CN101425758B - 1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器 - Google Patents

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王煜杰
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吴童生
肖斌
谢彭盛
马丽山
杨放南
刘生春
艾晓宇
卓越
曾永辉
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青海电力科学试验研究院
北京华天机电研究所有限公司
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Abstract

本发明涉及一种1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,包括直流电压发生器本体、充电调压装置和计算机测量与控制系统;直流电压发生器本体采用单边不对称5级倍压整流电路,本发明整套试验装置采用塔式组合结构和集装箱运输方式,采用模块化设计。直流电压发生器本体模块、充电调压装置及计算机控制与测量系统操作台均有吊装装置,可以放在运输车上移动;本发明利用50Hz工频电源作为整流源来获取直流电压,直流电源质量好、容量大,可以满足特高压直流输变电工程的试验研究需要;采用模块化设计,在现场可以实现快速拆装,并且可以根据所需试验电压整套试验装置可以改变极性运行。

Description

1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种户外移动式直流电压发生器,属于电力技术领域。 背景技术
[0002] 特高压直流输电技术具有送电容量大、送电距离远、控制灵活、节约线路走廊等特点,是大容量、远距离送电的关键技术之一。因此,完善直流输变电工程相关试验手段,尤其是提高直流电晕试验、直流耐压试验及相关高海拔科研试验能力,为促进特高压直流输电技术具有重要意义。
[0003] 目前便携式直流电压发生器通常采用中(高)频倍压电路,和PWM脉宽调制技术及大功率IGBT(绝缘栅双极型功率管)器件,虽然体积较小,但缺点是电源容量小、无线电干扰较大,无法完全满足特高压直流相关科研试验研究。
[0004] 而采用50Hz工频电源作为整流源的直流电压发生器虽然能够弥补便携式直流电压发生器的缺点,但多为固定式试验装置,无法在现场开展相关的试验研究。
[0005] 因此,研发一套利用50Hz工频电源进行倍压整流来获取高质量的直流电源,并能够在现场实现快速拆装的直流电压发生器成套装置至关重要。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,它具有如下优点:整流电源采用50Hz工频电源,无线电干扰小,可以满足直流电晕试验、无线电干扰试验、直流耐压试验等需要;直流电压发生器本体采用模块化设计,并采用集装箱运输方式,即有利于运输,又有利于现场快速拆装。
[0007] 本发明的技术方案是:1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:包括直流电压发生器本体、充电调压装置和计算机测量与控制系统,直流电压发生器本体是由倍压电容器、滤波电容器、高压整流硅堆、电阻分压器及耦合电容器电连接构成的单边不对称5级倍压整流电路,2节高压整流硅堆2节滤波电容器和2节倍压电容器构成一级倍压电路,其中耦合电容器耦合在直流电压发生器本体的输出端;
[0008] 充电调压装置包括调压器、变压器和配电柜,直流电压发生器本体通过直流保护电阻用高压引线与被试设备电连接,计算机控制与测量系统与电阻分压器和耦合电容器电连接、与配电柜光电连接,配电柜与调压器电连接、调压器与变压器电连接、变压器与直流电压发生器本体电连接;
