CN113759292A - 一种配电变压器短路试验装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电变压器短路试验装置和试验方法，其中装置包括多绕组移相变压器，若干功率单元，短路开关，试验变压器，交流电源通过总开关连接到多绕组移相变压器的输入端，多绕组移相变压器的多个输出端分别接到多个功率单元的输入端；多个功率单元通过其内部的逆变器电路串联；第一路中功率单元的输出端接到短路开关的输入端上；短路开关的输出端通过总输出电缆接到要进行短路试验的试验变器上。本发明涉及电性能测试装置领域，与现有技术相比的优点在于：输出控制精确、成本低廉、供电电源需求低且安全性高。
Description
技术领域
本发明涉及电性能测试装置领域，具体是指一种配电变压器短路试验装置和试验方法。
背景技术
电力变压器是电力系统中最重要和最昂贵的电气设备之一，提高电力变压器，特别是大型电力变压器运行的可靠性，无论对整个电网的安全可靠运行，还是降低电网运行成本都具有十分重要的意义。
电力变压器无法完全依靠常规试验判断其承受短路电动力的能力，必须开展承受短路能力试验明确其线圈整体机械强度是否满足系统要求。GB/T1094.3-2003《电力变压器第3部分绝缘水平绝缘试验和外绝缘空气间隙》和GB 50150-2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》已对电力变压器的绝缘试验以及性能试验提出了详细的试验要求，试验开展较为成熟。但目前承受短路能力试验并未列为电力变压器入网必检项目，更没有列为重点试验项目，质量控制体系尚不完善。全面开展电力变压器承受短路能力试验，将能防止更多抗短路能力不足的电力变压器流入电网，提升电力变压器质量源头的把控水平。
目前制约电力变压器承受短路能力试验开展的瓶颈主要是技术壁垒高、试验难度大，导致产能不足和成本居高不下。一方面该试验对试验电源和试验装置要求较高。电力变压器承受短路能力试验对试验电源容量要求极高，现有的承受短路能力试验系统投资和占地规模较大，建设申请审批难度很大。例如，采用冲击发电机组完成变压器短路冲击试验，整个电源系统包含电动机、发电机、冲击变压器等设备，由于含有旋转电机，需要配套润滑、保护、盘车等辅助设备，系统造价十分高昂同时设备维护量大。采用电网专用线路供电取得试验电源，需要的试验变压器、调节电抗器等设备投资较大，电网接入点电压等级高，对电网电能质量影响大，另一方面国内该试验产能不足，成本居高不下。
因此，需要进一步开发优化储能配合、快速响应、大功率输出、精准控制等核心技术，建设配变储能式短路试验平台。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷，提供一种输出控制精确、成本低廉、供电电源需求低且安全性高的配电变压器短路试验装置和试验方法。
第一方面本申请提供了一种配电变压器短路试验装置，包括多绕组移相变压器3、若干功率单元4、短路开关5及试验变压器7；
其中，所述多绕组移相变压器3的输入端用于接收交流电压，且设有若干输出端，其若干输出端连接至若干所述功率单元4的输入端；
所述功率单元4包括全桥整流电路41、直流母线42、直流母线电容43、双向DC/DC变换器44、超级电容储能模块45及逆变器电路46，所述全桥整流电路41的输入端连接所述多绕组移相变压器3的输出端，所述全桥整流电路41的输出端通过所述直流母线42连接所述逆变器电路46的输入端，所述直流母线42上并联设置一个所述直流母线电容43，所述直流母线电容43连接所述双向DC/DC变换器44的输入端，所述双向DC/DC变换器44的输出端连接所述超级电容储能模块45的两端，若干所述功率单元4通过自身的所述逆变器电路46依次串联；
所述短路开关5的输入端连接至位于第一路的功率单元4的逆变器电路46的输出端，所述短路开关5的输出端连接至所述试验变压器7；
所述试验变压器7用于进行短路试验。
优选地，还包括与所述多绕组移相变压器3的输入端连接并为其提供交流电压的交流电源1，所述交流电源1上设置有用于调节交流电源1通断的总开关2。
