CN109490733A - 一种高压低通滤波器及其设计方法 - Google Patents

一种高压低通滤波器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高压低通滤波器，包括：电抗器和电容器，高压低通滤波器为100kV及以上电压等级的低通滤波器。高压低通滤波器还包括均压环，位于高压低通滤波器顶部及高压低通滤波器的电抗器与电容器之间，以降低高压电极表面的电场强度。本发明还提供了一种设计高压低通滤波器的方法。

Description

一种高压低通滤波器及其设计方法
技术领域
本发明涉及低通滤波器领域。更具体地，涉及一种高压低通滤波器及其设计方法。
背景技术
局部放电试验是110kV及以上电压等级的电力变压器以及多数干式电力变压器生产设计过程中的例行试验，试验电源多采用发电机组，由于每个制造厂设备情况不同，试验条件有很大的差异，多数变压器制造厂发电机组、中间变压器等设备陈旧，试验站电源与车间生产用电混在一起，因此在局部放电测量时背景噪音很大，影响试验测量的准确性，甚至很多电源干扰致使试验难以进行。
而目前，由于110kV及以上电压等级的电力变压器，被测电压器输入侧电压为6kV、10kV或35kV，还没有能够滤除干扰的滤波器，而是通过中间变压器或隔离变压器的方式滤除，滤波效果有限，一台变压器通常只能滤除10dB左右，而多台串联，由于试验电源频率为150-200Hz，短路阻抗大幅增加，高电压等级下，试验过程中损耗很大。
因此，需要提供一种能够在高电压大容量的电力变压器局部放电试验中有效滤除电源与环境干扰的高压低通滤波器及设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在高电压大容量的电力变压器局部放电试验中有效滤除电源与环境干扰的高压低通滤波器及设计方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种高压低通滤波器，包括电抗器和电容器，高压低通滤波器为100kV及以上电压等级的低通滤波器。
优选地，高压低通滤波器的电容值为根据KL/Z0与实际失调参数之间的拟合关系得到的，拟合关系为：
其中，Ω表示KL/Z0，K＝2π，L为高压低通滤波器的电抗器的电感值，Z0为干扰源阻抗，A为常量参数5.32。
优选地，高压低通滤波器包括一个或多个单体结构，每个单体结构包括一个电容器和一个电抗器。
优选地，高压低通滤波器的衰减特性为：
在40kHz至100kHz的条件下，衰减能力为20dB以上；以及
在100kHz到400kHz的条件下，衰减能力为40dB以上。
优选地，高压低通滤波器还包括均压环，位于高压低通滤波器顶部及高压低通滤波器的电抗器与电容器之间。
本申请的另一方面提供了一种高压低通滤波器的设计方法，
确定高压低通滤波器的设计指标；
根据高压低通滤波器的设计指标中的额定电压与额定电流确定滤波器阻抗；
确定高压低通滤波器的电感值；以及
确定高压低通滤波器的电容值，电容值为根据KL/Z0与实际失调参数之间的拟合关系得到的，拟合关系为：
其中，Ω表示KL/Z0，K＝2π，L为高压低通滤波器的电抗器的电感值，Z0为干扰源阻抗，A为常量参数5.32，
其中，高压低通滤波器为100kV及以上电压等级的高压低通滤波器。
本发明的有益效果如下：
本发明技术方案提供了一种能够在高电压大容量的电力变压器局部放电试验中有效滤除电源与环境干扰的高压低通滤波器及设计方法。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1为根据本公开的高压低通滤波器的单体结构图；
图2为根据本公开的高压低通滤波器的单体结构中的电路原理图；
图3为由根据本公开的高压低通滤波器的单体构成的一种示例性高压低通滤波器结构的电路原理图；
图4为由根据本公开的高压低通滤波器的单体构成的一种示例性高压低通滤波器结构的电路原理图；
图5为根据本公开的高压低通滤波器的示例性设计方法的流程图；以及
