变频电源在电力变压器局部放电试验中的应用分析Word下载.docx
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Thispaperanalyzesthedemandofpartialdischargefrequencypower
transformertestequipmentapplications，andcomparestheadvantagesanddisadvantagesofsametypesofdevicesathomeandabroad．Thispapermainlyanalyzesthepowertransformerpartialdischargefrequencyequipment，focusingon
theanalysisoftheinverter,transformer,highvoltageresistance，etc．；
analysisofthe
principleofpowertransformerspartialdischargetest，characterizationparameters，wiringandtestingprocedures；
analysisgivescompletesetsofequipmentpartialdischargetestsettingofmaintechnicalparameters；
andtolocaldischargetestof
500kVthree-phasepowertransformerand500kVsingle-phasepowertransformeras
theexample，showstheapplicationofvariablefrequencypowersupplytestresults
andtreatmentmethodoftheissuespresented．
Throughthepracticalapplicationtothedifferenttypesofpowertransformerspartialdischargetest,thispaperindicatesthedesignfeasibilityoftechnicalparametersofthetestingdevice，whichdemonstrateshighreliability,safety,and
practicabilityofthisdevice，thereforethiskindofdevicecreatesabettersocial
benefitsandeconomicbenefits．
Keywords：
Electricpowertransformer；
Partialdischarge；
Frequencyconversionpowersupply；
Electroniccomponent
III
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致谢
本论文是在我的导师马皓教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。
他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
从课题的选择到论文的最终完成，马老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。
在此谨向马老师致以最诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我还要感谢我的企业导师浙江省电力公司浙江省送变电工程公司骆贤华高工。
正是由于你的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
长沙海沃科技公司在我完成论文的过程中给了我极大的支持，特别是该公司的罗威总工程师在变频电源原理这一环节上给我提供了非常大的帮助，在此表示衷心的感谢。
最后，再次对关心、帮助我的所有老师和同学表示衷心地感谢!
感谢吴国忠教授的精心指导，使论文内容更加精确，格式更加规范。
感谢在研究生课程学习阶段给我上课的老师。
感谢浙江省送变电工程公司领导给我学习机会，感谢同事对我的关心和帮
助。
藉此机会向上述及所有关心和帮助过我的人表示深深的谢意!
因本人水平有限，论文中不当之处，敬请各位师长多多指正。
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1绪论
1．1研究的背景与意义
电力设备可靠运行是保证国民经济发展的必要条件，人们对电力设备安全可靠运行提出了更加苛刻的要求。
电力变压器作为重要的电力设备，其工作性能受到了高度的重视，而要保证电力变压器绝缘状况良好，运行安全可靠，最有效的检验途径之一就是进行电力变压器的局部放电试验，局部放电试验测试电力变压器备在超过运行电压下的局部放电水平，能够准确反映电力变压器的健康状况和老化程度。
局部放电试验作为一种非破坏性试验，越来越得到人们的重视。