优选地，所述总开关2为闭合状态时，持续向所述超级电容储能模块45充电，当所述超级电容储能模块45达到设定的电压时，所述总开关2断开。
优选地，所述多绕组移相变压器3的输出为三相输出，每相都采用6至10个所述功率单元4，所述功率单元4在三相上的总数量为18至30个。
优选地，所述功率单元4由所述多绕组移相变压器3的二次隔离线圈分别供电。
优选地，所述功率单元4总输出的交流电压每次持续输出0.5秒。
优选地，所述功率单元4中所述双向DC/DC变换器44包含两个状态；
在第一个状态下，所述双向DC/DC变换器44向所述超级电容储能模块45充电；
在第二个状态下，即进行短路试验时，所述双向DC/DC变换器44以所述超级电容储能模块45为电源，向所述直流母线电容43充电。
优选地，所述逆变器电路46采用H桥式SPWM逆变电路。
第二方面本申请提供了一种应用此配电变压器短路试验装置进行试验的试验方法，包括以下步骤：S1.使所述多绕组移相变压器3接收电压；
S2.检测超级电容储能模块45电压较低时，使双向DC/DC变换器44工作于Buck电路，对超级电容储能模块45充电；
S3.当超级电容储能模块45的电压值达到电容充电饱和电压阈值时，双向DC/DC变换器44停止工作，使所述多绕组移相变压器3停止接收电压；
S4.闭合短路开关5；
S5.总输出的交流电压持续输出0.5秒后断开短路开关5。
本工艺和现有技术相比所具有的优点是：
1.本发明利用高压大功率逆变技术，对输出有功无功进行精确控制，降低供电电源的需求；
2.功率型储能技术和快速DC/DC升压技术，让储能成本降低一倍高压逆变器直流侧电压更加稳定，同时吸收短路瞬间的过电压，保护高压逆变模块。
附图说明
图1是本发明配电变压器短路试验装置的结构示意图。
图2为本发明配电变压器短路试验方法流程图。
如图所示：1、交流电源，2、总开关，3、多绕组变压器，4、功率单元，41、全桥整流电路，42、直流母线，43、直流母线电容，44、双向DC/DC变换器，45、超级电容储能模块，46、逆变器电路，5、短路开关，6、总输出电缆，7、试验变压器。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明型的保护范围，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为便于对本实施例进行理解，接下来以在实际加工过程中本发明所采用的一种配电变压器短路试验装置和试验方法进行详细介绍。
实施例1：
参照图1，配电变压器短路试验装置包括交流电源1、总开关2、多绕组移相变压器3、18个功率单元4、短路开关5、总输出电缆6及试验变压器7；
其中，交流电源1，通过总开关2连接到多绕组移相变压器3的输入端，交流电源1输出交流电压，通过多绕组移相变压器3变压。
所述总开关2用于调节输入的交流电源1的通断。
所述多绕组移相变压器3的输出端连接18个功率单元4的输入端，其为三相输出，因此每相输出至6个独立的所述功率单元4，所述多绕组移相变压器3能将交流电源1的电压隔离降压、消除谐波，使得输入所述功率单元4的电流波形接近正弦波。
所述功率单元4由多绕组移相变压器3的二次隔离线圈分别供电，二次线圈相互存在一个相位差，实现高压输出；所述功率单元4以串联的方式来实现三相高压输出，并与所述多绕组移相变压器3组成了移相串联式高压变频器。具体地，功率单元4包括全桥整流电路41、直流母线42、直流母线电容43、双向DC/DC变换器44、超级电容储能模块45及逆变器电路46。
所述全桥整流电路41的输入端连接所述多绕组移相变压器3的输出端、输出端通过所述直流母线42连接所述逆变器电路46的输入端，即将交流电源1的输出交流电压，通过多绕组移相变压器3变压后，经过多路的全桥整流电路41供给直流母线42电压。
所述直流母线42上并联设置一个所述直流母线电容43，上述的所述功率单元4中全桥整流电路41和直流母线电容43组成整流滤波电路，对多绕组移相变压器3输入的交流电转化为直流电，后续再经逆变器电路46变成交流电。
