p o r t e di si m p e r a t i v eu n d e rt h es i t u a t i o n a tp r e s e n t , t h e 1 1 j 曲v o l t a g et e s tp o w e rs o l i c e so fo u rc o u n t r ym a i n l yi n c l u d e sh i g hv o l t a g et e s t t r a n s f o r m e ra n dr e s o n a n ta e - t e s t i n gs u p p l y b u td u et ot h e i rh u g ev o l u m e ，d i f f i c u l tt o t r a n s p o r t , l o w e rv o l t a g eg r a d ea n dt h e yd o n th a v ear a p i d l yr e s p o n s ep r o t e c t i n g c i r c u i t , t h e yh a r d l ym e e tt h en e e d so fu l t r ah i g hv o l t a g ef i e l dt e s t t h ed e v e l o p m e n to f t h i sd e v i c eh a sg r e a tm e a n i n gf o rd e c r e a s i n gt h ee x p e n s e so fu l t r ah i g hv o l t a g e t r a n s m i s s i o nc o n s t r u c t i o na n dr e a l i z i n gg r i du p g r a d e f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu l t r ah i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o n a n dt h en e c e s s i t yo ft h ep u t t i n gi ti n t op r a c t i c ei no b rc o u n t r y t r a d i t i o n a lh i g hv o l t a g e e x p e r i m e n ta n di t st e s ts u p p l ya r ea n a l y z e d , a n dt h ee x i s tp r o b l e m so ft h ep o w e r s u p p l ya l ep r o p o s e da tt h es a m et i m e c o m b i n e d 谢t l lp r o j e c tp r a c t i c a ld e m a n d s ，t h e d e s i g nr e q u i r e m e n t sf o ri n t e l l i g e n te x t r ah i g hv o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yr e s o n a n t p o w e rs u p p l yi sp r o p o s e d t h e n , o nt h e b a s i s o fa n a l y z i n gd e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dc o m b i n i n gw i t h p r a c t i c a ld e m a n d s ，ai n t e g e rc o n f i g u r a t i o no fn o v e ls e r i a lr e s o n a n te x t r ah i g hv o l t a g e t e s t i n gs u p p l yb a s e do nd s p i sp r o p o s e d m o r e o v e r ，as i n ew a v eg e n e r a t o rb a s e do n d d sf i e q u e n c yc h a n g i n gt e c h n o l o g ya n dc o n t r o la l g o r i t h mf o rv o l t a g