CN116054597A - 一种基于无局放的变压器试验电源系统 - Google Patents

一种基于无局放的变压器试验电源系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于无局放的变压器试验电源系统，不仅通过滤波+高漏抗隔离变压器的回路搭建，最大限度地杜绝了电源侧局放的传递，而且设计了一种单相/三相输出自动切换的系统拓扑结构，能够满足不同结构变压器的局放试验要求，填补了相关试验领域的空白。所述试验电源系统包括多电平高‑高电压源型的变频电源、单/三相自动切换装置、LC滤波装置和局放滤波装置；所述试验电源系统的拓扑结构为：多电平高‑高电压源型的变频电源的输出端连接单/三相自动切换装置，输出单相电源或三相电源至LC滤波装置的输入端，LC滤波装置的输出端连接局放滤波装置的输入端，局放滤波装置的输出端为所述试验电源系统的输出端。

Description

一种基于无局放的变压器试验电源系统
技术领域
本发明涉及高压电源技术领域，尤其涉及一种基于无局放的变压器试验电源系统。
背景技术
据电网不完全统计，局部放电是造成高压电气设备最终发生绝缘击穿的重要原因，也是绝缘劣化的重要表征。为了进一步加强电气设备的入网质量把控，及时发现和杜绝不良产品入网，提高电网安全运行的整体水平，110kV以上的电力变压器，在出厂试验中每台都要做局部放电试验，局部放电特性是衡量电力变压器绝缘系统质量的重要指标。
在电力系统内，变压器是一种用来转换不同输电电压等级网络的电力设备，由于变压器本身成本较高且生产运输及维修变压器需要消耗大量人力物力时间，因此电力系统对电力变压器安全运行的要求非常高。根据近年来电网故障分析显示，电力变压器事故中有大部分是属于运行情况下绕组内部发生匝间或层间短路造成局部放电，从而造成继电保护动作引起断路器跳闸，因此，局部放电是危害变压器安全运行的重要因素，国家标准规定110kV电压等级及以上的电力变压器必须进行局部放电出厂试验，220kV电压等级以上的变电站在变压器投入运行前必须要进行局部放电试验检测，用以检查在运输或安装过程中变压器内部绝缘是否存在缺陷。
传统的局放试验方案多采用发电机组作为被试设备电源，容易自激产生谐振，使被试设备上的电压波动较大，失去控制；同时很难屏蔽电源侧的谐波影响，且试验环境等外界干扰信号会对局放试验结果造成影响，需要更复杂的判断手段才可能区分出是试验电源还是被试品自身的局部放电。
局部放电测量是电力变压器监测和诊断绝缘缺陷的最常用有效的方法，现场最常用的局部放电测量方法是脉冲电流法和化学检测法，本发明中涉及的是脉冲电流法，需要为被试变压器配置试验电源，在常见检测方案中，特高压变压器的局放试验电源通常采用中频发电机组，其最大优点是输出电压稳定、电源波形较好、安全可靠性高，其最大缺点是体积大、运输和摆放困难，无法灵活动态调频，且发电机组启动时电流较大，要求现场网侧电源容量较大，同时发电机组运行时有可能出现自激现象，使被试变压器上的电压波动较大，容易失去控制。
另一种技术方案是选择用变频电源装置作为试验电源，测试回路如图1所示，其主要优点如下：设备轻便、运输和摆放简单；输出频率可连续调节，可以使试验回路工作在完全并联谐振状态；对现场电源容量要求小。但是这种技术方案存在以下技术缺陷：
1、输出波形较发电机组稍差；
2、存在传递高次谐波的风险，导致局放椭圆波形畸变,从而出现误判或漏判；
3、对不同结构的变压器进行局放测试时，需要在测试前进行复杂的改线。
发明内容