图6为以单体结构为例对根据本公开的高压低通滤波器进行衰减特性测试的电路原理图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
图1为根据本公开的高压低通滤波器10的单体结构图。
如图1所示，本公开的高压低通滤波器10的单体结构包括电抗器101和电容器103，此外，还包括均压环105-1和105-2。每个单体结构为半滤波器结构，即，包括彼此串联的一个电抗器101和一个电容器103。
如图1所示，为本公开的高压低通滤波器10的单体结构图。
如图所示，电抗器101位于电容器103之上，均压环105-1和105-2位于高压低通滤波器10的顶部，用以降低高压电极表面的电场强度，避免电抗器线圈由于导线的尖端等造成的电晕放电，影响局部放电的测量。均压环105-1和105-2可以由金属板制成，优选地可以由2mm厚的铝板旋压后焊接制成，表面抛光，电极形状也是环形，均压环105-1和105-2的示例性的尺寸见图2，环内径D＝40cm，环截面直径d＝8cm，在该示例性尺寸下，不产生电晕放电的最高电压为：
U＝41.5×80.72×(40/5+1)0.32＝329kV (1)
在具有低于该值一定裕量的工作电压的滤波器均可以使用该示例性均压环，应理解，类似的，在需要高于该工作电压的滤波器时，可以根据该示例性均压环，适当调整尺寸。
如图1中所示，由于高压低通滤波器的尺寸大重量高，为使用时方便移动，在每个单体结构的封装下安装有脚轮。
对于高压低通滤波器10中的电抗器101和电容器103的具体参数和组合拓扑，下面将结合图2、图3和图4详细描述。其中，图2为根据本公开的高压低通滤波器10的单体结构中的电路原理图；图3为由根据本公开的高压低通滤波器10的单体构成的一种示例性高压低通滤波器结构的电路原理图；以及图4为由根据本公开的高压低通滤波器10的单体构成的一种示例性高压低通滤波器结构的电路原理图。
如图2所示为串联连接的电抗器101(图中表示为L)与电容器103(图中表示为C)的电路原理图，在使用时如有需要，将其组合，组合时，将两个单体结构中的电容器103直接并联则形成如图3所示的“T”型滤波器，将两个单体结构中的电抗器101未与电容器103连接的一端串联，则形成“π”型滤波器。当应用到对电力变压器的滤波应用场合时，例如进行局部放电测试时，当每一相都需要以单体结构组合的方式进行滤波时，对电力变压器进行一次局部放电测试，需要6台单体结构同时使用。
为了更详细地描述本申请的高压低通滤波器10，下面结合图5描述根据本公开的高压低通滤波器10的示例性设计方法。
在步骤201中，为了使高压低通滤波器10能够应用到110kV以上电压等级的电力变压器，在该实施例中，所设计高压低通滤波器10达到的指标为：
额定电压：对地80kV(有效值)
衰减特性：100kHz-400kHz的滤波频率衰减≥40dB
自身局部放电：≤5pC。
在本实施例中，为了满足多数变压器的局部放电试验要求，将额定电压提高到100A。
在本实施例中，额定频率为150Hz，可以满足发电机组的输出电源频率为100Hz-200Hz之间的情况。
在本实施例中，本公开的高压低通滤波器10可以满足：在40kHz至100kHz的条件下，衰减能力为20dB以上；且在100kHz到400kHz的条件下，衰减能力为40dB以上。由于一般试验现场局部放电测试背景噪音超过1000pC，在100-400kHz范围内，衰减40dB，则通本公开的高压低通滤波器10可以在局部放电测试中将该范围内的背景噪声降低至10pC。
在步骤203中，确定高压低通滤波器10的阻抗。为了满足80kV的额定电压和100A的额定电流，即，被测电力变压器的励磁阻抗满足：Z＝80kV/100A＝800Ω，而滤波器的阻抗尽可能低，以避免插入损耗，通常其阻抗为被测电力变压器的励磁阻抗的1％左右，在本实施例中，可以将高压低通滤波器10的电抗器101阻抗(用X表示)定为10Ω。
在步骤205中，根据所确定的阻抗值，确定高压低通滤波器10的电感量为：