e ，f r e q u e n c y r e g u l a t i o na l eb r o u g h tf o r w a r d , w h i c hh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a p i dr e s p o n s e ，g o o d w a v e f o r m sa n dl o w e ra b e r r a t i o nr a t e a i m i n ga tt h es m a l lp o w e ro ft r a d i t i o n a l r e s o n a n tt e s t i n gp o w e rs u p p l y , t h i sp a p e rp u tf o r w a r das o u r c ea m p l i f i c a t i o nc a b i n e t p r o v i d e d 硼mb r i d g et y p ep o w e ra m p l i f i c a t i o nc i r c u i ta n di t so u t p u tp o w e rg a s a c h i e v e6 0 0 k w f i b e ru n d i s t o r t e dt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o nt ou l t r ah i g hv o l t a g e f i e l d e x p e r i m e n t a r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，s ot h ep r o b l e m so fh i g h e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei nt e s t i n gf i e l da n dh a r dt om e a s u r ef e e d b a c kv o l t a g ea r e s o l v e d m o r e o v e r , d e v e l o p m e n tm e a n sa sw e l la sl o s sc a l c u l a t i o nf o re a c hp a r t si n r e s o n a n t l o o po fe x t r ah i g hv o l t a g el e v e la l ep r o p o s e d m a k i n gm e t h o d sa n d p 舢e t e r so fe x 仃ah i g hv 0 1 鹏er e a c t o r a l ei n t r o d u c e di nd e t a i l a tt h es a 玎t i m e , 舶mt h ea s p e c t so fp o w e rl o s s ，p a r t i a ld i s c h a r g eq u a n t i t ya n dw i t h s t a n d i n gv o l t a g e l e v e l ，v a r i o u sc o m p o n e n t ss u i t a b l ef o re x t r ah i g hv o l t a g e r e s o n a n tl o o pa r cr e s e a r c n e d 沁l u d i n ge x c i t a t i o n 仃a l l s f 0 彻e r u l t r ah i g hv o l t a g e r e s o n a n tr e a c t o r , e x t r am g f l v o l t a g er e s o 彻n tc a p a c i t o ra n de q u a l i z i n gr i n g ，a l s ot h er e q u e s to f i t sp a r 豳蝴缸e s u g g e s t e d b e s i d c s i no r d e rt 0h a v eao v e r a l lu n d e r s t a n d i n go f t h ep a r a m e t e rp e r t o r m 觚c e o fe a c hp 拍a n dm ed e v i c ei t s e l f , a l s ot oi n s