工频耐压试验机的设计毕业论.doc

石家庄铁道大学毕业设计摘要 随着电力系统额定电压的提高,对系统供电可靠性的要求也愈高,由于设备绝缘不可靠而引起事故所带来的损失远远超过电气设备本身价值,而且现阶段各种绝缘试验还是验证高压电气设备绝缘能否在现场安全可靠运行的重要手段。因此对于交流高压电气设备,工频耐压试验在高电压技术中具有非常重要和不可替代的地位和作用。以往的工频耐压试验控制线路一般均为继电器、接触器所组成的手动继电控制系统,实现操作顺序和升降压速度变化、升降压过程等均由人工控制,容易出错,且精度得不到保证,若试验过程中出现故障还需技术人员进行分析查找,很是费时,对试验人员来说,工作量很大,而且手动操作的过程,对试验的准确性,也有影响。以工控机为核心的工频耐压控制系统具有编程复杂、价格昂贵、抗干扰能力差的弱点。针对上述情况,本文提出了以可编程控制器(PLC)为核心,同时又能与手动控制系统并行使用的新型工频耐压控制系统。本文通过对常用的几种高电压测量方法进行分析比较,选择电容分压器法测量试验电压,同时采用全波傅立叶算法分析谐波分量并设计滤波电路消除试验电压中的谐波。设计了工频耐压控制系统的主回路包括接触式调压器、试验变压器、NSP保护装置等。同时设计控制回路包括:工作方式设定、动作顺序控制、耐压时间设定、调压器位置检测与报警、试验电路过电流保护等。设计电压、电流、试验电压测量电路。研究了暂态恢复过电压保护系统。最后,使用西门子S7-300编程软件进行包括数字信号、模拟信号的处理以及整个控制系统的软件编程与调试。同时制作WINCC界面,配合硬件控制系统实现了监控试验过程的功能。本文通过软、硬件的设计满足了相关试验标准规程要求,提高了试验的准确性、科学性,通过调式达到了预期的效果。关键词: 工频耐压试验,可编程控制器,控制系统设计,WINCCIAbstractThe requirement for the reliability of electric Power supply in electric Power system is ever-increasingly high with the improvement of rated voltage. The loss incurred by Unreliable equipment insulation far exceeds the value of electrical equipment, but the Insulation test is an important method to demonstrate whether high-voltage electric equipment can run reliably and safely on site .Therefore, for high-voltage test electric equipment with automating current, Power frequency voltage endurance test plays an important role in high-voltage technique.The traditional control circuit of Power frequency voltage-withstand test is a manual relay system composed of relay and cont. actor, which Performs operating sequence and rate change of ascending or descending voltage. Voltage change by manual control is not very accurate, in the meantime, technician must spend time and vigor analyzing and finding the reason of fault. At the same time, there are some weaknesses of Programming complex, expensive, poor anti-interference ability for industrial computer control system. According to these circumstances, this dissertation puts forward a novel Power frequency voltage-withstand control system that the nuclear Part is a PLC, which can be used with manual control