为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供一种基于无局放的变压器试验电源系统，不仅通过滤波+高漏抗隔离变压器的回路搭建，最大限度地杜绝了电源侧局放的传递，而且设计了一种单相/三相输出自动切换的系统拓扑结构，能够满足不同结构变压器的局放试验要求，填补了相关试验领域的空白。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于无局放的变压器试验电源系统，所述试验电源系统包括多电平高-高电压源型的变频电源、单/三相自动切换装置、LC滤波装置和局放滤波装置；所述的多电平高-高电压源型的变频电源的三相输出侧由每相多级串联的IGBT功率单元构成。
所述试验电源系统的拓扑结构为：多电平高-高电压源型的变频电源的输出端连接单/三相自动切换装置，输出单相电源或三相电源至LC滤波装置的输入端，LC滤波装置的输出端连接局放滤波装置的输入端，局放滤波装置的输出端为所述试验电源系统的输出端。
进一步地，所述的单/三相自动切换装置包括第一开关器件KM1和第二开关器件KM2。
三相输出时，第一开关器件KM1合闸，多电平高-高电压源型的变频电源的每相第一级功率单元U1、V1、W1的一端输出通过第一开关器件KM1的触点合闸后短接在一起，构成三相功率单元星接的拓扑结构，第二开关器件KM2分闸，电平高-高电压源型的变频电源的每相N级功率单元串联，其中一相N级功率单元的输出通过第一开关器件KM1的触点合闸后输出为其中一相的输出，另两相N级功率单元的输出直接为另两相的输出。
单相输出时，第一开关器件KM1分闸，V相和W相的第一级功率单元的一端输出连接断开，第二开关器件KM2合闸，V相的第N级功率单元VN通过第二开关器件KM2触点合闸连接至W相的第一级功率单元W1，U相的第N级功率单元UN和W相的第N级功率单元WN的的输出为单相输出的两个输出端。
进一步地，所述的LC滤波装置包括三台单相滤波电抗器、三台单相滤波电容器，三台单相滤波电抗器分别串联在三相电源上，三台单相滤波电容器构成星型接法并配置阻尼电阻，并联在三相电源上，通过仿真计算适用于项目工况的LC滤波配置，实现滤除电源自身固有的谐波的功能。
更进一步地，所述的LC滤波装置还包括第三开关器件KM3和第四开关器件KM4；第三开关器件KM3与三台单相滤波电容器串联连接，第四开关器件KM4与W相的单相滤波电抗器并联连接。
三相输出时，第三开关器件KM3合闸，使三台单相滤波电容器构成星型接法并联在三相电源上，第四开关器件KM4分闸，不起作用。
单相输出时，第四开关器件KM4合闸，第三开关器KM3分闸，W相回路的滤波电抗器被第四开关器件KM4触点合闸旁路，第三开关KM3触点分闸使三台单相滤波电容器的星型接法断开，原U相回路RC滤波阻尼电阻和电容通过第四开关器件KM4触点合闸，连接入U相和W相之间，构成单相输出时的LRC滤波回路。
进一步地，所述的局放滤波装置包括高漏抗隔离变及高次谐波吸收电容，三个单相的高漏抗隔离变分别串联在三相电源上，三台单相高次谐波吸收电容构成角型接法并联在三相电源上，当试验电源系统运行在150Hz或以上频率范围时，吸收高次谐波，减小电源自身谐波沿线路的传递，同时补偿线路无功。
进一步地，所述的LC滤波装置包括三台单相隔离变压器、三台单相滤波电容器，三台单相隔离变压器分别串联在三相电源上，三台单相滤波电容器构成星型接法并配置阻尼电阻，并联在三相电源上，通过仿真计算适用于项目工况的LC滤波配置，实现滤除电源自身固有的谐波的功能。
更进一步地，所述的LC滤波装置还包括第三开关器件KM3和第四开关器件KM4；第三开关器件KM3与三台单相滤波电容器串联连接，第四开关器件KM4与W相的单相隔离变压器并联连接。