在步骤207中，确定电容器103的电容量。具体地，如果假定负载阻抗Z2与干扰源阻抗Z0相等，即失调参数V＝Z2/Z＝1，当电压等级小于1kV时，干扰源以及传输线的内部阻抗通常为50Ω或75Ω，在本实施例中，额定电压为80kV，则干扰源阻抗假定为4000Ω。
在实际测试中，失调参数Z2/Z0＝1是不存在的，在电力系统中，滤波器带不同的负载失调参数存在较大差别，而在高电压等级的电力变压器中，准确确定失调参数更是难点。
在本公开中，确定了KL/Z0与实际失调参数之间的拟合关系，利用该拟合关系计算电容值。具体地，拟合关系为：
其中，Ω表示KL/Z0，K＝2π，L为高压低通滤波器的电抗器的电感
值，Z0为干扰源阻抗，A为常量参数5.32。
在本实施例中，在留有40％裕度的情况下，当高压低通滤波器10从100kHz起达到40dB时，转折频率fs＝100×60％＝60kHz。则KL/Z0＝2×π×60000Hz×0.01H/(4000)＝0.94，将KL/Z0的值带入式(2)，计算出V＝5.6。
则可以得到C＝L×(V/Z0)≈20nF。
因此本实施例的高压低通滤波器10的单体结构中电抗器101的值为5mH，电容器103的值为10nF。
通过上述确定KL/Z0与实际失调参数之间的拟合关系过程，可以一次性得到在高压等级下低通滤波器的电容器的值，使得在高电压等级的生产设计不必利用低压条件下的大量仿真与调试过程，从而克服了高压等级下不可设计生产的问题。也就是，简化滤波器中电容器的设计过程，使得高压低通滤波器能够形成产业化生产。
对上述方法装配后的单体结构进行常规试验，得到表3所示的各项实验结果：
表3
依照图6所示的电路原理图对本实施例得到的高压低通滤波器10的单体结构的衰减特性进行测量，其中，G表示信号发生器，R1等效于干扰源阻抗，R2等效于负载阻抗，V1和V2表示交流毫伏表。插入损耗定义为实验结果如表4所示：
表4
通过表3和表4的测试结果可以看出，将本实施例的高压低通滤波器10接入电力变压器进行局部放电测量，当试验电压为80kV时，局部放电量为2pC，不大于5pC，且插入损耗不大于50dB。使用本公开的高压低通滤波器10，可以为局部放电试验提供一个理想的试验条件。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种高压低通滤波器，包括电抗器和电容器，其特征在于，所述高压低通滤波器为100kV及以上电压等级的低通滤波器。
2.如权利要求1所述的高压低通滤波器，其特征在于，所述高压低通滤波器的所述电容值为根据KL/Z0与实际失调参数之间的拟合关系得到的，所述拟合关系为：
其中，Ω＝KL/Z0，K＝2π，L为所述电抗器的电感值,Z0为干扰源阻抗，A为常量参数5.32。
3.如权利要求1所述的高压低通滤波器，其特征在于，包括一个或多个单体结构，每个单体结构包括一个所述电容器和一个所述电抗器。
4.如权利要求1所述的高压低通滤波器，其特征在于，所述高压低通滤波器的衰减特性为：
在40kHz至100kHz的条件下，衰减能力为20dB以上；以及
在100kHz到400kHz的条件下，所述衰减能力为40dB以上。
5.如权利要求1所述的高压低通滤波器，其特征在于，所述高压低通滤波器还包括均压环，位于所述高压低通滤波器顶部及所述高压低通滤波器的电抗器与电容器之间。
6.一种高压低通滤波器的设计方法，其特征在于，包括：
确定所述高压低通滤波器的设计指标；
根据所述高压低通滤波器的设计指标中的额定电压与额定电流确定滤波器阻抗；
确定所述高压低通滤波器的电抗器的电感值；以及
确定所述高压低通滤波器的电容值，所述电容值为根据KL/Z0与实际失调参数之间的拟合关系得到的，所述拟合关系为：
其中，Ω＝KL/Z0，K＝2π，L为所述电抗器的电感值，Z0为干扰源阻抗，A为常量参数5.32，
其中，所述高压低通滤波器为100kV及以上电压等级的高压低通滤波器。
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