CN101718837B - 一种交流叠加直流的合成电压试验电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种交流叠加直流的合成电压试验电源装置。输出电压可包含纯交流电压、纯直流电压以及交流叠加直流的合成电压。输出交流分量、直流分量分别独立可调，可根据需要输出不同分量的交流叠加直流电压波形。本发明的技术方案对研究交直流混合场强下的局部放电产生的机理、交直流分量对击穿应力的影响、换流变试验应力有效性的选择等方面的研究都具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及高电压与绝缘技术领域，尤其涉及一种交流叠加直流的合成电压试验电源装置。输出电压可包含纯交流电压、纯直流电压以及交流叠加直流的合成电压。输出交流分量、直流分量分别独立可调，可根据需要输出不同分量的交流叠加直流电压波形。
背景技术
我国已成为世界直流输电大国，正在建设世界上直流输电电压等级最高的“云南-广东”，“向家坝-上海”±800kV直流输电工程(世界目前最高为±600kV)，和直流有关的工程、研究项目越来越受到关注。已有工程经验和统计结果表明：高压直流输电系统中，换流变压器、套管等众多关键一次设备的绝缘问题是制约设计和引起现场事故最主要的因素。CIGRE高压直流分委会WG B4.04工作组统计结果表明，高压直流输电系统设备事故率是交流系统的2倍以上。
我国1984年开工建设的首个±500kV“葛-上”直流输电工程中，第一批次换流变压器主绝缘试验中多次出现阀侧绕组、引线、分接开关等多个部位的绝缘问题，在后续运行过程中也多次出现绝缘问题。目前，我国建设中的“云广±800kV直流输电工程”首台换流变压器由西门子公司负责生产制造，“向上±800kV直流输电工程”首台换流变压器由ABB设计制造。西门子、ABB在换流变压器制造领域处于国际最领先水平，但在西门子、ABB首台±800kV换流变试验过程中均出现了绝缘故障。
由于国内外制造厂及科研单位在制造、研究换流变压器绝缘材料过程中，仅能分别通过单独的交流电压、直流电压试验进行考核，而在工程实际中，尤其在高压直流输电系统中，大量设备运行中承受交流叠加直流电压的共同作用，由于试验过程中无法模拟实际工况对设备可靠性进行有效考核，导致设备事故率相对较高。
高电压技术是以试验研究为基础的应用技术，试验装置是开展高压技术领域研究的前提和基础。在现有技术条件下，主要的高电压试验电源包括工频(交流)电压发生器、直流电压发生器、冲击电压发生器等，还没有交流、直流叠加在一起的试验电源系统。现阶段，IEC及国内换流变试验标准中，均分别使用交流耐受电压、直流耐压考核换流变的绝缘性能，国内外没有关于交流叠加直流的无局放电源系统的相关报道。
发明内容
为了克服以上缺陷，本发明的目的是提供一种交流叠加直流的合成电压试验电源。其对研究交直流混合场强下的局部放电产生的机理、交直流分量对击穿应力的影响、换流变试验应力有效性的选择等方面的研究具有重要意义。
该电源装置的原理图如图1所示。本发明设计的交直流合成电压试验电源装置原理如图1所示，包括高压电容c1、c2、c3、c4、c5；高压电阻r1、r2、r3、r4；高压硅堆d1、d2、d3；高压交流电源V_ac1、V_ac2；和回路中的连接节点n11、n12、n13、n15、n16，其特征在于：
高压交流电源V_ac1一端接地，另一端与高压电容c1串联，串联后的回路再与d2并联于n11节点；n11节点后级再串联高压硅堆d1后与r1、r2串联组成的直流分压器并联于n13节点；n13节点后级再串联高压硅堆d3输出至n16节点；
高压交流电源V_ac2一端接地，另一端与高压电阻r4相串联；串联后的回路再与c4、c5组成的交流分压器并联于n15节点；n15节点后级再与高压电容器c3串联，最终实现将交流电压分量输出至n16节点，n16节点后级串联接入试品，从而为试品N提供不同的交-直流电压分量。
高压交流电源V_ac1与高压电容c1串联后与高压硅堆d2并联再与高压硅堆d1串联，由此构成倍压整流回路，从而将高压交流电源V_ac1的交流电压转化为直流电压；
高压电容c2与高压电阻r3在系统中起改善n12点输出直流电压纹波和限制短路电流的作用，高压电阻r3连接在节点n12和n13之间；
高压电阻r1与高压电阻r2串联构成直流电压分压器，用于测量n13节点的直流电压；
高压硅堆d3连接在节点n13和n16之间，起到隔离交流分量，有效阻止交流电压传入直流回路；
高压交流电源V_ac2与高压电阻r4串联构成交流电源，高压电阻r4起着限制高压交流电源V_ac2在试品短路时产生的短路电流的作用；
高压电容c4与高压电容c5串联构成交流分压器，用于交流电源输出端n15节点的交流电压分量的测量；
高压电容c3联接在n15节点和n16节点间，可以隔离n16节点上的直流电压进入n15节点及地之间的交流电源系统。