[0009] 直流电压发生器本体、充电调压装置和计算机测量与控制系统采用集装箱运输方式,直流电压发生器本体采用塔式组合结构和模块化设计。
[0010] 如上所述的1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:电阻分压器和耦合电容器、滤波电容器、倍压电容器、高压整流硅堆皆采用绝缘筒柱式结构,并采用硅橡胶加裙边绝缘套管,两端加装有不锈钢制成的金属法兰;高压整流硅堆极性换接采用机械电动方式转换;
3[0011] 柱式结构的滤波电容器、倍压电容器、高压整流硅堆、电阻分压器和耦合电容器整合为一体并垂直安置在同一个底座上,四组件设计成双三角形框架结构;柱间采用环氧玻璃布板制成的绝缘支架进行连接,有四根绝缘拉杆紧固拉紧;
[0012] 直流电压发生器本体共11节,被整合为5个模块,分装在三个集装箱内,将1#集装箱的底板做为底座,并将第1个模块、变压器与1#集装箱底板牢固连接成一整体,现场安装时,将其余模块依次吊装至第1个模块之上,1#集装箱底板加装可伸缩支腿。
[0013] 如上所述的1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:还有4#集装箱中固定安装独立的控制室,其中包括计算机测量及控制系统,调压器及配电柜,还有保温层、照明和通风设施。
[0014] 如上所述的1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:直流电压发生器顶部均压环由四部分组装而成,分装入3#和4#集装箱内,在每柱金属法兰连接处外侧均配备腰形均压环。
[0015] 如上所述的1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:每个模块与集装箱底板的固定采用紧线器、法兰定位多种固定方式,集装箱内的设备底法兰下加装橡胶垫。
[0016] 如上所述的1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:直流电压发生器设备总高为15760mm,集装箱尺寸为宽2. 2mX长7. OmX高3. ^ii ;集装箱内配有设备检修门、观察窗、防盗门和快速开盖工具。
[0017] 如上所述的1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:在电阻分压器及耦合电容器柱侧装设安全接地放电带;直流电压发生器本体内部具有绝缘爬梯和安全操作平台;直流电压发生器本体模块、充电调压装置及计算机控制与测量系统操作台均有吊装装置,设备总体吊装完成后,吊具做为均压环支架安装在直流电压发生器本体顶部。
[0018] 本发明的工作原理是:电源经调压器调压后通过变压器升压输出,由倍压电容器、 滤波电容器和高压整流硅堆交替倍压充电,在高压端产生士 1600kV电压和50mA电流,电源配电柜、调压器和变压器供给高压整流硅堆所需的能量,电阻分压器通过流过的电流测试直流高压的输出。
[0019] 直流电压发生器本体结构为四柱结构(由双三角形构成四边形结构形式),具有极高的机械稳定性和极强的过载能力。直流电压发生器本体共11节,被整合为5个模块, 本发明分装在四个集装箱内,在现场可实现快速拆装,大大节约了安装和拆卸的工作时间。 本发明可自由、方便地叠装,具有分体使用功能,可组合成1600kv(四个集装箱),1280kV和 960kV (三个集装箱),640kV和320kV (两个集装箱)五种电压等级的直流电压发生器,可根据现场试验电压的需要来决定携带集装箱的数量,大大减少了运输成本。
[0020] 将电阻分压器和耦合电容器整合为一体,电阻分压器和耦合电容器、滤波电容器、 倍压电容器、高压整流硅堆皆采用绝缘筒柱式结构,并采用硅橡胶加裙边绝缘套管,两端加装有不锈钢制成的金属法兰,充分考虑到高海拔地区风沙大,强紫外线和昼夜温差大等气象条件。试验装置未采用硅橡胶加裙边绝缘套管的绝缘部分,均采用PRTV(防污闪涂料) 喷涂。
