CN110824346B - 一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高压电气试验技术领域，尤其涉及一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置。由电动汽车电源输出与变频电源模块相连，变频电源模块与励磁变压器一次侧相连；励磁变压器二次侧一端接地，另一端与电抗器输入端串连；电抗器输出端通过纯铜同轴电缆，铜芯同时和电容式分压器高压臂输入端、被试断路器输入端相连；同轴电缆电容为电缆自身存在的电容；电容式分压器模块接地端通过同轴电缆的屏蔽层接地，被试断路器外壳或接地端通过同轴电缆屏蔽层接地；变频电源模块通过无线通信方式与手持式无线控制器实现连接与无线控制。解决了配电网柱上高压断路器交流耐压试验难以获取电源的难题，有效防止谐波峰值对试品的误击穿，提升试验效率。
Description
技术领域
本发明属于高压电气试验技术领域，尤其涉及一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置。
背景技术
电力设备在运行中，绝缘长期受着电场、温度和机械振动的作用会逐渐发生劣化，其中包括整体劣化和部分劣化，形成缺陷。交流耐压试验是鉴定电力设备绝缘强度最有效和最直接的方法，是预防性试验的一项重要内容。此外，由于交流耐压试验电压一般比运行电压高，因此通过试验后，设备有较大的安全裕度，因此交流耐压试验是保证电力设备安全运行的一种重要手段。
目前国内常用的现场高压电气设备交流耐压试验装置主要针对66kV及以上高压设备进行设备试验。在对10kV配网现场柱上高压断路器等设备开展交流耐压试验时，存在现场供电困难，试验设备庞大等现实问题而无法顺利开展。且采用人工手动控制，安全性低等诸多问题。
目前国内尚无电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置。其目的是为了解决10kV配网线路现场高压断路器等设备交流耐压试验存在现场取电源困难，无法根据具体被试断路器容量选择相应的单元，设备笨重需吊车安装，携带不方便，安全性低等诸多问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置，由电动汽车电源输出与变频电源模块相连接，变频电源模块与励磁变压器一次侧相连接；励磁变压器的二次侧一端接地，另一端与电抗器的输入端串连；所述电抗器的输出端通过纯铜同轴电缆，其铜芯同时和电容式分压器的高压臂输入端、被试断路器的输入端相连；同轴电缆电容为电缆自身存在的电容；电容式分压器模块的接地端通过同轴电缆的屏蔽层接地，被试断路器的外壳或接地端通过同轴电缆的屏蔽层接地；变频电源模块通过无线通信方式与手持式无线控制器实现连接与无线控制。
所述电动汽车电源输出与变频电源模块通过两根纯铜电瓶搭火线相连，变频电源模块与励磁变压器一次侧通过两根纯铜电瓶搭火线相连；励磁变压器的二次侧一端接地，另一端与电抗器的输入端通过纯铜导线串连；所述电抗器的输出端通过一根纯铜同轴电缆，其铜芯同时和电容式分压器的高压臂输入端、被试断路器的u、v、w三个输入端相连；同轴电缆电容为上述纯铜同轴电缆内部两根电缆自身存在的电容；被试断路器7的U、V、W、N四个输出端通过同轴电缆的屏蔽层接地。
所述电动汽车电源输出为整机提供工作电源。
所述变频电源模块以无线通信手段完成对手持式无线控制器控制；变频电源模块以及手持式无线控制器均采用Zigbee无线通信技术。
所述变频电源模块根据实际需要输出不同幅值及频率的正弦交流电，在满足下列公式的条件时输出谐振高压，将被试断路器7两端电压幅值以及系统输出频率值发送到手持式无线控制器，同时在TFT显示屏上刷新：
上述公式中：其中，f为谐振频率，π取3.1415926，L为电抗器的电抗值，C为电容式分压器模块的电容值，同轴电缆电容和被试断路器三者电容量的相加。
变频电源模块的两根纯铜电瓶搭火线相连到励磁变压器的低压一次输入端，经励磁变压器升压与隔离后，励磁变压器的二次输出端经过一铜导线与电抗器相串连，并与引出电容式分压器、电缆电容、被试断路器相并联，在满足谐振频率下被试断路器开展耐压试验。