system in Parallel.In this dissertation, capacitance divider is selected to measures test voltage in comparison with several kinds of cannon high-voltage measurement. In the meanwhile analyzing nominate component based on the Improved Fourier Transformations and Designing filter circuit to eliminate harmonic waves of test voltage. The designing of the main circuit of Power frequency voltage-withstand control system which consists contact voltage regulator, test transformer, NPS Protection equipment and so on. The control circuit consists working mode setting, movement sequence control, and voltage-withstand time setting, voltage regulator Position detection and alarming, over-current Protection of test circuit etc. In addition, detection circuit of voltage, current, and test voltage are designed and IIOver-voltage Protection system for transient recovery is developed. Finally, S7-300 Program software is applied to Programming and debugging digital signal and analog signal. Furthermore, WINCC interface is made to mate hardware control system to monitor test. The design of software and hardware in this dissertation meets the need of related test standard specifications, improve Precision and scientific of test, and attain the target result by debugging.Key Words: Power Frequency Voltage-Withstand Test, Programmable Controller, Control System Design, WINCCIII目录摘要IAbstractI第一章 绪论- 1 -1.1 关于工频耐压试验- 1 -1.2 工频耐压试验控制系统研究的目的及意义- 1 -1.3 国内研究的现状- 4 -1.4 课题研究的主要工作内容- 5 -第二章 试验原理及模拟试验电压谐波分析- 6 -2.1 工频耐压试验原理- 6 -2.2 试验电压测量方法选择- 7 -2.2.1 球隙法测量- 7 -2.2.2 静电压表法测量- 9 -2.2.3 峰值电压表法测量- 10 -2.2.4 分压器法测量- 11 -2.3 模拟试验电压谐波分析- 15 -2.3.1 试验电压谐波的产生- 15 -2.3.2 谐波分析算法- 16 -2.3.3 仿真模型及结果分析- 17 -2.4 工频耐压试验过程中应注意事项- 21 -2.5 本章小结- 23 -第三章 工频耐压试验控制系统硬件设计- 24 -3.1 控制系统主回路设计- 24 -3.1.1 电气图设计原则- 24 -IV3.1.2 工频耐压试验对控制系统的要求- 25 -3.1.3 控制系统主回路- 25 -3.2 控制系统控制回路设计- 27 -3.3 控制系统测量电路设计- 31 -3.3.1 电压测量电路设计- 31 -3.3.2 试验电压测量电路设计- 34 -3.3.3 电流测量电路设计- 34 -3.3.4 电源电路设计- 36 -3.3.5 电源滤波电路设计- 37 -3.4 PLC控制系统整体设计方案- 39 -3.5.1 暂态恢复过电压的产生及危害- 40 -3.5.2 暂态恢复过电压消除方法- 40 -3.6变频调速系统的设计- 