所述直流母线电容43连接所述双向DC/DC变换器44的输入端，双向DC/DC变换器44是实现直流电能双向流动的装置，主要应用于直流不间断供电系统，其采用经典Buck/Boost电路拓扑，具备升降压双向变换功能，即升降压斩波电路。直流变换器工作在Boost模式下，实现升压功能；直流变换器工作在BUCK模式下，实现降压功能。因此本申请中的双向DC/DC变换器44有两个状态，在第一个状态下，双向DC/DC变换器44向超级电容储能模块45充电，在第二个状态下，即进行短路实验时，双向DC/DC变换器44以超级电容储能模块45为电源，向直流母线电容43充电。
所述双向DC/DC变换器44的输出端连接所述超级电容储能模块45的两端，其中所述超级电容储能模块45采用超级电容串联的形式，使得所述超级电容储能模块45存储的能量能达到所述逆变器电路46需要的额定电压，因此所述超级电容储能模块45存储的能量密度高，同时所述超级电容储能模块45能够将储存的能量快速释放，实现大功率输出，使得整个试验源完全独立，对电网没有依赖性，实用性灵活性进一步提高。所述超级电容储能模块45和所述双向DC/DC变换器44构成DC-DC功率型储能电路，DC-DC功率型储能电路采用多重化交错并联方案加输出电流或者功率前馈的控制方式来提高直流电源的响应速度。
逆变器电路46采用逆变桥电路为H型的H桥式SPWM逆变电路，将功率单元4输出的直流电转变为高频交流电压，通过监控超级电容储能模块45两端电压，形成闭环控制，通过电压值来调整控制SPWM的宽度，来实现后端逆变源的稳定；并且H桥逆变电路能把储能直流侧功率变换为交流输出，其中的电流电压分为四个阶段，两个阶段为直流电源放电，两个阶段为直流电源充电，整个正弦周期内放电充电相等，所以输出无功时，直流电源不需要输出能量，只在电力电子内部交换能量，消耗能量通过电力电子功率分配技术，大幅降低对电源和储能容量的需求。每个功率单元4的所述逆变器电路46依次串联设置，因此18个所述功率单元4依次串联。
并且本方案使功率单元4总输出的交流电压每次持续输出0.5秒，通过上述描述可以得出，功率单元4能够维持直流母线42电压的稳定，直流母线42的电压较低时，功率单元4工作于Boost升压电路，超级电容储能模块45对直流母线42进行放电，提高直流母线42电压，从而维持直流母线42电压稳定；当直流母线42电压较高，或者发生过电压时，功率单元4工作于Buck降压电路，直流母线42对超级电容储能模块45进行充电，降低直流母线42电压，从而维持直流母线42电压稳定，同时功率单元4与总开关2联动，其运行逻辑为总开关2为闭合状态时，持续向所述超级电容储能模块45充电，当超级电容储能模块45达到设定的电压时，总开关2断开，可以提高装置的安全性。
所述短路开关5用于控制试验变压器7，第一路的功率单元4中通过逆变器电路46的输出端接到短路开关5的输入端上，短路开关5的输出端通过总输出电缆6接到要进行短路试验的试验变压器7上，短路开关5闭合，对试验变压器7进行短路实验；
所述试验变压器7用于进行短路试验，试验变压器7选用通常的高压试验变压器，其是发电厂、供电局及科研单位等广大用户的用来做交流耐压试验的基本试验设备，其工作原理在此不再叙述。
本方案中配电变压器短路试验装置利用高压大功率逆变技术，对输出有功无功进行精确控制，可以实现供电电源的需求从14MVA下降到3MVA，考核时间仅为0.5s，但能量(3MVA*0.5s＝1.5MJ,1度电＝1kWh＝3.6MJ)却很小，针对这一特点，一种配电变压器短路试验装置采用功率型储能技术，全部或部分代替电网电源，并且配电变压器短路试验装置采用功率型储能技术+双向DC/DC技术，DC/DC电流电压双环控制稳定所述的直流母线42的电压，让储能成本降低一倍，同时吸收短路试验瞬间的产生的非对称短路过电压，在维持所述的直流母线42电压稳定的同时保护逆变器电路46。
实施例2：
针对本发明所提出的一种配电变压器短路试验装置进行短路试验的步骤，参见图2具体包括以下步骤：
S1.闭合总开关2，使所述多绕组移相变压器3接收电压；
S2.检测超级电容储能模块45电压较低时，使双向DC/DC变换器44工作于Buck电路，对超级电容储能模块45充电；