u r et h ed e v i c es a f e l ys t e a d yo p e 均n n g ，a n c o m p r e h e n s i v et y p et e s ta b o u tu l t r ah i g hv o l t a g ep o w e r s o u r c ei sc a r r i e do u tm 恤s p a p e lf i s s i o nt e s ti sd o n eb e f o r et h ei n t e g e rt e s t i n f i s s i o nt e s t ，p e r f o 衄锄c e sa n d p 删眦r so fi n t e i m e d i a _ t ce x c i t a t i o n t r a n s f o r m e r , h i g hv o l t a g er e s o n a n tr e 釉r ， c 哗璐撕0 nr e a c t o r , h i g hv o l t a g er e s o n a n tc a p a c i t o ra n d6 0 0 k w 州盯仃e q u e n c y m o d u l a t i o nc a b i i l e ta 他t e s t e d t h em e a s u r e m e n to fi n t e g e rc h a r a c t e r f a c t o ro ft h e d e v i c e h 黜蜥c 胁【0 ra n dv o l t a g ew i t h s t a n d i n gp r o p e r t i e s a r ei n c l u d e dm 眦g 盱 t e s t a tl 嘁恤0 u g l l f i e l de x p e r i m e n ：t s ，p a r t i a ld i s c h a r g et e s t 。f1 0 0 0 k v 曲 m g hv o l t a g et r a n s f o r m e ri nh e n g y a n g 仃龇1 s f o n n e rf a c t o r ya n d 10 0 0 k vg i sw i t h s t a n d v o l t a g et e s ti nj i n m e n , h u b e ip r o v i n c e ，t h e d e v i c ea r ep o w e r f u l l yv a l i d a t e d p e r f o r m a n c e sa n df i e l df e a s i b i l i t yo f t h e k e y w o r d s ：u l t r ah i g hv o l t a g e ；n 。p 矾a ld i s c 蛔g e ；a cw i 删v 0 1 t a g e ；s e r i e s i 沁s o n 柚c e ；f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ；t e s tp o w e rs u p p l y 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：多靳 日期：- 。d 7 年岁2 0 b 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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密百。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：谬怫 别帷辄社 日期：2 7 ，年5 月2 0 日 日期：力唧年箩月形日 硕士学位论文 第1 章绪论 特高压电网，指1 0 0 0 千伏的交流或：t ：8 0 0 千伏的直流电网。特高压电网形成 和发展的基本条件是用电负荷的持续增长，以及大容量、特大容量电厂的建设和 发展，其突出特点是大容量、远距离输电。目前，中国的长距离输电和世界其他 国家一样，主要用5 0 0 千伏的交流电网，只在俄罗斯、日本、意大利有少量1 0 0 0 千伏交流线路，且都降压运行【1 1 。 从1 9 8 6 年开始，特高压输电技术研究就被连续列入国家“七五”、“八五”和 “十五”科技攻关计划。中国电力科学研究院、武汉高压研究所、电力建设研究所 和有关高等院校相继开展了我国特高压远距离输电方式和电压等级选择的研究， 进行了特高压输变电设备、线路、铁塔、典型变电所的分析论证和特高压输电系 统过电压、绝缘配合及输电线路对环境影响的研究工作。 