其中，n16节点的输出电压可包含纯交流电压、纯直流电压以及交流叠加直流的合成电压，输出交流分量、直流分量分别独立可调，可根据需要输出不同分量的交流叠加直流电压波形，电压调节过程中，从0开始升高高压交流电源V_ac1的输出电压，则系统的直流电压分量开始增加，直流输出电压分量满足：
V_n16dc＝-0.7009862065743-0.4185165047986*V_ac2-0.3042724513701*V_n13dc；其中V_n16dc为试验电源装置输出n16节点上的直流电压分量有效值，V_n13dc为n13节点的直流电压；
在电压调节过程中，从0开始升高交流电源V_ac2的输出电压，则系统的交流分量峰峰值相应0开始增加，其中输出交流分量与V_ac1上的输出电压满足：V_n16ac＝1.024+0.995*V_ac1的相关关系，其中V_n16ac为试验电源系统输出n16节点上的交流电压分量有效值。
其中，倍压整流回路可替换为各种通用的通过改变级数可形成不同电压等级的直流电压发生器，所述倍压整流回路由高压交流电源V_ac1与高压电容c1串联后与高压硅堆d2并联再与高压硅堆d1串联构成。
本发明还提供了一种使用上述的合成电压试验电源装置的合成电压试验系统，其是在上述的合成电压试验电源装置的正负两极间接入实验样品N。
其中，将该系统用于包括针板、球板和/或平板的典型电极的绝缘特性试验研究，以及进行悬浮放电和/或局部放电的绝缘特性试验研究。
图2是由图1所示交直流复合电源试验装置输出的实测电压波形图，图2中可以看出交流波形没有畸变，且交流、直流电源可实现独立加压且互不影响。
本发明的有益效果是：
随着高压直流输电的快速发展，换流变压器等直流设备的绝缘问题越来越受到关注，而本发明设计的电源系统能够实现在绝缘材料及模型、产品上同时施加交流叠加直流试验电压，更为真实的模拟了换流变运行过程中的电压应力，进而研究直流输电系统中的绝缘问题，填补了国内外在该研究领域的空白。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的交直流合成电压试验电源装置原理图；
图2是交直流电源电压的实测输出波形图；
图3是典型针板试验模型；
图4示出了直流击穿电压与预加交流电压的关系图；
图5示出了交流击穿电压与预加直流电压的关系图；
图6示出了不同预加电压对击穿特性的影响；
图7是交直流电压下的局放实验电路图。
具体实施方式
本发明的装置的主要意义体现在：首次提出了一种可同时输出交流、直流合成电压的电源系统，交、直流电压分量独立可调。为开展交流、直流合成电压下的绝缘特性研究、试验考核、绝缘击穿机理研究等具有重要意义。特别是目前，在国内外对换流变压器等大型电力装备绝缘失效机理、绝缘特性研究不全面，设备故障率高的情况下，本发明的装置的研究具有重要的学术和工程意义。
实施例1
本单位现承担国家电网公司科技项目“高压直流条件下油纸主绝缘特性研究”，利用本发明开发装置已在该项目中成功使用。并发现了众多国内外还没有报道过的创新性研究成果。
以利用本发明的交流叠加直流的合成电压试验电源装置开展的针板条件下绝缘油击穿特性为例，试验布局如图3所示，由0.1mm的针尖和直径300mm的圆形不锈钢板共同构成。
在图3的针板模型上同时施加交流、直流合成试验电压，测量击穿特性。试验过程中，首先施加固定分量的交流电压，再逐步增加直流电压直至试品击穿；试验结果如图4所示，横坐标为交流电源电压、纵坐标为直流电源电压。首先施加固定分量的直流电压，再按逐步增加交流电压至试品击穿，试验结果如图5所示，图5中结果为不同交流、直流分量叠加后的击穿电压。试验结果表明，随着交流电压的升高，直流击穿电压随线性降低；随着直流电压的升高，交流电压也呈线性降低，这一结论是在国内外首次揭示交-直流电压对击穿特性影响的规律。
将图5中试验结果进行逆变换(横纵坐标转换)，可以得到图6所示试验结果。在绝缘设计领域，普遍认为，油质绝缘击穿特性主要受电场强度影响。在预加不同电压时，绝缘击穿时的电场强度应该一致。但从图6中可以看出，在同一直流电压下，预加交流电压下的模型击穿电压较预加直流条件下约高8％。因此，预加电压对交直流击穿强度有明显影响，这一结论对直流条件下的绝缘试验、绝缘考核具有重要指导意义。此外，这一结论在国内外均未见相关报道，在没有本装置的前提下难以通过理论分析得到相关规律，因此，本装置的研制具有重要意义。
通过使用本发明中的试验装置，开展针板、球板、平板典型电极以及悬浮放电、局部放电等绝缘特性试验试验研究，能够取得大量珍贵、具有原创性、创新性的研究成果。
实施例2