三相输出时，第三开关器件KM3合闸，使三台单相滤波电容器构成星型接法并联在三相电源上，第四开关器件KM4分闸，不起作用。
单相输出时，第四开关器件KM4合闸，第三开关器KM3分闸，W相回路的单相隔离变压器被第四开关器件KM4触点合闸旁路，第三开关KM3触点分闸使三台单相滤波电容器的星型接法断开，原U相回路RC滤波阻尼电阻和电容通过第四开关器件KM4触点合闸，连接入U相和W相之间，构成单相输出时的LRC滤波回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本专利成果针对传统局放试验方法的关键问题进行了创新，研究了基于无局放变压器试验的高压特种试验电源系统拓扑，不仅通过滤波+高漏抗隔离变压器的回路搭建，最大限度地杜绝了电源侧局放的传递，而且设计了一种单相/三相输出自动切换的系统拓扑结构，能够满足不同结构变压器的局放试验要求，填补了相关试验领域的空白，提升了对电力变压器绝缘系统结构的考核能力，有助于敦促变压器厂家提高产品工艺和制造水平，极大程度上提高了局放试验的效率，为制造厂家、试验检验机构、用户单位节省了可观的时间成本，具有显著的经济、社会和环保效益；
2)本发明可以自动控制试验电源的输出相数，方便、快捷实现单/三相输出切换，且不论单相输出或三相输出时，试验电源均可满容量带载运行，不需要单相降容，同时不需要增加配置成本及设备体积；
3)当选择试验电源单相输出时，试验电源功率部分的所有功率单元输出串联，级数为三相输出时串联级数的三倍，从而实现单相输出较大的电压调整范围，不受限于输出LC滤波、隔离变、线路等的压降，同时可降低对试验回路中间升压变压器的抽头配置要求；
4)试验电源配置LC滤波装置，可滤除PWM波形固有的高次谐波，降低电源谐波的干扰，防止对被试变压器试验结果产生误判或漏判；
5)验电源配置的LC滤波装置，可集成局放滤波，通过仿真计算配置高漏抗隔离变及电容滤波，最大程度降低电源自身谐波的传递；
6)试验电源配置的LC滤波装置，可灵活配置，如可使用特殊要求阻抗的隔离变代替滤波电抗器，同时满足了电隔离的功能，降低试验电源自身局放的同时，可以减少装置占地面积、经济成本等。
附图说明
图1是背景技术中提及的现有技术的选择用变频电源装置作为试验电源的电气结构图；
图2是本发明实施例提供的一种基于无局放的变压器试验电源系统的拓扑结构图；
图3是本发明实施例提供的LC滤波装置的电气图；
图4是本发明实施例提供的局放滤波装置的电气图；
图5是本发明另一实施例提供的LC滤波装置的电气图；
图6是本发明实施例提供的单/三相自动切换装置及LC滤波装置的控制回路图。
图中：1-移相变压器2-IGBT功率单元3-单/三相自动切换装置4-LC滤波装置5-局放滤波装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例一
如图2-图6所示，一种基于无局放的变压器试验电源系统，所述试验电源系统包括多电平高-高电压源型的变频电源(包括移相变压器1和三相输出侧的每相多级串联的IGBT功率单元2)、单/三相自动切换装置3、LC滤波装置4和局放滤波装置5。
所述试验电源系统的拓扑结构为：多电平高-高电压源型的变频电源的输出端连接单/三相自动切换装置3，输出单相电源或三相电源至LC滤波装置4的输入端，LC滤波装置4的输出端连接局放滤波装置5的输入端，局放滤波装置5的输出端为所述试验电源系统的输出端。
实施例二
本实施例在实施例一的基础上对单/三相自动切换装置3进一步设计。
如图2所示，所述的单/三相自动切换装置3包括第一开关器件KM1和第二开关器件KM2。