41 -3.6.1 变频器型号及相关参数- 41 -3.6.2 变频器调速控制回路- 42 -3.7 本章小结- 44 -第四章 工频耐压试验控制系统软件设计- 45 -4.1 软件设计的主要任务- 45 -4.2 控制系统下位机程序设计- 45 -4.2.1 STEP编程语言- 45 -4.2.2 STEP 7程序设计步骤- 46 -4.2.3 控制系统主程序设计- 47 -4.2.4 控制系统子程序设计- 51 -4.2.5 下位机程序调试- 54 -4.3 控制系统上位机界面设计- 54 -4.3.1 WINCC简介- 54 -4.3.2 WINCC组态界面创建过程- 55 -V4.4 WINCC组态界面- 57 -4.4.1 初始组态界面- 57 -4.4.2 单步控制态界面- 58 -4.4.3 连续控制试验组态界面- 58 -4.4.4 试验主回路组态界面- 58 -4.4.5 上位机组态界面调试- 59 -4.5本章小结- 60 -第五章 结论- 61 -在学研究成果- 62 -参考文献- 63 -致谢- 66 -VI第一章 绪论1.1 关于工频耐压试验电力设备在运行中,绝缘强度长期受电场、温度和机械振动的作用会逐渐发生劣化,包括整体劣化和部分劣化,形成绝缘缺陷。而在电力系统所发生的事故中,很大一部分都是由于设备或线路的绝缘遭到破坏所造成的。可以说,在电力系统工作中常常由于某一部分或某一个设备的绝缘遭到破坏引起事故,破坏电力系统工作的可靠运行,由于电气设备绝缘工作不可靠引而引起事故所带来的经济损失远远超过设备本身的价值。工频耐压试验就是对电力设备施加一定的电压,并保持一定时间,以考察电力设备绝缘承受各种电压的能力。工频耐压试验能有效地发现电气设备存在的绝缘缺陷,是考验电力设备绝缘承受各种过电压能力最严格、最有效的方法,是保证设备安全运行的重要手段。其他的试验方法,例如:绝缘电阻试验、吸收比试验、泄漏电流和直流耐压试验以及介质损失角正切值测量试验等,虽然也能发现很多绝缘缺陷,但因其试验电压低于被测试品的工作电压,往往对一些绝缘缺陷不能及时发现。因此,工频耐压试验可在上述试验均合格后进行。如在这些试验中已查明有绝缘缺陷,则应设法消除,并重新试验合格后进行工频耐压试验,以免在工频耐压试验过程中,发生绝缘击穿,扩大绝缘缺陷,延长检修时间,增加检修工作量2。工频耐压试验会使原来可能存在的绝缘弱点进一步发展(但又不至于在耐压时击穿),使绝缘强度逐渐衰减,形成绝缘内部劣化的积累效应。试验电压越高,发现绝缘缺陷的有效性越高,但被试品被击穿的可能性越大,积累效应也越严重。反之,试验电压低,又增加了设备在运行中击穿的可能性。绝缘击穿电压值不但与所加电压有关,而且还与加压的持续时间有关,尤其以有机绝缘特别明显,其击穿电压随加压时间的增加而逐渐下降。因此,必须正确选择试验电压和耐压时间。国家根据各种设备的绝缘材质和可能遭受的过电压倍数,规定了相应的试验电压和时间标准。现有标准规定耐压时间为l min, 一方面是为了便于观察被试品的情况,使有弱点的绝缘能够暴露,特别是固体绝缘发生热击穿需要一定的时间;另一方面又不至于因时间过长而引起不应有的击穿3。1.2 工频耐压试验控制系统研究的目的及意义- 66 -为了检验电气设备的绝缘强度,使其不仅能在正常的工作电压下安全可靠的运行,而且还必须具备耐受各种过电压的能力。这就需要使用交流、直流、冲击电流等各种波形的高电压对电气设备绝缘进行耐压试验。进行高压电气设备或输电线路绝缘的工频耐压实验,开展绝缘理论和应用技术的研究性试验,确定绝缘材料的绝缘性能试验,都需要高性能的试验电压产生设备和完善可靠的控制、测量、保护及分析环节组成的工频绝缘耐压试验控制系统。为了确保各种高压电气设备和输电线路的绝缘能够在现场安全可靠的运行,开展工频耐压试验的控制系统具有理论和实用价值l4。试验方面的技术革新惊人的速度和试验设备的日新月异,使传统的手动控制系统相比之下十分的落后,工作效率低,劳动量大。目前,国内在高压电器产品型式试验方面的自动化水平大多数都较落后。以往的工频耐压试验控制线路一般均为继电器、接触器所组成的手动继电控制线路,操作顺序和升降压速度、升降压过程均由人工控制,容易出错,且精度不高,若试验过程中出现故障还需技术人员进行分析查找,很是费时,另外,试验过程中的各项试验指标、数据、结论均得人为记录、整理、输出,对试验人员来说,工作量很大,而且手动操作的过程,对试验的准确性,也有影响5。而以工控机为核心的工频耐压控制系统具有编程复杂、价格昂贵、抗干扰能力差的弱点。本课题的研究目的和意义就在于利用可编程控制器(PLC)控制技术设计出一套硬件和软件兼容度较好的控制系统,这套控制系统的实践应用若能成功实现,那对于高压电器型式试验来说,可以提高试验的自动化程度,减轻劳动强度,提高试验的数据收集,处理系统的性能,所以这方面的研究潜力是相当大的,也有很高的实际价值。