S3.当超级电容储能模块45的电压值达到电容充电饱和电压阈值时，双向DC/DC变换器44停止工作，总开关2断开，使所述多绕组移相变压器3停止接收电压；
S4.闭合短路开关5；
S5.总输出的交流电压持续输出0.5秒后断开短路开关5。
通过上述试验步骤可以得到配电变压器短路试验的相关数值，从而判断承受短路能力，为电网检修以及维护提供参考。
以上对发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种配电变压器短路试验装置，其特征在于：包括多绕组移相变压器(3)、若干功率单元(4)、短路开关(5)及试验变压器(7)；
其中，所述多绕组移相变压器(3)的输入端用于接收交流电压，且设有若干输出端，其若干输出端连接至若干所述功率单元(4)的输入端；
所述功率单元(4)包括全桥整流电路(41)、直流母线(42)、直流母线电容(43)、双向DC/DC变换器(44)、超级电容储能模块(45)及逆变器电路(46)，所述全桥整流电路(41)的输入端连接所述多绕组移相变压器(3)的输出端、输出端通过所述直流母线(42)连接所述逆变器电路(46)的输入端，所述直流母线(42)上并联设置一个所述直流母线电容(43)，所述直流母线电容(43)连接所述双向DC/DC变换器(44)的输入端，所述双向DC/DC变换器(44)的输出端连接所述超级电容储能模块(45)的两端，若干所述功率单元(4)通过自身的所述逆变器电路(46)依次串联；
所述短路开关(5)的输入端连接至位于第一路的功率单元(4)的逆变器电路(46)的输出端，所述短路开关(5)的输出端连接至所述试验变压器(7)；
所述试验变压器(7)用于进行短路试验。
2.根据权利要求1所述一种配电变压器短路试验装置，其特征在于：还包括与所述多绕组移相变压器(3)的输入端连接并为其提供交流电压的交流电源(1)，所述交流电源(1)上设置有用于调节交流电源(1)通断的总开关(2)。
3.根据权利要求2所述一种配电变压器短路试验装置，其特征在于：所述总开关(2)为闭合状态时，持续向所述超级电容储能模块(45)充电，当所述超级电容储能模块(45)达到设定的电压时，所述总开关(2)断开。
4.根据权利要求1所述一种配电变压器短路试验装置，其特征在于：所述多绕组移相变压器(3)的输出为三相输出，每相都采用6至10个所述功率单元(4)，所述功率单元(4)在三相上的总数量为18至30个。
5.根据权利要求4所述一种配电变压器短路试验装置，其特征在于：所述功率单元(4)由所述多绕组移相变压器(3)的二次隔离线圈分别供电。
6.根据权利要求1或5所述一种配电变压器短路试验装置，其特征在于：所述功率单元(4)总输出的交流电压每次持续输出0.5秒。
7.根据权利要求1所述一种配电变压器短路试验装置，其特征在于：所述功率单元(4)中所述双向DC/DC变换器(44)包含两个状态；
在第一个状态下，所述双向DC/DC变换器(44)向所述超级电容储能模块(45)充电；
在第二个状态下，即进行短路试验时，所述双向DC/DC变换器(44)以所述超级电容储能模块(45)为电源，向所述直流母线电容(43)充电。
8.根据权利要求1所述一种配电变压器短路试验装置，其特征在于：所述逆变器电路(46)采用H桥式SPWM逆变电路。
9.一种用于权利要求1-8任意一项所述配电变压器短路试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.使所述多绕组移相变压器(3)接收电压；
S2.检测超级电容储能模块(45)电压较低时，使双向DC/DC变换器(44)工作于Buck电路，对超级电容储能模块(45)充电；
S3.当超级电容储能模块(45)的电压值达到电容充电饱和电压阈值时，双向DC/DC变换器(44)停止工作，使所述多绕组移相变压器(3)停止接收电压；
S4.闭合短路开关(5)；
S5.总输出的交流电压持续输出0.5秒后断开短路开关(5)。
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