CN113358939A - 一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法。高频变压器一般采用环氧树脂进行浇注，高频非正弦电压、电流和高温环境会导致绝缘损耗增加。本发明的主要内容如下：考虑高频变压器典型工况，搭建了高频电场下绝缘介质损耗测试平台；测试平台包括高压电源、测试单元、检测/采集单元和控制单元，可实现最高10kV的方波电压，频率高达10kHz，温度最高200℃；根据测试要求，提出了高频方波电压下绝缘介质的测试方法；采用高压差分探头、高频电流探头检测电压和电流，通过设置连续触发条件利用示波器采集瞬时电压和电流，提出绝缘介质损耗计算方法。

Description

一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法

技术领域

本发明是关于一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，属于电气设备及电气工程领域。

背景技术

由于可再生能源与分布式发电的快速发展，电力电子变压器受到越来越多的关注。高频变压器作为电力电子变压器的核心部件，起到电压隔离与能量交换的作用，其设计开发、性能的稳定与否直接关系到整个系统的安全稳定运行。高频变压器是一种特殊的变压器，其频率高、功率密度大。容量和电压等级相同时，高频变压器相比传统电力变压器体积要小很多。另外，在电力电子变压器运行工况中，高频变压器所变换的不是正弦电压，而是接近方波的高频脉冲电压。高频变压器的设计与传统电力变压器差异较大。高频变压器的工作环境往往是高压、高频与高温的共同作用，同时电压包含复杂高频谐波成分。在运行工况下，由于高频与谐波电压的共同作用，高频变压器铁芯、绕组和绝缘介质都会产生大量的损耗，然而，高频变压器的体积较小，散热面积较小，最终就会导致高频变压器的热量不断积累，温度上升，威胁高频变压器的安全稳定工作。

高频变压器的设计主要包括磁芯材料、绕组安排、结构分析和绝缘设计。其中绝缘介质材料与绝缘结构的性能是制约高频变压器性能的一个关键因素，传统变压器的绝缘损耗计算往往参考工频正弦电压和直流电场下的计算公式，而高频方波介质计算没有系统的方法。另外，绝缘介质损耗是高频变压器设计必须考虑的首要关键因素。因此，本发明提出一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，旨在为高压高频变压器设计提供基础。

发明内容

本发明针对目前大容量电力电子变压器中高频变压器绝缘设计的基本问题，提出一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，通过本方法可以测试与分析计算高场高频下绝缘介质损耗。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，所述的聚合物绝缘介质为环氧树脂。所述的实验测试平台主要包括高压高频电源、测试单元、检测/采集单元和控制单元。高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法包括以下具体步骤：

步骤1：

基于高频变压器典型运行工况特性，如高频方波电压，高温等，搭建聚合物绝缘介质损耗测试平台。测试平台包括高压高频电源、电极和被测试样单元、保护模块、检测模块、数据采集单元、程序控制单元和屏蔽措施。

步骤2：

设置所述高压高频电源输出电压波形、频率、稳定电压和实验温度；所述电压波形为方波。

步骤3：

设置检测模块检测实验波形，存储所述聚合物绝缘介质的实验电压与电流波形。

步骤4：

对所述实验电数据按傅里叶展开，电压有效值U_k、电流有效值I_k和相位差

步骤5：

将所述电压有效值U_k、电流有效值I_k和相位差

的余弦值代入有功功率计算公式获取有功损耗P_k(k＝1,2,3…n)；

步骤6：

将所述有功损耗P_k代入介质损耗计算公式

计算获得不同频率下的介质损耗正切值tanδ_k(k＝1,2,3…n)；

步骤7：

将所述不同频率下的介质损耗正切值tanδ_k(k＝1,2,3…n)求平均值即可得聚合物的介质损耗正切值。

所述步骤1中高场高频下聚合物绝缘介质损耗测试平台包括高压高频电源、电极和被测试样单元、保护模块、检测模块、数据采集单元、程序控制单元和屏蔽措施。高压高频电源有数据采集卡、功率放大电路、高频变压器、驱动和保护电路组成；测试回路中串联一个2MΩ电阻进行限流保护；检测模块采用高压差分探头和高频电流探头检测电压和电流波形。