所述变频电源模块是由无线收发模块与微处理器的异步通信口相连，按键控制与微处理器的外部中断A相连；TFT显示屏与微处理器的PortA口相连；电压采样与微处理器的AD0转换口相连，电流采样与微处理器的AD1转换口相连；过流保护与微处理器的外部中断B相连，电平转换模块与微处理器的PWM0、PWM1、PWM2、PWM3输出口分别相连，IGBT桥与电平转换模块相连；LC滤波电路与IGBT桥相连，上述各个模块均集成在一个电路板上。
所述无线收发模块采用基于Zigbee无线技术的近距离无线通信模块，与手持式无线遥控器交互；
所述按键控制采用矩阵型十六点按键控制，工作模式为：全自动模式、手动模式、自动调谐手动升压模式；
所述TFT显示屏由大屏幕彩屏液晶构成，具备同屏幕显示系统电压，交流频率等参数。
所述电压采样从电容式分压器的低压信号输出处测试按比例衰减后的高压信号，并与微处理器的AD0转换口相连，根据电容式分压器的衰减系数，反演出加在被试断路器的实际高压幅值；
所述电流采样、过流保护同时监测励磁变压器一次侧线圈电流，并与微处理器的AD转换口相连，测试出励磁变压器一次侧线圈电流值，并显示在TFT显示屏上；当电流超过设定保护动作值时，过流保护模块输出报警信号，微处理器控制整机停机输出，保证断路器安全。
所述微处理器完成电压、电流等数据的测试、处理，并不断的控制加载于被试断路器上的电压Ux为设定的正弦电压；
所述电平转换模块由两片IR2113型的MOS全桥驱动芯片构成，实现控制信号到功率信号的转换；
所述IGBT桥由4组低内阻N沟道S80N22T阵列构成，其每只管子耐压值达80V；
所述LC滤波电路由大功率铁硅铝电感和高压电容并联构成低通滤波电路，功率输出经低通滤波后波形平滑，谐波成分低，实现波形到纯正弦波转换，LC滤波电路的输出端连接励磁变压器。
一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压方法，包括以下步骤：
步骤1.对被试配网断路器进行交流耐压试验时，引出电缆的导线一端接到断路器的每一相，另一相接地与外壳，电容式分压器的信号线连接变频电源模块；
步骤2.接线检查无误后，打开系统电源，设置变频电源模块输出起始电压，并通过励磁变压器加在被试断路器上；系统在30-300Hz范围内以O.1Hz的扫频间隔，寻找输出电压的谐振点频率；
步骤3.在扫频过程中，系统的输出电压峰值也会在某一频率出现，该频率即为谐振频率，并自动锁定；
步骤4.包括三种工作模式：全自动模式、手动模式、自动调谐手动升压模式；根据实际需求，选择合适的模式进行升压；当电压升至被试断路器额定试验电压42kV后，开启电压跟踪模式；
步骤5.直至试验结束，若被试断路器绝缘性能不满足要求，发生绝缘闪络而中断试验，则判别试验中断原因，并记录；
步骤6.被试断路器发生击穿时，自动断开电源。
与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：
(1)利用电动汽车供电，电源取自电动汽车动力电源，将测试线从车内引出至断路器设备即能完成耐压试验操作，解决了配电网柱上高压断路器交流耐压试验难以获取电源的实际难题。车载一体化设计改进了传统分立模块连线。
(2)利用具有大电容量的引出电缆连接高压断路器进行试验，既达到了串联谐振的效果又缩小了设备体积，改善了输出电压的波形畸变，获得很好的正弦波形，有效的防止了谐波峰值对试品的误击穿。具体采用同轴电缆自身存在的对地电容取代了独立电容元件，大幅提升了试验效率。
(3)采用ZigBee无线技术控制系统的输出，增加了试验人员与高压设备的距离；具体是变频电源模块通过Zigbee无线通信方式与手持式无线遥控器实现通信，保障了试验人员安全。
(4)针对配电网10kV高压断路器自身电容量配置了相应的电抗器单元，有效减小了装置体积，摆脱了设备笨重需吊车安装，携带不方便的问题，在电力试验行业具有广泛的应用价值。
附图说明
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，以下实施例用于说明本发明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明中的变频电源模块结构框图。
图中：电动汽车电源输出1；变频电源模块2；励磁变压器3；电抗器4；电容式分压器5；同轴电缆电容6；被试断路器7；手持式无线控制器8；无线收发模块9；按键控制10；TFT显示屏11；电压采样12；电流采样13；过流保护14；微处理器15；电平转换模块16；IGBT桥17；LC滤波电路18。