PLC控制系统与传统电气控制系统的比较有许多相对独道之处,主要表现在以下几个方面。(l)控制方法。传统电气控制系统控制逻辑采用硬件接线,利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制逻辑,其连线多并且复杂、体积大、功耗大,系统构成后想第一章绪论器研究所试验室、武汉高压试验所、沈阳虎石台试验站、上海华通开关厂试验站和北京清河试验站等。近10余年来,由于电气设备故障诊断的需要以及传感技术、光纤技术、信号处理技术、计算机技术等的发展,使电气试验中采用的新设备不断增多,新方法不断涌现,新技术不断应用,诊断技术不断提高,从而出现喜人的新局面。西安高压电器研究所大容量试验室三期工程项目已通过国家验收。在项目实施过中,90%以上的设备由国内自主研制。三期工程建设期间,西高所自主设计研制了15kV、10OkA真空断路器这一具有世界领先水平的设备,以及合闸开关、TRV装置、调节电抗器、过电压保护装置、多种隔离开关等非标准设备,共计11种203台(套),多数设备参数达到国际或国内先进水平,不仅满足了试验装备需要,而且大大降低了工程建设成本。三期工程提高了12-40.5kV高压断路器直接试验能力和水平,满足了相关国家标准和国际IEC标准及电力部门的特殊要求,扩大了试验领域,填补了国内空白,以新建短路发电机、短路变压器系统为电流源,与新建成的SO0kV断路器试验系统联合作合成试验。试验能力达到550kv、63kA整极和SO0kV、63kVI/2极,使大容量试验能力达到世界先进水平。是国内自主技术创新的一次集中展现,为中国高压输变电设备的自主发展提供了必备条件。计算机及其应用技术在近二十年得到了特别快的发展,广泛地应用在工业、农业科技、军事等社会生活和生产的各个领域。但是它在高压试验技术领域,特别是在超高压试验技术中的应用比较滞后。国外在工频绝缘试验中应用计算机控制系统的报道还比较少。通过查阅相关资料获悉国外已经对高压电气设备绝缘的直流和交流试验方法进行了分析和比较的研究,并对两种试验方法进行了客观评述l0。也有关于高压电气设备的绝缘在运行过程中将产生老化、性能变坏,其泄漏电流和局部放电将产生无线电噪声,测量、监视和显示绝缘中的噪声,可以获得设备的绝缘状况,并对监测程序的方法进行了探讨11“。对高电压的测量一直是工频耐压试验的难题,国外有采用光或光磁技术对超高压、特超高压进行测量的研究LBJ。美国Microchip公司生产的Plc16c57单片机进行了工频绝缘试验控制系统的研究开发,论文主要论述了应用单片机完成试验过程的自动控制。控制系统的输出电压为look。通过查看相关文献看出:对于试验过程的计算机控制(包括计算机系统和单片机)已经有了一定的研究,但是没有出现过实际运行的报道。对于试品击穿或沈阳业大学硕十学位论文可靠性高,抗干扰能力是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性,主要表现在以下几个方面。1)所有的1/0接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离,如图1.1所示。2)各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为10-ZOmS。3)各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。4)采用性能优良的开关电源。5)对采用的器件进行严格的筛选。6)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软、硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。7)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三个CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。1.3 国内研究的现状高压电器试验的能力和水平反映一个国家高压电器的发展水平。至1985年,世界各国建立的高压电器试验室己有40多个,分布在美国、苏联、加拿大、荷兰、法国、日本、意大利、德国、瑞典、瑞士、英国等十几个国家。在中国,有西安高压电器研究所试验室、武汉高压试验所、沈阳虎石台试验站、上海华通开关厂试验站和北京清河试验站等。近10余年来,由于电气设备故障诊断的需要以及传感技术、光纤技术、信号处理技术、计算机技术等的发展,使电气试验中采用的新设备不断增多,新方法不断涌现,新技术不断应用,诊断技术不断提高,从而出现喜人的新局面。西安高压电器研究所大容量试验室三期工程项目已通过国家验收。在项目实施过中,90%以上的设备由国内自主研制。