[0021] 高压整流硅堆极性转换采用机械电动方式,每级硅堆柱均设计有定位销,传动部分设计有两个偏心的弹簧机构。现场安装时,只需将下一个模块调装至上一个模块之上,然后转动传动机构至正确安装位置后,下一个模块的偏心弹簧机构便自行弹起,插入上一个键槽中。用此方式,即有效简化了现场安装方式,又保证安装后硅堆方向的一致性,同时保证了设备安装时传动机构的可靠连接,并且有效简化了现场安装工序。
[0022] 整套试验装置在电阻分压器及耦合电容器柱侧装设安全接地放电带,安全放电接地带采用电动运行方式,并采用阻尼设计,防止放电带收线过快,以保证放电带与试验装置模块中电容器有足够放电时间,同时放电带走廊采用“之字形”设计以保证放电带与模块中电容器良好接触。为安装便利,直流电压发生器本体内部专门设计有绝缘爬梯及操作平台, 以供安装员攀爬、站立及操作,而不必借用其他登高设备,极大的方便了现场使用。
[0023] 为了尽量减少现场的工作,将1#集装箱的底板做为直流电压发生器的底座,并将第一个模块与集装箱底板牢固连接成一整体。现场安装时,只需将其余模块依次吊装至第一个模块之上即可。并对1#集装箱底板专门设计加装了可伸缩支腿,在全级使用时打开, 以保证集装箱底板与地面有足够的接触面积,提高整套试验装置的机械稳定性。
[0024] 试验装置每个模块与集装箱底板的固定采用紧线器、法兰定位等多种固定方式, 保证模块在运输过程中不会发生垂直和水平方向位移而损坏设备。集装箱内的设备底法兰下加装橡胶垫,以达到减震的效果。
[0025] 4#集装箱专门隔出一个空间做为独立的控制室,计算机测量及控制系统,调压器及配电柜均固定在内,之间连接电缆铺设在专用扣板内。控制室加装保温层,保证试验人员在户外试验时有一个舒适的操作环境。控制室内设计有照明、通风等设施,所有二次电缆与相应的插口的设计有明显的标识,二次电缆接头采用防误插设计,而且控制台中的每个单元在必要的时候能够快速吊出进行检修。
[0026] 集装箱内还配有设备检修门和观察窗,以方便操作和维修。集装箱两侧设计有防盗门,便于设备长途运输途中检查设备的状况,以便于及时处理问题。防盗门上以不锈钢材料表明具体的设备及元器件、工具箱清单,方便现场快速组装。集装箱外框架与底盘采用集装箱快速开盖工艺,沿集装箱底盘分布有8个快开手柄,不需要工具,通过简单的手工压接操作就能使集装箱壳体与底盘连接或分离。将集装箱的宽度由2. 4米减小到2. 2米,这样设备的运输就不再需要专门的集装箱运输车,只需普通的大卡车即可运输。
[0027] 为了方便试验装置每个模块的起吊,专门设计了吊具。设备总体吊装完成后,吊具做为均压环支架安装在直流电压发生器本体顶部,直流电压发生器顶部均压环表面平整、 光滑,在每柱金属法兰连接处外侧均配备腰形均压环做防晕处理。
[0028] 计算机测量与控制系统,运用工控专业组态软件编程设计成便于操作的控制工作界面,系统的运行参数及测量结果以数字量形式在计算机界面上进行实时显示。在计算机上可以完成直流高压系统所有设定、运行、测量等参数,即可设定直流充电电压、耐受电压时间和极性自动换接等,并监控和测量其运行状态。该计算机测量与控制系统是专门为现场移动式直流电压试验系统设计的智能化控制及测量系统,核心技术采用了可编程序控制器,所有的控制功能均可由软件实现。运用屏蔽技术和成熟的组态软件,很好地解决了高电压试验中的空间、地电位和电源等干扰问题,优化了人机界面和通讯方式,使整个控制系统不但具有抗干扰能力强,稳定性好,可靠性高等特点,而且具有很大的可扩展性以及强大的编程和通讯能力,彻底改变了传统控制系统操作既费时又费力的现象,而且大大提高了试验数据的重复性和稳定性。控制系统主要功能是:[0029] •输出电压可以连续调节,包含自动或手动两种方式
[0030] •主电源开关的操作(调压器两侧开关合、跳按钮及指示灯);
[0031] •直流电压、电流盘表显示及调压器输出电压、电流面板表显示;
[0032] •不同极性的电压、电流可通过极性转换电路测量显示;
[0033] •调压器升、降压按钮及指示灯;
[0034] •升压值、耐压时间的预设及显示,升压方式可实现自动程序化方式;