进一步的：所述步骤2中电压频率最高可达10kHz，其电源电压波形为占空比50％的方波，所述实验温度最高可达200℃。

进一步的：所述步骤3通过检测模块检测电压与电流波形，并实时采集和存储电压与电流波形。

进一步的：所述步骤4傅里叶展开式将实验获取的电压与电流波形展开为三角级数，获取不同电压频率的电压有效值U_k、电流有效值I_k和相位差

进一步的：所述步骤5同一谐波频率下的电压有效值U_k、电流有效值I_k和相位差

代入有功损耗计算公式

即可获得对应频率下的环氧树脂介质损耗有功值。

进一步的：所述步骤6介质损耗密度代入介质损耗计算公式

即可获得介质损耗正切值tanδ_k，式中电容C_s为定值，可以通过公式C_s＝εS/d计算获得。

进一步的：所述步骤7不同频率下的介质损耗正切值tanδ_k求平均值即可获得介质损耗正切值的平均值

本发明具有以下优点：1、本技术方案充分考虑电力电子变压器中高频变压器绝缘介质的典型运行工况，高压电源可以输出的电压频率范围较大，最高可达10kHz，输出最高电压可达10kV，电压波形为方波，覆盖高频变压器的典型运行工况。2、本技术方案可以实现不同温度下的聚合物绝缘介质损耗计算，最高实验温度可达200℃，覆盖高频变压器的运行温度工况。3、本技术方案可以实现高场高频下聚合物绝缘介质损耗的计算。

附图说明

图1高场高频下聚合物绝缘介质损耗测试平台组成示意图。

图2本发明方法的流程图。

图3示波器采集得到的电压波形。

图4示波器采集得到的电流波形。

具体实施方式

以下结合说明书附图来对本发明的技术方案和工作原理做进一步的详细描述。附图是为了更好地理解本技术方案的具体实施方法，他们不应该理解成对本发明的限制。本发明提出一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，通过输出频率可调的高频方波电压，绝缘介质试样所处环境温度可调。

参照图1所示，高场高频下聚合物绝缘介质损耗测试平台结构示意图，主要包括高压电源、测试单元、检测与采集单元和控制单元。其中高压电源包含功率放大器和高频升压变压器；测试单元包括恒温油浴、柱-板电极、硅油和测试试样；检测与采集单元包含示波器、差分电压探头和高频电流探头；控制单元包括软件控制界面、数据采集卡等。可实现方波电压参数，如频率、幅值和上升时间的控制。

参照图2所示，本发明方法的流程图，由高频高场下聚合物绝缘介质损耗测试平台采集得到电压与电流波形，分别参照图3和图4。将图3电压波形和图4电流波形经过傅里叶展开后可获取各个次谐波的电压电流以及相位差，并计算出各个次谐波的功率P_k。再由谐波功率值计算出介质损耗角正切值tanδ_k，求的平均值即为方波电压下的介质损耗角正切值

采用本方法的工作过程及原理：

步骤1：

高频变压器绝缘介质的典型运行工况是高频电压波形，且工作在高温环境中，聚合物绝缘介质损耗测试平台需兼顾电压与温度工况。

针对电力电子变压器中高频变压器的电压波形频率和温度环境，进行环氧树脂试样损耗测试与分析。试样厚度为30μm，环氧树脂试样被分割为与电极面积大小相近，其中心位置夹在柱-板电极之间。搭建如图1所示的聚合物绝缘介质损耗测试实验平台，组成实验平台的各部分模块的具体参数如表1所示。

表1实验平台参数

步骤2：

将所述控制单元的电压波形、幅值、频率以及实验温度设置为指定值，其中电压幅值最大值为10kV，频率最高可达10kHz，温度通过油浴最高可设置为200℃。

步骤3：

使用所述的检测模块的高压差分探头和电流探头测量并采集并存储试样两端实时电压和电流波形。高压差分探头高压端连接柱-板电极的上电极，高压差分探头的接地端连接柱-板电极的下电极(接地)，电流探头串联在电路中。