三期工程建设期间,西高所自主设计研制了15kV、10OkA真空断路器这一具有世界领先水平的设备,以及合闸开关、TRV装置、调节电抗器、过电压保护装置、多种隔离开关等非标准设备,共计11种203台(套),多数设备参数达到国际或国内先进水平,不仅满足了试验装备需要,而且大大降低了工程建设成本。三期工程提高了12-40.5kV高压断路器直接试验能力和水平,满足了相关国家标准和国际IEC标准及电力部门的特殊要求,扩大了试验领域,填补了国内空白,以新建短路发电机、短路变压器系统为电流源,与新建成的SO0kV断路器试验系统联合作合成试验。试验能力达到550kv、63kA整极和SO0kV、63kVI/2极,使大容量试验能力达到世界先进水平。是国内自主技术创新的一次集中展现,为中国高压输变电设备的自主发展提供了必备条件。计算机及其应用技术在近二十年得到了特别快的发展,广泛地应用在工业、农业科技、军事等社会生活和生产的各个领域。但是它在高压试验技术领域,特别是在超高压试验技术中的应用比较滞后。国外在工频绝缘试验中应用计算机控制系统的报道还比较少。通过查阅相关资料获悉国外已经对高压电气设备绝缘的直流和交流试验方法进行了分析和比较的研究,并对两种试验方法进行了客观评述l0。也有关于高压电气设备的绝缘在运行过程中将产生老化、性能变坏,其泄漏电流和局部放电将产生无线电噪声,测量、监视和显示绝缘中的噪声,可以获得设备的绝缘状况,并对监测程序的方法进行了探讨11“。对高电压的测量一直是工频耐压试验的难题,国外有采用光或光磁技术对超高压、特超高压进行测量的研究LBJ。美国Microchip公司生产的Plc16c57单片机进行了工频绝缘试验控制系统的研究开发,论文主要论述了应用单片机完成试验过程的自动控制。控制系统的输出电压为look。通过查看相关文献看出:对于试验过程的计算机控制(包括计算机系统和单片机)已经有了一定的研究,但是没有出现过实际运行的报道。对于试品击穿或沿试品表面闪络产生暂态恢复过电压、出现强烈的电磁干扰和放电电流引起的地电位抬高时,应用计算机对试验电压和试验电流进行测量,相关文献做了一些研究工作,但对试品击穿或闪络产生暂态恢复过电压时的瞬态保护研究较少。鉴于国内外的发展现状,认为工频耐压控制系的设计与研究很有其实际意义。1.4 课题研究的主要工作内容针对传统手动控制系统以及工控机控制系统自身的不足,本文设计了一套以PLC为核心的新型工频耐压试验控制系统。课题主要完成以下几个方面的研究:(1)通过对常用高电压测量方法进行分析比较,选择合适的测量高电压方法;采用全波傅里叶算法对模拟试验电压谐波分量进行分析。(2)控制系统的硬件设计:包括控制系统主回路、手动控制回路、PLC控制系统、电压电流测量电路、电源电路、电源滤波电路设计等。(3)控制系统的软件设计:使用西门子公司S7-300进行包括数字信号、模拟信号的处理以及整个控制系统的编程及调试。制作WINCC组态界面,配合硬件实现实时监控试验过程的功能。(4)最后,对工频耐压试验控制系统进行调试,验证其综合性能。第二章 试验原理及模拟试验电压谐波分析第二章 试验原理及模拟试验电压谐波分析2.1 工频耐压试验原理工频耐压试验接线图如图2.1所示。电源部分经过调压器来改变电压幅值,并加到试验变压器原边,同时在试验变压器副边产生一个高于试品正常工作的电压,并加在被测试品的绝缘体上,持续一段规定的时间,如果其间的绝缘性足够好,加在上面的电压就只会产生很小的漏电流并且被测试品绝缘体在耐压过程时间内没有发生击穿,就可以确定这个被测试品可以在正常的运行条件下安全运行。根据目前高压测量技术达到的水平,我国国家标准和国际电工委员会的推荐标准都规定:对于高电压和冲击电流的测量、除某种特殊情况外,误差应在士3%以内。在高压测量中要达到达个要求并不是轻而易举的。因此必须对测量系统的每个环节的误差加以限制。用的低压指示仪表的准确度至少为0.5级。所示对试验方法的选择是试验成功的关键。2.2 试验电压测量方法选择工频耐压试验电压值的确定考虑了电气设备运行过程中可能遭受的雷电过电压和操作过电压的作用,因此它比电气设备的额定电压要高得多。工频耐压试验能有效地发现绝缘中危险的集中性缺陷,是检验电气设备绝缘强度最有效和最直接的方法,但工频耐压试验也会使有机绝缘中存在的绝缘弱点进一步发展。因此,选择合适的试验电压值是一个重要的问题。一般考虑到运行中绝缘的老化及累积效应,对预防性试验时的试验电压值规定比出厂时的要低一些,而且对不同情况的设备区别对待。工频耐压试验的难点之一就是如何准确的测量试验电压,并把误差控制在士3%以内。电力运行部门测量交流高电压,是通过电压互感器和电压表来实现的。把电压互感器的高压边接到被测电压,低压边跨接一块电压表,把电压表读数乘上电压互感器的变比。就可得被测电压值。