[0035] •升压操作警铃;
[0036] ·电源闭锁,且闭锁可控;
[0037] •控制台配备过电压保护装置,通过合理的布线和接地布置防止试品闪络时控制台内元器件损坏。
[0038] ·控制台能显示高压整流硅堆的极性。
[0039] •控制台具有过压自动跳闸功能。
[0040] 控制台上的表计能方便进行检定和自校验。
[0041] 本发明的有益效果是:利用50Hz工频电源作为整流源来获取直流电压,直流电源质量好、容量大,可以满足特高压直流输变电工程的试验研究需要。采用模块化设计,在现场可以实现快速拆装,并且可以根据所需试验电压整个试验装置可以改变极性运行。
附图说明
[0042] 图1,本发明实施例的整体连接示意图。
[0043] 图2. 1,本发明实施例装置的正视图。
[0044] 图2. 2,本发明实施例装置的俯视图。
[0045] 图3,本发明实施例的电路原理框图。
[0046] 图4. 1,本发明实施例的底座、图1中的变压器及直流电压发生器本体第1、2节在 1#集装箱内的俯视图。
[0047] 图4. 2,本发明实施例的底座、图1中的变压器及直流电压发生器本体第1、2节在 1#集装箱内的正视图。
[0048] 图5. 1,图1中的直流电压发生器本体第3、4节在2#集装箱内的俯视图。
[0049] 图5. 2,图1中的直流电压发生器本体第3、4节在姊集装箱内的正视图。
[0050] 图6. 1,图1中的直流电压发生器本体第5节及均压环在3#集装箱内的俯视图。
[0051] 图6. 2,图1中的直流电压发生器本体第5节及均压环在3#集装箱内的正视图。
[0052] 图7. 1,图1中的计算机测量与控制系统、调压器、配电柜及均压环在4#集装箱内的俯视图。
[0053] 图7. 2,图1中的计算机测量与控制系统、调压器、配电柜及均压环在4#集装箱内的正视图。
具体实施方式
[0054] 以下结合附图和实施例对本发明1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器做进一步的说明。
[0055] 图3中标记说明:C,-倍压电容器、C-滤波电容器、D1-10-高压整流硅堆、Rb4_电阻分压器高压臂、Rb5-电阻分压器低压臂、Rb6-直流保护电阻、Kd-放电开关、Rb2-级间保护电阻、Rb3-放电保护电阻、Cl-耦合电容器、T-变压器、Rbl-交流侧保护电阻、TY-调压器、Kl,K2-调压器前、后级开关。
[0056] 图4. 1中标记说明:1-高压整流硅堆(图3中的D1-10),2_倍压电容器(图3中的C’),3-滤波电容器(图3中的C),4-电阻分压器和耦合电容器(图3中的Rb4、Rb5、 Cl),5-变压器(图3中的Τ);
[0057] 图4. 2中标记说明:6-爬梯;
[0058] 图6. 1中标记说明:7-均压环;
[0059] 图7. 1中标记说明:8-调压器(图3中的TY),9_计算机测量与控制系统,10-配电柜;
[0060] 图7. 2中标记说明:11-模块专用吊具。
[0061] 本发明实施例的整体连接示意图如图1所示,1600kV/50mA1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器包括直流电压发生器本体、充电调压装置和计算机测量与控制系统;充电调压装置包括调压器、变压器和配电柜;直流电压发生器本体通过直流保护电阻用高压引线与被试设备电连接,计算机控制与测量系统与直流电压发生器本体内的电阻分压器电连接、与配电柜光电连接,配电柜与调压器电连接、调压器与变压器电连接、变压器与直流电压发生器本体电连接。
[0062] 本发明实施例的电路原理框图如图3所示,直流电压发生器本体包括倍压电容器 C’、滤波电容器C、高压整流硅堆D1-10、电阻分压器Rb4/Rb5及耦合电容器Cl交替电连接; 电源经调压器TY调压后通过变压器T升压输出,由倍压电容器C’、滤波电容器C和高压整流硅堆D1-10交替倍压充电,在高压端产生士 1600kY电压和50mA电流,电源配电柜、调压器TY和变压器T供给高压整流硅堆D1-10所需的能量,电阻分压器Rb4/I?b5通过流过的电流测试直流高压的输出。