三相输出时，第一开关器件KM1合闸，多电平高-高电压源型的变频电源的每相第一级功率单元U1、V1、W1的一端输出通过第一开关器件KM1的触点合闸后短接在一起，构成三相功率单元星接的拓扑结构，第二开关器件KM2分闸，电平高-高电压源型的变频电源的每相N级功率单元串联，其中一相N级功率单元的输出通过第一开关器件KM1的触点合闸后输出为其中一相的输出，另两相N级功率单元的输出直接为另两相的输出。
单相输出时，第一开关器件KM1分闸，V相和W相的第一级功率单元的一端输出连接断开，第二开关器件KM2合闸，V相的第N级功率单元VN通过第二开关器件KM2触点合闸连接至W相的第一级功率单元W1，U相的第N级功率单元UN和W相的第N级功率单元WN的的输出为单相输出的两个输出端(在UN/WN处单相输出)。
第一开关器件KM1和第二开关器件KM2可以为真空接触器。
实施例三
本实施例在实施例一的基础上对LC滤波装置4进一步设计。
如图3所示，所述的LC滤波装置4包括三台单相滤波电抗器L1、三台单相滤波电容器C1，三台单相滤波电抗器L1分别串联在三相电源上，三台单相滤波电容器C1构成星型接法并配置阻尼电阻R1，并联在三相电源上，通过仿真计算适用于项目工况的LC滤波配置，实现滤除电源自身固有的谐波的功能。
所述的LC滤波装置3还包括第三开关器件KM3和第四开关器件KM4；第三开关器件KM3与三台单相滤波电容器C1串联连接，第四开关器件KM4与W相的单相滤波电抗器L1并联连接。
三相输出时，第三开关器件KM3合闸，使三台单相滤波电容器C1构成星型接法并联在三相电源上，第四开关器件KM4分闸，不起作用；
单相输出时，第四开关器件KM4合闸，第三开关器KM3分闸，W相回路的滤波电抗器L1被第四开关器件KM4触点合闸旁路，第三开关KM3触点分闸使三台单相滤波电容器C1的星型接法断开，原U相回路RC滤波阻尼电阻R1和电容C1通过第四开关器件KM4触点合闸，连接入U相和W相之间，构成单相输出时的LRC滤波回路。
第三开关器件KM3和第四开关器件KM4可以为真空接触器。
还包括用于检测的电流传感器CT1和电压传感器PT1。
实施例四
本实施例在实施例一的基础上对局放滤波装置5进一步设计.
如图4所示，所述的局放滤波装置5包括高漏抗隔离变B1及高次谐波吸收电容C2，三个单相的高漏抗隔离变B1分别串联在三相电源上，三台单相高次谐波吸收电容C2构成角型接法并联在三相电源上。可根据仿真及测试结果搭建高漏抗隔离变及滤波电容回路，当试验电源系统运行在150Hz或以上频率范围时，吸收高次谐波，减小电源自身谐波沿线路的传递，同时补偿线路无功，降低对变频试验电源设计容量的需求。
局放滤波装置5可集成在LC滤波装置4的柜内，最大限度节省试验电源设备安装空间，且节约现场安装接线的人力及时间成本。
实施例五
本实施例提供LC滤波装置4的另一实施方式(可替换实施例三)。
如图5所示，所述的LC滤波装置4包括三台单相隔离变压器B2、三台单相滤波电容器C1，三台单相隔离变压器B2分别串联在三相电源上，三台单相滤波电容器C1构成星型接法并配置阻尼电阻R1，并联在三相电源上，通过仿真计算适用于项目工况的LC滤波配置，实现滤除电源自身固有的谐波的功能。
所述的LC滤波装置4还包括第三开关器件KM3和第四开关器件KM4；第三开关器件KM3与三台单相滤波电容器C1串联连接，第四开关器件KM4与W相的单相隔离变压器B2并联连接；
三相输出时，第三开关器件KM3合闸，使三台单相滤波电容器C1构成星型接法并联在三相电源上，第四开关器件KM4分闸，不起作用；