根据国网公司公布的“特高压工程大事记”，第一次提出“建设以特高压为核 心的坚强国家电网的构想，是在2 0 0 4 年1 2 月2 7 日的国网公司党组会议上。从 构想到国家发改委核准批复，前后不到2 0 个月。 2 0 0 6 年8 月9 日，国家发展改革委员会印发关于晋东南至荆门特高压交 流试验示范工程项目核准的批复( 发改能源 2 0 0 6 1 1 5 8 5 号) ，正式核准了晋东南 经南阳至荆门特高压交流试验示范工程。据国家电网公司报道，该特高压线路， 全长6 5 4 公里，申报造价5 8 5 7 亿元，动态投资2 0 0 亿元。起于山西省长治变电 站，经河南省南阳开关站，止于湖北省荆门变电站，联接华北、华中电网，将于 2 0 0 8 年建成后进行商业化运营。如在全国全面推开，未来投资4 0 6 0 多亿元，配 套动态投资将达8 0 0 0 多亿元，总投资相当于3 到4 个长江三峡工程项目。这一 巨额工程，已纳入国家“十一五”规划纲要 2 1 。2 0 0 7 年8 月1 9 日- 2 6 日，特高压试 验工程分别在山西长治、河南南阳和湖北荆门三地盛大奠基。1 0 月3 0 日，国家 电网公司在山西、河南、湖北四地同时召开晋东南南阳一荆f 11 0 0 0 千伏特高 压交流试验工程建设誓师动员大会【3 5 1 。 按照国家电网公司的规划，试验示范工程建成投运后，还将建设晋东南一陕 北、晋东南一北京、荆门武汉以及淮南一芜湖一浙北一上海特高压工程。到 2 0 1 0 年前后，纵贯南北的特高压输电通道将把华北和华中紧密联系起来。到2 0 2 0 年前后，国家电网特高压骨干网架将基本形成，国家电网跨区输送电容量将超过 2 亿千瓦，占全国总装机容量的2 0 以上【6 】。 智能型特高压变频谐振试验电源的研制及工程应用 1 1 特高压输电的特点及其在我国发展的必要性 1 1 1 特高压输电的特点 特高压电网代表了当今输电技术的最高水平，可更好地满足经济发展对电力 的需求。有利于优化我国电网和电源布局，促进电力工业整体协调发展。特高压 输电的特点是输电能力大( 见表1 1 ) 、网损小、覆盖范围广、输电走廊明显减小， 能灵活适合电力市场运营的要求。输电线路输送的功率为： v = , e u 7 c o s ( 1 1 ) 式中：尸传输的功率 u 线电压的有效值 ，线电流的有效值 c o s 功率因数 输电线路的损耗为： a p = 3 1 2 r = 尚 ( 1 2 ) 式中：a , o 输电线路的损耗： ，传输的电流的有效值 r 输电线路的电阻值 p 传输的功率 ，输电线路的长度 u 线电压的有效值 c o s 功率因数 从式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 可以看出： 1 输电电压u 提高以后，在i ，c o s 不变时输送功率p 可增大。 2 在有同样的输送功率时，由于输电压u 的提高，线损卸会减少，这样 将会带来经济效益。 3 由( 1 2 ) 式还可看出输送功率尸及线损p 一定时，提高输电电压u ，则输 电距离，也可增大，为解决远距离输电提供了理论依据。具体到从5 0 0 k v 超高压 到1 0 0 0 k v 特高压来说，当不计线路电阻，在输电线路末端接上相当于波阻抗 z c = ( 厶c o ) 0 5 的波阻抗负荷时，自然功率为p o = u 2 z c ，显然，当电压从5 0 0 k v 上升到1 0 0 0 k v 时，可以输送的自然功率将变为原来的四倍，再加上电压升高后 线路损耗会减少，所以可以输送的自然功率将大于原来的四倍。表1 1 给出了输 电线路的电压与传输距离和传输功率之间的关系。 硕士学位论文 表1 1 输电电压的传输功率与传输距离 考虑线路走廊时，在幅员窄小，地价很高或走廊受地形限制时，该因素就尤 显突出。经济比较结果表明：每提高一个电压等级，走廊输送电能的利用率可以 提高2 3 倍。如美国a e p 的7 6 5 k v 输电线路，输送的能力相当于5 条3 4 5 k v 线 路的输送能力，而线路走廊宽前者仅6 0 m ，后者则要求2 2 5 m t 。8 1 。 1 1 2 我国发展特高压的必要性 实际中，根据我国的电力资源及负荷中心分布状况，需要实施全国能源一盘 棋，发展远距离、大容量输电，而实现全国联网，采用特高压是最佳选择。 ( 1 ) 实现资源优化配置的重要途径 中国是电能生产大国和使用大国，地域广阔，发电资源分布和地方经济发展 极不平衡。全国可开发水电资源近三分之二在西部的四川、云南、西藏；煤炭保 有量的三分之二分布在山西、陕西、内蒙三省区；而全国三分之二的用电负荷却 分布在东部沿海和京广铁路沿线以东等经济发达地区。