[0063] 本发明实施例主要参数:
[0064]额定电压 士 1600kV
[0065] 额定电流士 50mA
[0066] 纹波系数 <3%
[0067] 级数 5级
[0068] 计算机测量与控制系统,主要由工业控制计算机、可编程序控制器(PLC)、PLC操作控制柜等构成。控制系统主要技术参数是:
[0069] 直流电压: [0070] 整定范围 0〜 士1600kV[0071] 工作电压 50〜 -1600kV连续可调[0072] 调节精度 IkV [0073] 显示精度 IkV [0074] 直流电流: [0075] 显示范围 0 〜士 1999mA[0076] 显示精度 ImA[0077] 电压测量不确定度 ^ 士3%[0078] 电压保持时间:
[0079] 设定范围 Imin〜5h
[0080] 调节精度 Imin
[0081] 显示精度 Is
[0082] 采用本发明实施例装置对电力设备进行现场直流绝缘耐压试验,具体试验步骤如下:
[0083] (1)将本发明实施例直流电压发生器按正确之顺序安装在被试设备附近(根据现场实际情况决定位置),对主回路进行直流电压试验;
[0084] (2)检查现场安全措施及直流电压发生器接线是否正确,检查接地线是否完全接好;
[0085] (3)接取50Hz,两相380V交流电源,并核实现场安全措施后准备加压;
[0086] (4)设定充电电压后,加压进行直流电压试验;如果出现故障,降压,悬挂接地线后重新检查;如果符合标准规定,设定电压后重新对主回路进行直流电压试验。
[0087] 在开展现场冲击耐压试验时,首先安装冲击电压发生器本体装置,产生试验所需的直流电压(整套装置可以改变级数使用)。由电阻分压器Rb4/Rb5采集试品加压端电压信号后传送到计算机测量系统,并实时显示电压值,计算机控制系统通过光纤传输与PLC 进行通讯,以达到控制电压发生器本体之目的。
[0088] 本发明实施例直流电压发生器本体共11级,被整合为5节,直流电压发生器被分装在四个集装箱内进行运输,在图4. 1、图4. 2中,直流电压发生器本体第1、2节放入1#集装箱内,现场安装时,将图4. 2右边的四种柱(第2节)叠装在左边的四种柱上(第1节), 四种柱分别代表两级高压整流硅堆1,两级倍压电容器2,两级滤波电容器3,两级电阻分压器和耦合电容器4。直流电压发生器本体第1节和变压器5固定在底座上,底座也是1#集装箱底板。
[0089] 如图5. 1、图5. 2所示,直流电压发生器本体第3、4节放入姊集装箱内,现场安装时,将图5. 2右边的四种柱(第4节)叠装在左边的四种柱上(第3节),直流电压发生器本体第3节叠装在第2节上。
[0090] 在图6. 1、图6. 2中,直流电压发生器本体第5节和一个1/4均压环7放入3#集装箱内,现场安装时,将图6. 2右边的一级高压整流硅堆1,一级倍压电容器2,一级滤波电容器3,一级电阻分压器和耦合电容器4叠装在左边的四种柱(两级高压整流硅堆1,两级倍压电容器2,两级滤波电容器3,两级电阻分压器和耦合电容器4)上。
[0091] 如图7. 1、7. 2所示,4#集装箱右边为独立的控制室,包括调压器8,计算机测量与控制系统9,配电柜10 ;左边有3个1/4均压环7,它靠其下方的4个法兰盘和模块专用吊具11支撑。
[0092] 1#、2#和3#集装箱中都装有绝缘爬梯6,图6. 2右边的一个1/4均压环7和图7. 2 左边的3个1/4均压环7拼接成整体均压环7,整体外形尺寸为6000 X 4000,管径为Φ 800, 防锈合金铝制造。直流电压发生器本体模块、充电调压装置及计算机控制与测量系统操作台均有吊装装置,设备总体吊装完成后,模块专用吊具11做为均压环7支架安装在直流电压发生器本体顶部。
[0093] 本发明采用单边不对称5级倍压整流回路,直流电压发生器本体回路结构为四边