电力变压器尤其需要测试此项参数。
在以往的电力变压器局部放电试验中主要使用中频发电机作为试验电源，由于中频发电机在局放试验中存在较多的缺陷，如：
体积大、启动电流大、频率不可调等。
基于中频发电机存在这些缺陷，本文将针对采用变频电源技术进行电力变压器的局部放电试验进行研究，以确保在变压器局放试验中的安全，提高变压器局放试验的技术水平。
为我国的电网安全运行及电网建设做出贡献。
1．2突出需要解决的问题
根据使用中频发电机对电力变压器局部放电试验存在的缺点，为避免中频发电机的缺陷，所以应解决下面三个方面问题，第一个方面问题是解决将配电电源转换为可以控制的大容量试验低压电源，该电源应具有调频调压功能，而且没有高频干扰。
第二个方面问题是需要一个升高电压的装置，将低压电源升高到试验需要的电压。
第三个方面问题是测量部分，测量试验电压、电流、局部放电量、频率等等参数。
图1．1本次论文解决I_i；
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-J题的流程图
1．3目前同类型试验装置发展状况
早期此类电源设备主要有：
中频发电机组、倍频发电机组、三倍频电源等。
这些设备的共同特点是：
通过发电机组产生试验所需电源，并且使用一个拖车运输到现场。
目前我国大多数变压器局部放电试验电源是采用三相同步发电机单相
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供电；
三相发电机单相供电的波形、效率以及诸多性能指标都严重受到影响。
中频发电机组是一个转动的、频率不可调的电源装置，它由电动机带动发电机产生一个200Hz或250Hz固定频率的的三相电源，再由三相变成Z-相电源作为励磁电源供给中间升压变压器。
由于该设备频率不可调，无功补偿要依靠改变外配电抗器的接线方式，需要十几个补偿电抗器；
由于电动机启动电流大，小容量的施工IJ缶时变压器（150kVAl）fl,下）难以启动发电机组，整套装置复杂笨重，由于频率不能连续可调，它仅仅只能作为变压器局部放电试验的电源，不能兼作串联谐振设备的励磁电源，还有一些自身难以克服的缺点，如：
①体积大，运输相当不便，不适合现场工作；
②启动电流很大，对于现场的电力电源要求很高；
③频率不能
任意调节，只能是一个制作好的固定频率，很难达到理想的谐振点；
④设备维护工作量大。
所以减小工作人员的劳动强度等要求难以实现，而且采用200Hz（或250Hz）的中频发电机试验接线复杂（如图1．2所示），在欠补偿时容易产生自励磁。
图1．2采用中频发电机现场试验补偿电抗器布置图
方波变频电源工作在开关状态Il】，变频器体积小，温升低，便于携带到现场
试验，输出为方波或准正弦波，存在大量的高次谐波和高频干扰，用它作励磁电
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源很难使串联谐振回路的局部放电量达到lOpCI）．父下，如图1．3局部放电试验波形图可知，方波电源自身干扰引起的局部放电量很大，干扰带宽较宽且有射频干扰很难用滤波器消除干扰，所以它适合用于对无局部放电指标要求的串联谐振设备的励磁电源。
串联谐振法用于变压器局放试验励磁变为单端输出电压的结构（试验接线图如图1．4），其输出电压值比采用对称电压输出法的电压值高出一倍，现场试验引线电晕较难控制。
另外谐振回路的Q值相对会降低。
方波变频电源不是变压器局部放电试验的经典电源。
图1．3方波变频电源自身干扰引起的局部放电波形图
叠
图1．4方波变频电源现场试验图
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方波变频电源工作原理是在调频调压控制技术发展的早期多数采用PAM方式，因此，变频电源逆变器输出的交流电压波形只能是方波，改变方波有效值，只能通过改变方波的幅值，即中间直流电压幅值来完成。
随着全控型快速开关器件GTR、IGBT、MOSFET等的出现，才逐渐发展为PWM方式【2】。
由于调节PWM波的占空比即可调节电压幅值，所以逆变环节可同时完成调压和调频任务，整流器无需控制，设备结构更简单，控制更方便．输出电压由方波改进为PWM波，
降低了输出电压的低次谐波含量。
SPWM是以正弦波作为基准波（调制波），用一列等幅的三角波（载波）与基准正弦波相比较产生PWM波的控制方式。
当基准正弦波高于三角波时，使相应的开关器件导通；
当基准正弦波低于三角波时，使相应的开关器件截止。
由此，逆变器的输出电压波形为脉冲列，其特点是：
半个周期中各脉冲等距等幅不等宽，总是中间宽，两边窄，各脉冲面积与该区间正弦波下的面积成比例。
这种脉冲波经过低通滤波后可得到与调制波同频率的正弦波（含高次谐波），正弦波幅值和频率由调制波的幅值和频率决定。
这就是变频电
源调频调压的原理。
20世纪末，以电力电子功率变换技术，微电子控制技术为核心的变频技术
得到了惊人的发展[31。
展望本世纪，变频技术取得更为广阔的发展。
IGBT变频器已成为20世纪90年代变频调速技术的主流；
在21世纪初相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。