如在经济发达地区建设火 电厂，巨量的煤炭运输将是个棘手问题。我国水利资源及煤炭资源丰富，油气资 源不多，因此电源的结构以燃煤火( 6 0 7 0 ) 及水电( 2 5 左右) 为主，今后还要 加快发展核电，天然气发电由于受资源限制占电源的比重不大。我国8 0 水电资 源分布在东部沿海和中部地区，开发水电必须与“西电东送”相结合，发展长距离 大容量输电。因此，必须在发电资源丰富的地区建设大煤电基地、大水电基地， 实现煤电就地转换和水电大规模开发，再通过建设坚强的国家电网特高压骨干网 架，将清洁的电能从西部和北部大规模输送到中东部地区，实现跨地区、跨流域 水火互济，既解决东部能源短缺问题，减轻运输和环保压力，又促进西部资源优 势转化为经济优势，实现经济社会协调发展，从而在全国范围内实现资源的优化 配置。目前我国已初步形成北、中、南三大输电通道，规划今后将有更大的发展。 ( 2 ) 5 0 0 k v 电网送电容量增大及改善电网结构的需要 目前电网的电力输送能力和规模受到严重制约。我国现有电网主要以5 0 0k v 交流和正负5 0 0 k v 直流系统为主，电力输送能力和规模受到严重制约。由于现 有电网难以满足远距离、大容量输电的需要，并且支撑能力不强，导致西部、北 部的电力难以输送到负荷密集的中、东部地区，造成中、东部地区不得不大量建 设煤电项目，加剧了煤炭供应和交通运输的紧张局面。另外，经过多次运输，造成 煤价过高，降低了能源配置效率。在未来1 5 年，我国新增装机将超过5 x 1 0 5 k w ， 智能型特高压变频谐振试验电源的研制及工程应用 现有的5 0 0 k v 交流和士5 0 0k v 直流系统满足不了送电的需要。我国只有加快建 设电压等级更高、网架结构更强、跨区域、大容量、远距离、低损耗的特高压骨 干网架，才能满足这样大规模的电力输送和供应。我国用电比较集中的华东长江 三角洲地区、广东珠江三角洲地区的5 0 0 k v 电网已开始输电走廊布置困难、开 关难以断开容量不够等问题，这说明5 0 0 k v 电网已不能适应发展需要，需研究 更高等级输电的问题。日本东京电网在2 0 世纪8 0 年代，已确定采用1 0 0 0 k v 电 压输电方式，建设特高压交流输电工程来解决距离约为3 0 0 k m 的大容量核电站 向东京送电的问题，并改善电网结构。华东电网长江三角洲地区的用电除少部分 依靠“西电东送”以外，主要依靠浙江、江苏等沿海地区的大型燃煤火电和核电站。 大型火电站的装机容量一般约为4 5 g w ，核电站的装机容量约为5 - 8 g w ，输电 距离约为2 0 0 - - 5 0 0 k m ，有的已形成电站群，如在宁波附近建设的三个大型火电站 装机总容量约为1 5 g w ，输电容量和距离均已超过5 0 0 k v 电压等级输电的经济 合理性范围，迫切需要研究采用特高压交流输电的经济合理性。 ( 3 ) 加强全国联网的需要 南方五省区东西部能源资源和经济发展不均衡，东部广东省占五省区g d p 6 5 ，但能源含量仅占3 5 ，电量不足已严重影响社会经济的发展；而经济相 对不发达的云南、贵州却拥有近9 0 的五省区能源储量，其中云南省可开发的 水电装机容量达9 5 7 0g w 。因此，进一步地实施大容量西电东送，促进资源优 化配置，是南方区域能源发展的必由之路，也是南方电网公司的重要战略。实现 电源的优化配置，发挥电网的相互调剂及因时差气候不同的高峰负荷错峰作用， 在发展“西电东送”的同时，还要加强建设北、中、南三大联合电网间的大容量联 网送电工程，更好地发挥全国联网的作用。现有5 0 0 k v 输电线送电容量较少， 不能满足南北联网加强后的需要，特高压联网送电的容量大，有利于提高送电的 稳定性和整个电网的安全运行水平，可以更好地发挥南北联网作用，也有利于电 网的分层分级管理1 0 l 。 1 2 高压试验的目的及分类 电力系统中的发电机、电力变压器、g i s 、高压交联电力电缆、互感器及套 管等高压设备，其首要任务是安全可靠运行，任何故障或事故的发生，都将影响 生产的正常运行甚至给国民经济造成重大损失。目前电力设备运行事故中很大一 部分是绝缘故障，因此，绝缘检测是电力设备检测中最重要的方面。绝缘试验则 是其中必不可少的试验项目。以下几种情况均必须进行试验【l l 】： 1 在制造厂有：对所有的原材料的试验，制造过程的中间试验，产品定型 及出场试验。其目的是检测新的高压电气设备是否符合有关的技术规定，严禁不 硕士学位论文 合格的高压设备出厂。 2 对于大修后的设备进行高电压的各种试验。其目的是判断设各在维修、 运输过程中是否出现绝缘损伤或性能变化，以及大修后修理部位的质量是否符合 原标准。 