8形结构形式,滤波电容器3、倍压电容器2、高压整流硅堆1、直流电阻分压器和耦合电容器4 整合为一体,并安置在同一个底座上,四组件精心设计成双三角形框架结构;并有四根绝缘拉杆紧固拉紧,具有极高的机械稳定性和极强的过载能力。
[0094] 电阻分压器和耦合电容器4、滤波电容器3、倍压电容器2、硅堆1皆采用绝缘筒柱式结构,并采用硅橡胶加裙边绝缘套管,高压整流硅堆1极性换接采用机械电动方式转换, 速度可调。
[0095] 本发明实施例设备总高为15760mm,四个集装箱尺寸为宽2. aiiX长7. OmX高 3. 2m。

Claims (6)

1. 1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:包括直流电压发生器本体、 充电调压装置和计算机测量与控制系统,直流电压发生器本体是由倍压电容器、滤波电容器、高压整流硅堆、电阻分压器及耦合电容器电连接构成的单边不对称5级倍压整流电路, 2节高压整流硅堆2节滤波电容器和2节倍压电容器构成一级倍压电路,其中耦合电容器耦合在直流电压发生器本体的输出端;充电调压装置包括调压器、变压器和配电柜,直流电压发生器本体通过直流保护电阻用高压引线与被试设备电连接;计算机控制与测量系统与电阻分压器和耦合电容器电连接、与配电柜光电连接,配电柜与调压器电连接、调压器与变压器电连接、变压器与直流电压发生器本体电连接;直流电压发生器本体、充电调压装置和计算机测量与控制系统采用集装箱运输方式, 直流电压发生器本体采用塔式组合结构和模块化设计;将电阻分压器和耦合电容器整合为一个整体,电阻分压器和耦合电容器、滤波电容器、 倍压电容器、高压整流硅堆皆采用绝缘筒柱式结构,并采用硅橡胶加裙边绝缘套管,两端加装有不锈钢制成的金属法兰;高压整流硅堆极性换接采用机械电动方式转换;柱式结构的滤波电容器、倍压电容器、高压整流硅堆、电阻分压器和耦合电容器整合为一体并垂直安置在同一个底座上,四组件设计成双三角形框架结构;柱间采用环氧玻璃布板制成的绝缘支架进行连接,有四根绝缘拉杆紧固拉紧;直流电压发生器本体共11节,被整合为5个模块,分装在三个集装箱内,将1#集装箱的底板做为底座,并将第1个模块、变压器与1#集装箱底板牢固连接成一整体,现场安装时,将其余模块依次吊装至第1个模块之上,1#集装箱底板加装可伸缩支腿。
2.如权利要求1所述的1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:还有 4#集装箱,其中固定安装独立的控制室,室中布置计算机测量及控制系统、调压器及配电柜,还有保温层、照明和通风设施。
3.如权利要求2所述的1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:直流电压发生器顶部均压环由四部分组装而成,分装入3#和4#集装箱内,在每柱金属法兰连接处外侧均配备腰形均压环。
4.如权利要求1所述的1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:每个模块与集装箱底板的固定采用紧线器和法兰定位的固定方式,集装箱内的设备底法兰下加装橡胶垫。
5.如权利要求1所述的1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:直流电压发生器设备总高为15760mm,集装箱尺寸为宽2. 2mX长7. OmX高3. 2m ;集装箱内配有设备检修门、观察窗、防盗门和快速开盖工具。
6.如权利要求1所述的1600kV/50mA户外移动式直流电压发生器,其特征在于:在电阻分压器及耦合电容器柱侧装设安全接地放电带;直流电压发生器本体内部具有绝缘爬梯和安全操作平台;直流电压发生器本体模块、充电调压装置及计算机控制与测量系统操作台均有吊装装置,设备总体吊装完成后,吊具做为均压环支架安装在直流电压发生器本体顶部。
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