近年来，ABB公司在硬驱动GTO的基础上，通过采用缓冲层技术、透明阳极技术，逆导技术等先进技术。
进一步实现了最新一代的功率开关器件集成门极换向晶闸管（IGCT）。
IGCT将门极驱动电路与芯片集成在一起【4】。
结合了GTO的低通损耗和IGBT均匀关断能力两种优点，具有开关频率高、损耗小、可无吸收关断运行、易用于串联等优点。
IGCT器件将逐渐取代GTO器件成为大功率应用场合中的首选开关器件。
现在功率半导体器件的发展目标是：
高集成度，制成各种特定用户的模块，大大降低成本，提高可靠性，研制出新一代IPEM（IntegratedPowerElectronicModule）以取代PIC。
开关器件的发展将极大的推动变频技术的发展【5】。
随着双向开关的电力半导体器件性能的不断提高和价格的不断下降，这种结构会得到广泛地推广和应用。
总的来说，低压变频技术正朝着高性能化、高频化、大容量方向发展。
然而，高频化和大容量化使装置内部电压、电流发生剧变，不但给器件造成很大的电应力，增加了装置损耗，还会在装置的输入输出引线及周
4
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围空间产生高频电磁噪声，形成电磁干扰（ElectroMagneticInterference，EMI）公害。
所以软开关技术可以作为对这些问题的一个有效的防御措施，而得到了很大的发展。
目前已出现了对谐振式逆变器的实验研究。
它使得功率器件在零电压或零电流下开关，大大减小了器件的开关应力和开关损耗，开关频率得以大幅度提高。
1．4采用线性放大型变频电源装置的特点
基于变频电源的发展趋势及各方面技术的成熟可知，采用线性放大变频电源（以下简称变频电源）可以有效解决中频发电机及脉冲调制型存在的缺陷，即主要表现在：
没有启动电流问题、体积小、适于现场工作、频率可以任意改变，且带电情况下连续可调、有利于查找谐振点及自身局部放电量小的特点。
升压系统采用变频谐振方式进行升高电压，其主要特点，获取高压方式简单，效率高。
当发生被试品击穿时，其谐振回路被破坏，不会造成过电压或者过电流。
同时试验回路的各个组成元件可以采用分级绝缘方式，可以降低单个元件的重量，方便运输和现场组装。
相应的测量电压单元，采用电容分压的方式，并且将整体测量单元分为多个部件来组装形成一个整体，方便运输和现场组装。
带高电压的部件均有均压环来防止电晕。
相对于其他电压等级的高压系统，对于局部放电测量，就很简单，由于电压相对较低及其被试品的容量大，如果很好的处理好外界干扰、简化试验设备接线，那么电力变压器局部放电的测量就会简单化。
1．5本文主要内容
本文主要介绍了以下内容：
（1）对电力变压器局部放电试验装置进行了分析，重点分析了变频电源、
变压器、高压电抗器等。
（2）分析介绍了电力变压器局部放电试验的原理、表征参数、接线及试验
程序。
（3）分析给出了局部放电试验成套装置主要技术参数的设置。
（4）以500kV三相一体电力变压器和500kV单相电力变压器的局部放电
试验为例，给出了变频电源的应用试验结果，并给出了有关问题的处理方法。
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2局部放电试验装置各组成单元分析
电力变压器的局部放电试验装置主要由变频电源、中间励磁变压器、高压电抗器和测压电容分压器组成，其中中间励磁变压器采用传统工艺生产，没有特殊和复杂的工艺要求，本文将不作重点讲述。
另外，测量电压用的电容分压器，由多个电容器串联而成，没有特殊和复杂的技术要求，本文不作为重点讲述。
下面重点对局部放电试验装置中的变频电源和并联补偿电抗器进行技术性能分析。
2．1变频电源的分析
变频电源主要采用电力电子技术来实现，并能够进行微机测量与控制。
回路中采用弱的可变频的标准正弦波信号【61，通过逐级放大，实现大功率输出，最大可达800kW，而且输出的波形失真度很小，满足试验需要。
2．1．1变频电源基本结构分析
放大回路采取对称放大，这样回路的失真很小，且其效率高，放大回路的元器件采用大功率三极管，多个三极管并联[71，使电流平均分配到每个回路中的参与放大的三极管。
由于所需电流较大，所以参与放大的三极管数量也很多，在设计中，一个450kW变频电源，三极管数量达到15000只，平均每个三极管所承受的功率放大为2W。
同时由于三极管数量较多，三极管的放大情况下，自身的损耗较大，必然产生很大的热量，散热问题也是需要解决的关键【81。
该回路中关键组件为放大回路的三极管，整个功率输出部件均由它完成，从以下的流程图2．1中可以看出其工作的原理，每个部件输出的功率如同上楼梯，放大功率在逐级抬高。
变频电源实际上是一个功率放大器，它将一个微弱的正弦波信号，放大为一个功率达到数千瓦的电源装置。
在这个功率放大器中，正弦波信号失真度很小，而且频率可以调节，同时，可以进行输出电压的调节。
这样，整个功率放大器能够实现很多方面的功能。
在放大器中，每个部分的功率从前面一级获得信号，然后通过直流电源的提供实现放大。
整个放大器分为三级：
初级放大；
前级放大；
后级放大。