3 对于正在运行中的电气设备，则按规定周期进行的试验，一般将这种试 验称为预防性试验。通过预防性试验可以发现电气设备内部隐藏的绝缘缺陷( 集 中性缺陷、分布性缺陷) ，配合检修加以消除，以避免设备绝缘在运行中由于工 作电压尤其是系统过电压的作用被击穿，造成严重的设备事故以及人身事故。这 样就能做到预防为主，使设备能长期、安全、经济的运行。 电气设备的绝缘缺陷有一些是制造时潜伏下的，另一些则是在运行过程中在 外界作用的影响下发展起来的。外界作用有工作电压、过电压、大气影响( 如潮 湿等) 、机械力、热、化学等，当然这些外界作用的影响程度还和制造质量有关。 目前，还不能做到使电气设备的绝缘在运行中不发生明显的劣化，所以在电力系 统中经常进行预防性试验，及时发现缺陷，可减少许多事故的发生。 对绝缘的监测和诊断技术有离线和在线之分。离线的监测和诊断时，要求被 检测设备退出运行状态，通常是周期性间断地施行，试验周期由电力设备预防性 试验规程( d 【r 5 9 6 - 1 9 9 6 ) 规定，我国目前主要靠离线试验来进行绝缘检测。对 离线检测又分为两类：破坏性试验，即耐压试验；非破坏性试验，亦称绝缘特性 试验。耐压试验对绝缘的考核严格，能保证绝缘具有一定的绝缘水平或裕度；缺 点是只能离线进行，并可能在试验时给绝缘造成一定的损伤。非坏性试验时在较 低电压下或用其他不会损伤绝缘的方法测量绝缘的各种情况，从而判断绝缘内部 的缺陷。实践证明，这类方法是有效的，其缺点是对绝缘耐压水平的判断比较间 接，尤其对于周期性的离线试验更不容易判断准确。两类试验是相辅相成的。耐 压试验往往是在非破坏性试验之后进行，而如果非破坏性试验已表明绝缘有不正 常情况，则必须在查明原因，尽量消除不正常后再进行耐压试验，以避免造成不 应有的击穿。 在线监测是在被测设备处于带电运行的条件下，对设备的绝缘状况进行连续 或定时的监测，通常是自动进行的。在线诊断采用的是非破坏性试验方法，但由 于可连续监测，故除测定绝缘特性的数值外，还可分析绝缘特性随时间的变化趋 势，从而显著提高判断的准确性。 非破坏性试验包括：绝缘电阻试验、介质损耗角正切试验、局部放电试验、 绝缘油的气相色谱分析等。绝缘耐压试验的项目主要有：交流耐压试验、直流耐 压试验、雷电冲击耐压试验及操作冲击耐压试验。 智能型特高压变频谐振试验电源的研制及工程应用 1 3 国内外交流试验电源的研究现状 国外用于变压器的局部放电试验电源设备与用作交流耐压试验电源设备是 分开的。变压器局放试验是利用中频发电机组给高压试验变压器励磁。中频发电 机组是一个转动的、频率不可调的电源装置，无功补偿要依靠外配电感的方式， 装置的启动电流很大，配套装置多且笨重，设备运输、操作不方便【1 2 】。谐振耐 压装置主要用于高压设备的交流耐压试验，以h a e f e l y 公司生产的试验装置为代 表，其原理大多是利用调节谐振电抗器内部的铁芯间隙距离，改变电感参数与被 试品的电容实现串联谐振，产生高压输出。该装置重量庞大，维护困难，只适合 试验大厅使用，不适合现场试验，并且该装置谐振点在5 0 h z 很难达到完全的谐 振【1 3 一s l 。 国内的试验电源8 0 年代时大多采用中频发电机组变频，9 0 年开始采用谐振 电源装置，大多数采用p w m 调制，产生频率可调的正弦波，但是p w m 调制本 身产生的高频信号是局部放电试验中典型的干扰，因此这种装置不适合用于局部 放电试验1 1 6 1 。 我国目前最主要的交流试验设备是大型高压试验变压器和高压串联谐振设 备。试验变压器在原理上与电力变压器并无区别，只是前者电压较高，变比较大。 如特变电工衡阳电压器厂、特变电工沈阳变压器厂、西安西电变压器有限责任公 司等均能生产额定电压在1 0 0 0 k v 及以上的试验变压器，目前我国和世界上多数 工业发达国家都具有2 2 5 0 k v 的试验变压器【1 7 】。 试验变压器的运行调节与电力变压器是不同的，例如： ( 1 ) 试验变压器在大多数情况下，工作在电容性负荷下；而电力变压器一般 工作在电感性负荷下。 ( 2 ) 试验变压器所需试验功率不大，所以变压器的容量不是很大；而高压电 力变压器的容量都很大。 ( 3 ) 试验变压器在工作时，常常需要放电：电力变压器在正常运行时，发生 事故短路的机会不是很多的，而且即使发生，继电保护装置会立即切断电源。 ( 4 ) 电力变压器在运行中可能受到大气过电压及操作过电压的侵袭；而试验 变压器并不受到大气过电压的作用，但由于试品放电的缘故，它在工作时，也可 能在绕组上产生梯度过电压。 ( 5 ) 试验变压器工作时间短，在额定电压下满载运行的时间更短。而电力变 压器则几乎终年或多年运行在额定电压下满负载运行。 ( 6 ) 由于上述原因，试验变压器工作温度低，而电力变压器温升较高。也因 此电力变压器都带有散热管、风冷甚至强迫油循环冷却装置，而试验变压器则没 有各种附加的散热装置或只有简单的散热装置。 硕士学位论文 上述情况表明，试验变压器在运行条件方面比电力变压器有利，而在重要性 方面则不如电力变压器，所以设计时采用较小的安全系数。 目前的试验变压器主要存在以下三方面的问题： ( 1 ) 大型高压试验变压器体积庞大，当变压器的额定电压升高时，它的体积 和重量的增加趋势超过额定电压的三次方( u 3 ) 的上升速度。因此当试验电压 抬升至特高压1 0 0 0 k v 及以上时，试验变压器体积重量均大大增加，运输不便， 难以满足现场试验要求。 ( 2 ) 电压器的波形容易畸变，其原因有下列两方面：1 由于高压试验变压 器励磁电流中的高次谐波所造成的电压波形的畸变；2 由于调压装置的铁心饱 和所造成的电压波形畸变。而波形的畸变将影响高压试验结果，根据i e c 规定 试验电压的波形为两个半波相同的近似正弦波，且峰值和有效值之比不大于 2 o 0 5 ，如果谐波的有效值不大于基波有效值的5 也认为满足上述波形的要 求。当满足这些要求，则认为高压试验结果不受波形畸变的影响。 ( 3 ) 试验变压器启动电流较大，对现场的电力电源要求高。 串联谐振试验设备是利用“串联谐振的原理，使试品能受到交流高电压 的作用，而供电设备的额定电压及容量可大为减小。其原理性的实验接线如图 1 1 ，而其等效电路图则如图1 2 所示。图1 1 中t 为供电变压器，l 是调频可变 电感，c 为试品及分压器和变压器本体的总电容。在图1 2 中r 代表回路中实际 存在的总电阻，它包括引线及调谐电感固有的电阻，也代表了高压导线的电晕损 耗及试品介质损耗的等效电阻，有时也包括特地接入的调整电阻。工作时，调整 电感l 的大小，使之与电容c 在工频发生串联谐振。 图1 1 串联谐振原理图 lr 图1 2 串联谐振装置的等效电路图 智能型特高压变频谐振试验电源的研制及t 程应用 此时 国：l -( 1 3 ) c 式中：缈角频率，且c o = 2 7 r 厂，f = - 5 0 h z 。 r ， 串联谐振时，流过高压回路l 及c 的电流达到最大值，此时电流l = 生。 r 利用串联谐振试验设备进行工频耐压试验的特点是： ( 1 ) 供电变压器t 和调压器a t 的设备容量小。试品上的电压= q x v s 。 为高压供电电压，高压回路中流过的电流是一样大的，所以供电变压器和调压器 的容量在理论上可以比试验变压器所需容量小q 倍。 ( 2 ) 串联谐振装置所输出的电压波形较好。电感电容组成了一个大的低通滤 波器，仅对工频产生谐振，而对其他有电源带来的高次谐波分量产生抑制作用。 ( 3 ) 若在试品耐压过程中，发生了闪络，则因失去谐振条件，高电压立即消 失，从而使电弧即刻熄灭。 ( 4 ) 恢复电压之建立过程较长，很容易在再次达到闪络电压之前控制电源跳 闸，避免重复击穿。 而目前串联谐振试验设备主要有以下问题 ( 1 ) 谐振点在工频，通过调节电感量，或者调节电容量使回路达到谐振。这 种方法很难达到理想谐振，则必然将加大电源需功率，增加不必要的损耗。 ( 2 ) 国内生产的串联谐振试验设备，其品质因数q 值大概为2 0 - 4 0 ，理论上 电源容量和q 值成线性反比的关系，而q 值太小，会大大增加试验电源所需的 容量。 ( 3 ) 传统的串联谐振设备，其不具有快速响应的保护回路，而装置用于高压 现场试验，装置和人身安全得不到保障，当电压出现闪络，击穿时，不能及时切 断电源，保护被试品。 ( 4 ) 我国用于特高压试验的装置主要是高压试验变压器，而现有串联谐振试 验电源电压额定等级偏低，没有考虑应用于特高压1 0 0 0 k v 及以上电压等级的特 高压谐振支路的制造【1 2 1 。 1 4 本文的研究背景及主要内容 本文的研究课题来源于2 0 0 7 年国家电网总公司重点科研项目，属于国家自 然科学基金资助项目( 6 0 7 7 4 0 4 ) ，湖南省研究生科研创新项目湘财教指 2 0 0 8 1 6 8 号，由湖南省电力公司及其下属的湖南省超高压管理局联合湖南大学负责开发、 研制。针对目前高压试验电源的问题，同时为了配合特高压现场高压试验项目在 我国顺利实施。本项目所研制的特高压试验电源应达到以下要求 2 3 2 5 j ： - 8 硕1 二学位论文 1 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，而且能够 连续可调。 2 为适应局部放电试验的需要，变频电源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电干扰量不应大于5 0 p c 才能够可靠的进行试 验。 