具体实施方式
本发明是一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置，如图1所示，图1是本发明的整体结构示意图。
整个装置由集成于试验箱中的各模块构成，其中，电动汽车电源输出1与变频电源模块2通过两根纯铜电瓶搭火线相连，变频电源模块2与励磁变压器3通过两根纯铜电瓶搭火线相连；励磁变压器3二次侧一端接地，另一端与电抗器4的输入端通过纯铜导线串连；所述电抗器4的输出端通过一根纯铜同轴电缆，其铜芯同时和电容式分压器5的高压臂输入端、被试断路器7的u、v、w三个输入端相连；其中，同轴电缆电容6为上述纯铜同轴电缆内部两根电缆自身存在的电容。电容式分压器模块5的接地端通过同轴电缆的屏蔽层接地，被试断路器7的U、V、W、N四个输出端或外壳通过同轴电缆的屏蔽层接地。变频电源模块2通过无线通信方式与手持式无线控制器8实现连接与无线控制。各个模块集成于试验箱中，可根据具体被试配网设备容量选择相应的单元，有效减小了装置体积，改进了设备笨重需吊车安装，携带不方便的问题。
实施例1:
本发明一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置是按如下技术方案来实施的：
由电动汽车电源输出为整机提供工作电源，具备容量大，工作可靠的特点，仅需要试验人员驾驶到试验杆塔下就可以开展试验。
所述变频电源模块2以无线通信手段完成对手持式无线控制器8控制。变频电源模块2以及手持式无线控制器8均采用Zigbee无线通信技术。
所述变频电源模块2能够根据实际需要输出不同幅值及频率的的交流电，当在满足下列公式的条件时能够输出谐振高压，并将被试断路器7两端电压幅值以及系统输出频率值发送到手持式无线控制器8，同时在TFT显示屏11上刷新。
上述公式中：其中，f为谐振频率，π取3.1415926，L为电抗器4的电抗值，C为电容式分压器模块5的电容值，同轴电缆电容6和被试断路器7三者电容量的相加。
变频电源模块2的两根纯铜电瓶搭火线相连到励磁变压器3的一次输入端，经励磁变压器3升压与隔离后，励磁变压器3的二次侧输出端经过一铜导线与电抗器4相串连，并与引出电容式分压器5、电缆电容6、被试断路器7相并联，在满足谐振频率下被试断路器7开展耐压试验。
所述手持式无线遥控器8由试验人员手持操作，采用ZigBee无线技术控制系统的输出，增加了试验人员与高压设备的距离，保证了人身安全。
实施例2：
如附图2所示为本发明中的变频电源模块结构框图。包括无线收发模块9；按键控制10；TFT显示屏11；电压采样12；电流采样13；过流保护14；微处理器15；电平转换模块16；IGBT桥17；LC滤波电路18；励磁变压器3。
所述无线收发模块9与微处理器15的异步通信口相连，所述按键控制10与微处理器15的外部中断A相连，TFT显示屏11与微处理器15的PortA口相连；所述电压采样12与微处理器15的AD0转换口相连，电流采样13均微处理器15的AD1转换口相连。所述过流保护14与微处理器15的外部中断B相连。所述电平转换模块16与微处理器15的PWM0、PWM1、PWM2、PWM3输出口分别相连。所述IGBT桥17与电平转换模块16相连。所述的LC滤波电路18与IGBT桥17相连。上述各个模块均集成与一个电路板上。滤波电路18的输出端连接到励磁变压器3。
本发明是按如下技术方案来实施的：
所述无线收发模块9采用基于Zigbee无线技术的近距离无线通信模块，可满足与手持式无线遥控器8完成交互，增加了试验人员与高压设备的距离，保证了人身安全。
所述按键控制10采用矩阵型十六点按键控制，通过试验人员的设定完成各种参数的设定装置具有三种工作模式，方便用户根据现场情况灵活选择，提高试验速度。工作模式为：全自动模式、手动模式、自动调谐手动升压模式。
所述TFT显示屏11由大屏幕彩屏液晶构成，具备同屏幕显示系统电压，交流频率等参数。
所述电压采样12从电容式分压器5的低压信号输出处测试按比例衰减后的高压信号，并与微处理器15的AD0转换口相连，并根据电容式分压器5的衰减系数，反演出加在被试断路器7的实际高压幅值。