参看图7，下面以交直流电压下的局部放电实验研究为例，介绍本发明交直流电源系统的应用。图中3个框图分别为：框图1为交直流电源系统，为本发明设计的交-直流电源系统，原理图如图1所示；框图2中Cx为试验试品，与试验电源并联；框图3为试验测量系统，主要由分压器Ck、检测阻抗Zm组成，通过电缆连接检测阻抗及局部放电检测仪，实现局部放电监测。试品Cx与测量系统并联后再与交直流电源系统并联，即交直流电源系统输出电压直接作用在试品及测量系统上。
电源系统可根据试验的不同要求提供纯交流电压、纯直流电压和各种不同电压分量的复合电压，施加在试品上后利用框图3中的局放测量系统进行观察，得到试品在交流电压、直流电压和交直流复合电压下的放电特征，通过对比分析进而得到试品在不同电压下的绝缘特性。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (5)
1.一种交流叠加直流的合成电压试验电源装置，包括高压电容c1、c2、c3、c4、c5；高压电阻r1、r2、r3、r4；高压硅堆d1、d2、d3；高压交流电源V_ac1、V_ac2；和整个电源装置回路中的连接节点n11、n12、n13、n15、n16，其特征在于：
高压交流电源V_ac1一端接地，另一端与高压电容c1串联，串联后的回路再与d2并联于n11节点；n11节点后级再串联高压硅堆d1后与r1、r2串联组成的直流分压器并联于n13节点；n13节点后级再串联高压硅堆d3输出至n16节点；
高压交流电源V_ac2一端接地，另一端与高压电阻r4相串联；串联后的回路再与c4、c5组成的交流分压器并联于n15节点；n15节点后级再与高压电容器c3串联，最终实现将交流电压分量输出至n16节点，n16节点后级串联接入试品，从而为试品N提供不同的交-直流电压分量；
高压交流电源V_ac1与高压电容c1串联后与高压硅堆d2并联再与高压硅堆d1串联，由此构成倍压整流回路，从而将高压交流电源V_ac1的交流电压转化为直流电压；
高压电容c2与高压电阻r3在系统中起改善n12点输出直流电压纹波和限制短路电流的作用，高压电阻r3连接在节点n12和n13之间；
高压电阻r1与高压电阻r2串联构成直流电压分压器，用于测量n13节点的直流电压；
高压硅堆d3连接在节点n13和n16之间，起到隔离交流分量，有效阻止交流电压传入直流回路；
高压交流电源V_ac2与高压电阻r4串联构成交流电源，高压电阻r4起着限制高压交流电源V_ac2在试品短路时产生的短路电流的作用；
高压电容c4与高压电容c5串联构成交流分压器，用于交流电源输出端n15节点的交流电压分量的测量；
高压电容c3联接在n15节点和n16节点间，可以隔离n16节点上的直流电压进入n15节点及地之间的交流电源系统。
2.如权利要求1所述的合成电压试验电源装置，其特征在于n16节点的输出电压可包含纯交流电压、纯直流电压以及交流叠加直流的合成电压，输出交流分量、直流分量分别独立可调，可根据需要输出不同分量的交流叠加直流电压波形，电压调节过程中，从0开始升高高压交流电源V_ac1的输出电压，则系统的直流电压分量开始增加，直流输出电压分量满足：
V_n16dc＝-0.7009862065743-0.4185165047986*V_ac2-0.3042724513701*V_n13dc；其中V_n16dc为试验电源装置输出n16节点上的直流电压分量有效值，V_n13dc为n13节点的直流电压；
在电压调节过程中，从0开始升高交流电源V_ac2的输出电压，则系统的交流分量峰峰值相应0开始增加，其中输出交流分量与V_ac1上的输出电压满足：V_n16ac＝1.024+0.995*V_ac1的相关关系，其中V_n16ac为试验电源系统输出n16节点上的交流电压分量有效值。
3.如权利要求2所述的合成电压试验电源装置，其特征在于倍压整流回路可替换为各种通用的通过改变级数可形成不同电压等级的直流电压发生器，所述倍压整流回路由高压交流电源V_ac1与高压电容c1串联后与高压硅堆d2并联再与高压硅堆d1串联构成。
4.一种使用权利要求1-3任一所述的合成电压试验电源装置的合成电压试验系统，其是在权利要求1-3所述的合成电压试验电源装置的正负两极间接入实验样品N。
5.如权利要求4中的系统，其特征在于将该系统用于包括针板、球板和/或平板的典型电极的绝缘特性试验研究，以及进行悬浮放电和/或局部放电的绝缘特性试验研究。
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| CN103163341A (zh) * | 2013-03-13 | 2013-06-19 | 江苏省电力公司电力科学研究院 | 基于电容隔直的单匝交直流合成大电流发生器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101718837A (zh) | 2010-06-02 |
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