3 变频电源的输出功率为适应大容量变压器和电缆需要，例如特变电工生 产的单相自耦变压器：其参数如下：额定电压1 2 0 0 1 1 0 4 3k v ，其额定空载损耗 1 8 0 k w ，8 节单节2 h 的补偿电抗器在频率为1 5 0 h z 时通过额定电流，其损耗为 4 4 k w ( 实测值) ，估算中间励磁变压器额定损耗为2 0k w ，装置附加损耗5 。 因此设计电源的额定功率为6 0 0 k w 。 4 研制适用于1 0 0 0 k v 电压等级的特高压谐振回路，并且要求装置升压过 程中和达到额定试验电压后无局放、无击穿、无闪络。 5 试验电源应该具有快速准确保护能力，当试验中出现故障，例如：被试 品闪络或者被击穿，将会导致工作电源、地电位回路中产生瞬间过电压，损坏装 置中的部分元件。由于大功率管的温度性能较差，较大功率输出时，温升加大， 三极管的放大倍数增加，导致输出电压漂移。因此试验电源必须具备快速响应的 保护能力，一方面要求保护被试品，另一方面要求保护人身安全。 6 设计的试验电源结构合理，考虑到主要运用于现场试验，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的影 响。 7 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，高压 回路隔离，保证人身安全。 针对以上要求，结合本项目实际工作。本论文首先介绍了特高压试验电源的 整体结构，之后着重分析了基于d s p 的控制系统及光纤无失真传输技术的实现， 功率放大柜和产生特高压无局放谐振电路的研制。然后通过型式试验，验证了装 置整体性能及各个部件的性能符合预期要求，最后通过特变电工衡阳变压器厂 1 0 0 0 k v 特高压试验变压器的局部放电试验、湖北荆门1 0 0 0 k vg i s 耐压试验，这 两个工程现场试验验证了装置的可行性。 鉴于此，本文的各章节的设计如下： 第二章，基于d s p 的控制系统的研制，本章首先介绍了试验电源的整体结 构和基本原理，然后提出基于d s p 数字信号处理器和d d s 频率改变技术的正弦 波发生器，及保护电路的设计，最后提出利用光纤无失真技术解决特高压试验电 源反馈电压的测量方法。 智能型特高压变频谐振试验电源的研制及t 程戍用 第三章，特高压无局放谐振回路的研制。本章介绍了特高压谐振电抗器的研 制，然后分析了特高压谐振回路中其他元件包括励磁变压器，均压环，特高压谐 振电容器的参数设计，考虑了元件的损耗计算，局部放电量的计算，最后分析了 调试的步骤和关键点。 第四章，特高压试验电源各个部件的型式试验。本章提出了谐振电源各个部 件：中间励磁变压器、电抗器、高压分压电容器、功放柜的型式试验的内容及实 现方法，之后通过与标准比较得出结论。然后对装置整体进行了型式试验，通过 品质因数，谐波因数，整体耐压的测量，并与标准比较最后得出结论。 第五章，装置的工程应用。本章通过特变电工衡阳变压器厂1 0 0 0 k v 特高压 试验变压器的局部放电试验、湖北荆门1 0 0 0 k vg i s 耐压试验，着重分析了试验 目的，试验步骤，试验方法，试验结果，通过这两个工程试验有力的验证了装置 在现场的可行性。 最后为总结和展望部分。 硕士学位论文 第2 章基于d s p 的控制系统的研制 传统串联谐振电源具有响应速度慢，不具备专门的保护电路，正弦波形畸变 率高，没有采用有效抗干扰措施等缺点。针对以上问题本章提出了基于d s p 数 字信号处理器和d d s 频率改变技术的正弦波发生器，同时利用光纤无失真传输 技术解决了特高压回路输出电压测量的问题，设置了保护电路确保保护的快速、 准确动作。 2 1 特高压试验电源整体的结构 智能型无局放调频谐振特高压试验电源交流耐压试验基本拓扑结构如图2 1 所示，主要由d s p 控制器及正弦波发生器、三相全桥不可控整流电路、保护电 路、桥式功率放大电路、中间励磁升压变压器t 、串联谐振电路几部分组成。为 提高抗干扰能力，特高压电压信号啡经光纤传送到d s p 控制器m a x l 2 5 采集单 元。整个系统通过4 * 4 键盘实现试验参数设置、光标移动、确定、取消等功能。 1 0 4 寸分辨率为6 4 0 * 4 8 0 真彩液晶通过并行i o 口与d s p 控制器相连作为人机 操作显示终端。图2 1 中珥。、坼：、坼，、珥4 分别为桥式功率放大电路四个桥 臂的直流电压：f 为桥式功率放大电路散热出风口温度；u o 、s o 分别为桥式功率 放大电路的输出电压、电流 图2 1 智能型无局放调频谐振特高压试验装置耐压试验示意图 由d s p 处理器控制正弦波产生芯片a d