所述电流采样13、过流保护14同时监测励磁变压器3一次侧线圈电流，并与微处理器15的AD转换口相连，测试出励磁变压器初级线圈电流值，并显示在TFT显示屏11上，试验人员可以及时掌握系统运行状态。当电流超过设定保护动作值时，过流保护模块输出报警信号，微处理器15控制整机停机输出，保证断路器安全。
所述的微处理器15完成电压、电流等数据的测试、处理，并不断的控制加载于被试断路器上的电压Ux为设定的正弦电压。
所述电平转换模块16由两片IR2113型的MOS全桥驱动芯片构成，其内部具备光电隔离以及电磁隔离的特点，实现了控制信号到功率信号的转换。
所述IGBT桥17由4组低内阻N沟道S80N22T阵列构成，其每只管子耐压值可到达80V，具有导通电阻RDS小于5mΩ，损耗低，效率高，输出稳定等优点。
所述LC滤波电路18由大功率铁硅铝电感和高压电容并联构成低通滤波电路，功率输出经低通滤波后波形平滑，谐波成分低，可实现波形到纯正弦波转换的优点。LC滤波电路18的输出端连接励磁变压器3。
在具体实施时，本发明一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置的实施控制步骤如下：
(1)对被试配网断路器进行交流耐压试验时，引出电缆的导线一相同时接到断路器的每一相，另一相接地或外壳。电容式分压器5的信号线连接到变频电源模块。
(2)接线检查无误后，打开系统电源，设置变频电源模块2输出起始电压，并通过励磁变压器3加在被试断路器上。系统在30-300Hz范围内以O.1Hz的扫频间隔，寻找输出电压的谐振点频率。
(3)在扫频过程中，系统的输出电压峰值也会在某一频率出现，该频率即为谐振频率，并自动锁定。
(4)装置具有三种工作模式，方便用户根据现场情况灵活选择，提高试验速度。工作模式为：全自动模式、手动模式、自动调谐手动升压模式。根据实际需求，选择合适的模式进行升压；当电压升至被试断路器额定试验电压42kV后，开启电压跟踪模式。
(5)直至3分钟后试验结束。若被试断路器绝缘性能不满足要求，发生绝缘闪络而中断试验，则判别试验中断原因，并作好记录。
(6)试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭，且恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪络电压前断开电源。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置，其特征是：电动汽车电源输出(1)与变频电源模块(2)相连接，变频电源模块(2)与励磁变压器(3)一次侧相连接；励磁变压器(3)的二次侧一端接地，另一端与电抗器(4)的输入端串连；所述电抗器(4)的输出端通过纯铜同轴电缆，其铜芯同时和电容式分压器(5)的高压臂输入端、被试断路器(7)的输入端相连；同轴电缆电容(6)为电缆自身存在的电容；电容式分压器模块(5)的接地端通过同轴电缆的屏蔽层接地，被试断路器(7)的外壳或接地端通过同轴电缆的屏蔽层接地；变频电源模块(2)通过无线通信方式与手持式无线控制器(8)实现连接与无线控制；所述电动汽车电源输出(1)与变频电源模块(2)通过两根纯铜电瓶搭火线相连，变频电源模块(2)与励磁变压器(3)一次侧通过两根纯铜电瓶搭火线相连；励磁变压器(3)二次侧一端接地，另一端与电抗器(4)的输入端通过纯铜导线串连；所述电抗器(4)的输出端通过一根纯铜同轴电缆，其铜芯同时和电容式分压器(5)的高压臂输入端、被试断路器(7)的u、v、w三个输入端相连；同轴电缆电容(6)为上述纯铜同轴电缆内部两根电缆自身存在的电容；被试断路器(7)的U、V、W、N四个输出端通过同轴电缆的屏蔽层接地；所述变频电源模块(2)以无线通信手段完成对手持式无线控制器(8)控制；变频电源模块(2)以及手持式无线控制器(8)均采用Zigbee无线通信技术；所述变频电源模块(2)根据实际需要输出不同幅值及频率的正弦交流电，在满足下列公式的条件时输出谐振高压，将被试断路器(7)两端电压幅值以及系统输出频率值发送到手持式无线控制器(8)，同时在TFT显示屏(11)上刷新：
上述公式中：其中，f为谐振频率，π取3.1415926，L为电抗器的电抗值，C为电容式分压器模块的电容值，同轴电缆电容和被试断路器三者电容量的相加；所述变频电源模块(2)的两根纯铜电瓶搭火线相连到励磁变压器(3)的低压一次输入端，经励磁变压器(3)升压与隔离后，励磁变压器(3)的二次输出端经过一铜导线与电抗器(4)相串连，并与引出电容式分压器(5)、电缆电容(6)、被试断路器(7)相并联，在满足谐振频率下被试断路器(7)开展耐压试验。