单相输出时，第四开关器件KM4合闸，第三开关器KM3分闸，W相回路的单相隔离变压器B2被第四开关器件KM4触点合闸旁路，第三开关KM3触点分闸使三台单相滤波电容器C1的星型接法断开，原U相回路RC滤波阻尼电阻R1和电容C1通过第四开关器件KM4触点合闸，连接入U相和W相之间，构成单相输出时的LRC滤波回路。
第三开关器件KM3和第四开关器件KM4可以为真空接触器。
还包括用于检测的电流传感器CT1和电压传感器PT1。
本实施例采用特殊要求阻抗的隔离B2变代替实施例三的滤波电抗器L1，同时满足电隔离的功能，降低试验电源自身局放的同时，可以减少装置占地面积、经济成本。
实施例六
本实施例对单/三相自动切换装置3以及LC滤波装置4的控制回路进一步设计。
如图6所示，单/三相自动切换装置3的高压真空接触器KM1和KM2可选择自动或手动控制，自动切换柜盘面配置选择开关SA1，可以选择本地或远程操作，当选择本地操作时，通过盘面合闸按钮SA11和SA21分别控制真空接触器KM1和KM2的合闸，通过盘面合闸按钮SA12和SA22分别控制真空接触器KM1和KM2的分闸；当选择远程操作时，通过变频电源控制机的无源输出信号Ko11和Ko21分别控制真空接触器KM1和KM2的合闸，通过变频电源控制机的无源输出信号Ko12和Ko22分别控制真空接触器KM1和KM2的分闸。KM1和KM2的合闸回路分别设置互锁信号KM2b和KM1b，以避免两台接触器因误操作而同时合闸。盘面指示灯H1和H2分别用于指示接触器KM1和KM2的合闸状态。
LC滤波装置4的高压真空接触器KM3和KM4的合分闸控制方式与高压真空接触器KM1和KM2控制方式相同。
本发明有如下优点：
1、本发明所述的无局放变压器试验电源的系统拓扑结构，由于配置有单/三相切换装置，故可自动完成试验电源输出单相、三相切换，用于适配不同结构类型被试变压器的测试要求，且不需要现场更改接线等，节省时间及人力成本；
2、本发明所述的无局放变压器试验电源的系统拓扑结构，由于当选择单相输出时，系统内部将全部功率单元串联输出，故不需要在单相输出时降容运行，且具有更高的系统载波频率，更大的电压输出范围，更适合做变压器无局放试验的试验电源；
3、本发明所述的无局放变压器试验电源的系统拓扑结构，由于配置LC滤波装置，故可滤除PWM波形固有的高次谐波，进行波形净化，防止电源自身产生的谐波对局放椭圆波形造成畸变；
4、本发明所述的无局放变压器试验电源的系统拓扑结构，由于配置的LC滤波装置集成了局放滤波，故可搭架高漏抗隔离变及电容滤波回路，最大限度避免谐波传递，实现无局放电源，且可节约占地面积，取消了试验现场搭建串联谐振平台的工作量，一体化的设计使应用更为简便易行。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例，本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于无局放的变压器试验电源系统，其特征在于，所述试验电源系统包括多电平高-高电压源型的变频电源、单/三相自动切换装置、LC滤波装置和局放滤波装置；所述的多电平高-高电压源型的变频电源的三相输出侧由每相多级串联的IGBT功率单元构成；
所述试验电源系统的拓扑结构为：多电平高-高电压源型的变频电源的输出端连接单/三相自动切换装置，输出单相电源或三相电源至LC滤波装置的输入端，LC滤波装置的输出端连接局放滤波装置的输入端，局放滤波装置的输出端为所述试验电源系统的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于无局放的变压器试验电源系统，其特征在于，所述的单/三相自动切换装置包括第一开关器件KM1和第二开关器件KM2；