初级放大仅仅是正弦波信号的初始放大，信号获得的功率很小，而且输出电压也很低，这个部分可以实现频率调节和电压的调节。
前级放大是将初级放大的信号进一步放大，前级放大回路完成从信号源到初始功率输出，其输出功率很小（<
IOOW），便于调频和升压控制。
后级放大回路也是主回路，后级放大回路接受到信号，完
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堂僮迨塞旦壑趑曳达坠菱量圣缉盛望丞坌堑成功率放大。
这个回路中使用的组件数量很多，主要是在放大回路大功率三极管并联实现【9】。
图2．1变频电源的回路流程图
2．1．2变频电源信号源的初级放大信号源是一个标准正弦波发生器，其频率连续可调（30---300Hz），波形畸
变率<
1％，信号源的输出功率很低，约为1W，电压为12V且不可调节。
要实现初级放大，且放大回路引起的信号失真很低，目前采用TDA2030作为放大的主要器件。
该器件主要用来作为音频放大，放大功率为14W，TDA2030实际上是
一个运算放大器，信号源输出的信号通过一个可调电位器，将信号衰减，便于能够升压控制，而且控制升压过程全部在电压较低的情况下完成，非常安全。
经过TDA2030的4脚输出给前级放大回路，完成此次放大【101。
2．1．3变频电源负反馈回路
经由TDA2030输出的信号经过一个升压推动变压器，将信号的电压幅值升高，转化为电压较高的信号，此时的信号的功率并未提高。
同时信号在后级中将会进行放大，必然会引起输出波形失真，可以在输出端加上一个负反馈变压器，当出现信号波形畸变，反馈变压器就进行补偿，弥补回路损失[11】
（图2．2所示）。
利用变压器来实现负反馈，变压器对于回路的信号损耗小，不会增加额外的干扰。
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图2．2交频电源负反馈回路流程图
该回路中采用的负反馈是电压串联负反馈，其基本组成部分是多绕组的变压器（图2．3所示），由于此变压器采用多层屏蔽，同时，变压器的漏抗,fgc-JJ,；
在设计中，原边与副边的比值相当于一个放大器，能够将原边的电压抬高，实现推动和反馈的目的[12】。
这种负反馈的重要特点是电路的输出电压趋向于维持恒定，因为无论反馈信号以何种方式引回到输入端，实际上都是利用输出电压Vo本身的变化，通过反馈网络对放大电路起自动调整作用，这就是电压反馈的实质。
例如，当输入电压Vi一定时，若负载电阻RL减小而输出电压Vo下降，则电路将进行自动调整过程，负反馈的结果，牵制了Vo的下降，从而使Vo基本维持恒
划161。
推动变压器
输一一一一
出
反殿压器
图2．3变频电源负反馈回路原理图
2．1．4前级放大回路前级放大回路由大功率三极管组成一个对称放大回路。
推动变压器副边输出
的信号经过三极管放大，QlOl、Q102、Q103、Q104组成四个放大回路的四个臂，在一个周期中电压的正半波时由对称的两个臂工作，负半周时由另外两个对
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称的臂工作。
完成一次放大过程。
推动变压器的极性控制三极管的工作。
三极管工作的电源有独立回路提供，其静态工作点的电压通过电阻分压取得【13】。
图2．4中，正半周时，前级放大信号推动QlOl、Q104三极管的基极，Q102、Q103截止，QlOl、Q104导通，电流由QlOl三极管到负载再到Q104三极管的过程，形成正弦波的正半周；
负半周时前级放大信号推动Q102、Q103三极管的基极，QlOl、Q104截止，Q102、Q103导通，电流由Q102三极管到负载再到
Q103三极管的过程，形成正弦波的负半波。
最后在电压输出侧由两个半波合成
一个周期，构成一个完整的正弦波【141。
变顾输出
图2．4变频电源前级放大回路原理图
有时，单独一个三极管无法完成放大所需的功率，可以采取三极管并联方式（如图2．5中），将三极管的基极同基极、发射极同发射极、集电极同集电极并联120]，提高单个臂的放大功率。
两个三极管组成一个达林顿回路【15】，达林顿的前级推动后级，一方面提高整个放大回路的静态工作点电压（工作点电压限制在1．4v以内），另一方面减小非线性失真，主要是利用减小干扰源减小了外来噪声的干扰。
经过两次放大后，信号输出的不再是很弱的小信号，低电压。
而是输出功率达到lOOW的信号，有利于后级放大，同时配合适当的负反馈回路，使得输出波形畸变率降低，为后级的功率进一步放大作准备，完成一次前置放大过程，这个过程实现简单，便于操作。
9
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图2．5变频电源三极管并联运行原理图
2．1．5变频电源主回路电源的提供【l6】
主回路的电源由交流380V输入，通过整流硅堆，经过滤波电抗器和滤波电容器，输出直流（如图2．6），电压为540V，为输入电压的1．414倍。
该套试验装置采用整流回路为六个硅堆，而没有采用四个，主要是为了可以
提高电源电压，为后级回路发挥放大效率很有益处。
滤
升级会员 