2.根据权利要求1所述一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置，其特征是：所述电动汽车电源输出(1)为整机提供工作电源。
3.根据权利要求1所述一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置，其特征是：所述变频电源模块(2)是由无线收发模块(9)与微处理器(15)的异步通信口相连，按键控制(10)与微处理器(15)的外部中断A相连；TFT显示屏(11)与微处理器(15)的PortA口相连；电压采样(12)与微处理器(15的AD0转换口相连，电流采样(13)与微处理器(15)的AD1转换口相连；过流保护(14)与微处理器(15)的外部中断B相连，电平转换模块(16)与微处理器(15)的PWM0、PWM1、PWM2、PWM3输出口分别相连，IGBT桥(17)与电平转换模块(16)相连；LC滤波电路(18)与IGBT桥(17)相连，上述各个模块均集成在一个电路板上。
4.根据权利要求3所述一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置，其特征是：
所述无线收发模块(9)采用基于Zigbee无线技术的近距离无线通信模块，与手持式无线遥控器(8)交互；
所述按键控制(10)采用矩阵型十六点按键控制，工作模式为：全自动模式、手动模式、自动调谐手动升压模式；
所述TFT显示屏(11)由大屏幕彩屏液晶构成，具备同屏幕显示系统电压，交流频率参数；
所述电压采样(12)从电容式分压器(5)的低压信号输出处测试按比例衰减后的高压信号，并与微处理器(15)的AD0转换口相连，根据电容式分压器(5)的衰减系数，反演出加在被试断路器(7)的实际高压幅值；
所述电流采样(13)、过流保护(14)同时监测励磁变压器(3)一次侧线圈电流，并与微处理器(15)的AD转换口相连，测试出励磁变压器一次侧线圈电流值，并显示在TFT显示屏(11)上；当电流超过设定保护动作值时，过流保护模块输出报警信号，微处理器(15)控制整机停机输出，保证断路器安全。
5.根据权利要求4所述一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置，其特征是：所述微处理器(15)完成电压、电流等数据的测试、处理，并不断的控制加载于被试断路器上的电压Ux为设定的正弦电压；
所述电平转换模块(16)由两片IR2113型的MOS全桥驱动芯片构成，实现控制信号到功率信号的转换；
所述IGBT桥(17)由4组低内阻N沟道S80N22T阵列构成，其每只管子耐压值达80V；
所述LC滤波电路(18)由大功率铁硅铝电感和高压电容并联构成低通滤波电路，功率输出经低通滤波后波形平滑，谐波成分低，实现波形到纯正弦波转换，LC滤波电路(18)的输出端连接励磁变压器(3)。
6.根据权利要求1所述一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置，其特征是：一种电动汽车供电的配电网断路器串联谐振耐压装置的实现方法，包括以下步骤：
步骤1.对被试配网断路器进行交流耐压试验时，引出电缆的导线一端接到断路器的每一相，另一相接地与外壳，电容式分压器的信号线连接变频电源模块；
步骤2.接线检查无误后，打开系统电源，设置变频电源模块输出起始电压，并通过励磁变压器加在被试断路器上；系统在30-300Hz范围内以O.1Hz的扫频间隔，寻找输出电压的谐振点频率；
步骤3.在扫频过程中，系统的输出电压峰值也会在某一频率出现，该频率即为谐振频率，并自动锁定；
步骤4.包括三种工作模式：全自动模式、手动模式、自动调谐手动升压模式；根据实际需求，选择合适的模式进行升压；当电压升至被试断路器额定试验电压42kV后，开启电压跟踪模式；
步骤5.直至试验结束，若被试断路器绝缘性能不满足要求，发生绝缘闪络而中断试验，则判别试验中断原因，并记录；
步骤6.被试断路器发生击穿时，自动断开电源。
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