三相输出时，第一开关器件KM1合闸，多电平高-高电压源型的变频电源的每相第一级功率单元U1、V1、W1的一端输出通过第一开关器件KM1的触点合闸后短接在一起，构成三相功率单元星接的拓扑结构，第二开关器件KM2分闸，电平高-高电压源型的变频电源的每相N级功率单元串联，其中一相N级功率单元的输出通过第一开关器件KM1的触点合闸后输出为其中一相的输出，另两相N级功率单元的输出直接为另两相的输出；
单相输出时，第一开关器件KM1分闸，V相和W相的第一级功率单元的一端输出连接断开，第二开关器件KM2合闸，V相的第N级功率单元VN通过第二开关器件KM2触点合闸连接至W相的第一级功率单元W1，U相的第N级功率单元UN和W相的第N级功率单元WN的的输出为单相输出的两个输出端。
3.根据权利要求1所述的一种基于无局放的变压器试验电源系统，其特征在于，所述的LC滤波装置包括三台单相滤波电抗器、三台单相滤波电容器，三台单相滤波电抗器分别串联在三相电源上，三台单相滤波电容器构成星型接法并配置阻尼电阻，并联在三相电源上，通过仿真计算适用于项目工况的LC滤波配置，实现滤除电源自身固有的谐波的功能。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于无局放的变压器试验电源系统，其特征在于，所述的LC滤波装置还包括第三开关器件KM3和第四开关器件KM4；第三开关器件KM3与三台单相滤波电容器串联连接，第四开关器件KM4与W相的单相滤波电抗器并联连接；
三相输出时，第三开关器件KM3合闸，使三台单相滤波电容器构成星型接法并联在三相电源上，第四开关器件KM4分闸，不起作用；
单相输出时，第四开关器件KM4合闸，第三开关器KM3分闸，W相回路的滤波电抗器被第四开关器件KM4触点合闸旁路，第三开关KM3触点分闸使三台单相滤波电容器的星型接法断开，原U相回路的阻尼电阻和单相滤波电容器通过第四开关器件KM4触点合闸，连接入U相和W相之间，构成单相输出时的LRC滤波回路。
5.根据权利要求1所述的一种基于无局放的变压器试验电源系统，其特征在于，所述的局放滤波装置包括高漏抗隔离变及高次谐波吸收电容，三个单相的高漏抗隔离变分别串联在三相电源上，三台单相高次谐波吸收电容构成角型接法并联在三相电源上，当试验电源系统运行在150Hz或以上频率范围时，吸收高次谐波，减小电源自身谐波沿线路的传递，同时补偿线路无功。
6.根据权利要求1所述的一种基于无局放的变压器试验电源系统，其特征在于，所述的LC滤波装置包括三台单相隔离变压器、三台单相滤波电容器，三台单相隔离变压器分别串联在三相电源上，三台单相滤波电容器构成星型接法并配置阻尼电阻，并联在三相电源上，通过仿真计算适用于项目工况的LC滤波配置，实现滤除电源自身固有的谐波的功能。
7.根据权利要求2或6所述的一种基于无局放的变压器试验电源系统，其特征在于，所述的LC滤波装置还包括第三开关器件KM3和第四开关器件KM4；第三开关器件KM3与三台单相滤波电容器串联连接，第四开关器件KM4与W相的单相隔离变压器并联连接；
三相输出时，第三开关器件KM3合闸，使三台单相滤波电容器构成星型接法并联在三相电源上，第四开关器件KM4分闸，不起作用；
单相输出时，第四开关器件KM4合闸，第三开关器KM3分闸，W相回路的单相隔离变压器被第四开关器件KM4触点合闸旁路，第三开关KM3触点分闸使三台单相滤波电容器的星型接法断开，原U相回路的阻尼电阻和单相滤波电容器通过第四开关器件KM4触点合闸，连接入U相和W相之间，构成单相输出时的LRC滤波回路。
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