步骤4：

对所述实验电压与电流波形数据按傅里叶展开，电压有效值U_k、电流有效值I_k和相位差

步骤5：

将所述电压有效值U_k、电流有效值I_k和相位差

的余弦值代入有功功率计算公式获取有功损耗P_k(k＝1,2,3…n)，有功损耗计算如下式：

步骤6：

将所述有功损耗P_k代入介质损耗计算公式计算获得不同频率下的介质损耗正切值tanδ_k，介质损耗计算公式如下：

其中电容C_s的计算公式为：

式中ε为聚合物介电常数，S为电极与试样正对面积，d为试样厚度。

步骤7：

将所述不同频率下的介质损耗正切值tanδ_k求平均值即可得聚合物的介质损耗正切值，方波下的介质损耗正切值为：

通过上述实施方式可以说明本技术方案，其中各部件的结构、连接方式和工艺等都是可以有所变化的，但凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，其特征在于，包含具体步骤如下：

步骤1：高场高频下聚合物绝缘介质损耗测试需搭建平台并产生高频方波电压并施加在聚合物绝缘介质上，通过程序控制单元控制高压高频电源产生高频电压施加在被测试样上，保护模块、检测模块和数据采集单元分别串联或并联在回路中；

步骤2：将控制单元设置指定频率和幅值的方波电压和实验温度，接通电压后幅值上升至2kV并保持恒定；

步骤3：通过检测模块实时检测并存储聚合物绝缘介质的实验电压与电流波形；

步骤4：对实验电压与电流数据进行傅里叶展开，获取不同谐波次数k的电压有效值U_k、电流有效值I_k和相位差

步骤5：将电压有效值U_k、电流有效值I_k和相位差

的余弦值代入有功功率计算公式获取不同频率下的有功损耗P_k(k＝1,2,3…n)；

步骤6：将有功损耗P_k代入介质损耗计算公式

计算获得不同谐波k频率下的介质损耗正切值tanδ_k(k＝1,2,3…n)；

步骤7：将不同频率下的介质损耗正切值tanδ_k(k＝1,2,3…n)求平均值即可得聚合物的介质损耗正切值。

2.根据权利要求1所述的一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，其特征在于，步骤1中高场高频下聚合物绝缘介质损耗测试平台包括高压高频电源、电极和被测试样单元、保护模块、检测模块、数据采集单元、程序控制单元和屏蔽措施，高压高频电源有功率放大电路、高频变压器、驱动和保护电路组成；检测模块采用高压差分探头和高频电流探头检测电压和电流波形，控制单元通过数据采集卡控制电源输出高频电压加在检测模块的电极上，高压差分探头与电极并联采集电压信号，高频电流探头串联在回路中采集电流信号，测试回路中串联一个2MΩ电阻进行限流保护。

3.根据权利要求1所述的一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，其特征在于，步骤2中电压频率最高可达10kHz，其电源电压波形为占空比50％的方波，所述实验温度最高可达200℃。

4.根据权利要求1所述的一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，其特征在于，步骤3通过检测模块检测电压与电流波形，并实时采集和存储电压与电流波形。

5.根据权利要求1所述的一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，其特征在于，步骤4通过傅里叶展开式将实验获取的电压与电流波形展开为三角级数，获取所有的电压有效值U_k、电流有效值I_k和相位差

6.根据权利要求1所述的一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，其特征在于，步骤5的将同一谐波频率下的电压有效值U_k、电流有效值I_k和相位差

代入式

即可获得对应频率下的环氧树脂介质损耗。

7.根据权利要求1所述的一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，其特征在于，步骤6将不同频率下的介质损耗密度代入介质损耗计算公式

即可获得介质损耗正切值tanδ_k，式中电容C_s为定值，通过公式C_s＝εS/d计算获得。

8.根据权利要求1所述的一种高场高频下聚合物绝缘介质损耗计算方法，其特征在于，步骤7将不同频率下的介质损耗正切值tanδ_k求算数平均值即可求得介质损耗正切值的平均值

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