但这种方法在高电压实验室中用得不多,因为高电压实验室中所要测的电压常常比现有电压互感器的额定电压高许多,特制一个超高压的电压互感器比较昂贵,而且很高电压的互感器也比较笨重,所以来用别的方法来测量交流高电压。在高压实验室中用来测量交流高电压的方法很多,目前最常用的有下列几种:(1)利用测量球隙气体放电来测量未知电压的峰值。(2)利用高压静电电压表测量电压的有效值。(3)利用以分压器作为转换装置所组成的测量系统来测量交流高电压。(4)利用整流电容电流测量交流高电压的峰值。(5)利用整流充电电压测量交流高电压的峰值。本文分别对以上5种高电压测量方法的优缺点进行比较分析,选择一种适合工频耐压试验的测量方法。2.2.1 球隙法测量球隙法测量高电压是试验室比较常用的方法之一。空气在一定电场强度下,才能发生碰撞游离。均匀电场下空气间隙的放电电压与间隙距离具有一定的关系。可以利用间隙放电来测量电压,但绝对的均匀电场是不易做到的,只能做到接近于均匀电场。测量球隙是由一对相同直径的金属球所构成。加压时,球隙间形成稍不均匀电场。当其余条件相同时,球间隙在大气中的击穿电压决定于球间隙的距离。对一定球径,间隙中的电场随距离的增长而越来越不均匀。被测电压越高、间隙距离越大。要求球径也越大.这样才能保持稍不均匀电场。由于测量球并不是处在无限大空间里,而是有外物及大地对球间电场发生影响,所以很难用静电场理论来计算球间的电场强度和击穿电压,因此测量球隙放电的电压主要靠试验来决定。球隙法测量接线如图2.2所示RI是保护变压器用的防振电阻;R:是与球隙串联的保护保护电阻。保护电阻凡的作用是限制球隙放电时的电流,以免烧伤球的表面及阻尼放电时可能引起的振荡,因此这个电阻应尽量大一些,但也应考虑在球隙击穿之前流过球隙电容的电流应在电阻R:上引起太大的压降,从而影响测量的准确度,在测量交流电压时,这个压降不应超过1%,一般按此要求确定保护电阻值如下:R=K(50/f)Umax(2.1)式中:Umax为被测电压幅值;f为被测电压频率Hz;k为常数可由表2.1查得。测量时通过保护电阻将高电压加在球隙上,调节球隙距离,使球隙恰好在被测电压下放电,根据放电距离,查相应的曲线制定球隙击穿电压表,即可求得所加电压的幅值。国际电工委员会(IEC)制定有用球隙测量电压的标准数值表,表中给出了不同球径的球隙在不同距离下的各种形式的放电电压值。最后,我们对测量球隙作为一种高电压测量方法的优缺点进行比较。其优点是:(l)可以测量稳态高电压和冲击电压的幅值,是直接测量超高压的重要设备。(2)结构简单,容易自制或购买,不易损坏。(3)有一定的准确度,测量交流及冲击电压时准确度在士3%以内。球隙法测量的缺点是:(1)测量时必须放电,放电时将破坏稳定状态可能引起过电压。(2)气体放电有统计性,数据分散,必须取多次放电数据的平均值,为防止游离气体的影响,每次放电间隔不得过小。且升压过程中的升压速度应较缓慢,使低压表计在球隙放电瞬间能准确读数,测量较费时间。(3)实际使用中,测量稳态电压要作校订曲线,测量冲击电压要用50%放电电压法,手续都较麻烦。(4)要校订大气条件。(5)被测电压越高,球径越大,目前已有用到直径为3m的铜球,不仅本身越来越笨重,而且影响建筑尺寸。(6)一般来说测量球隙不宜使用于室外,实践证明,出于强气流以及灰尘、砂土、纤维和高湿度的影响,球隙法在室外使用时常会产生异常放电。2.2.2 静电压表法测量静电压表法测量原理是加电压于两电极,由于两电极上分别充上异性电荷,电极就会受到静电机械力的作用,测量此静电力的大小或是由静电力产生的某一极板的偏移(或是偏转)就能够反映所加电荷的大小。静电电压表有两种类型,一种是绝对静电电压表,另一种是非绝对的静电电压表,由于绝对静电电压表结构和应用都非常复杂。在工程上应用较多的还是构造相对简单的非绝对静电电压表,其测量不确定度为1%一3%。量程可达IO00kV。此种测量表测量时可动电极有位移。可动电极移动时,张丝所产生的扭矩或是弹簧的弹力产生了反力矩,当反力矩和静电场的力矩相平衡时,可动电极的位移达到一个稳定值。与可动电极相连接在一起的指针或反射光线的小镜子就指出了被测电压的数值。静电电压表从电路中吸取的功率相当小,当测量交流电压时,表计通过的电容电流的多少决定于被电压频率的高低以及仪器本身电容的大小,由于仪表的电容一般仅有几皮法到几十皮法,所以吸取的功率十分的微小,因此静电电压表的内阻抗极大。通常还可以把它接到分压器上来扩大其电压量程,目前国内已生产有250-500kV的静电电压表。静电电压表的优点是它基本上不从电路里吸取功率,或是只吸取极小量的功率。但是静电电压表的测量也存在着明显的缺点:(l)容易受到外界电场的干扰,同时静电电压表不能在有风的环境中使用,否则活动电极会被风吹动,造成较大的测量误差。(2)静电电压表的准确等级通常在1.5级左右,有一定的测量误差。若其安放位置或高压引线的路径处置不当,往往会造成显著的误差,另外它携带不方便。否则活动电极会被风吹动,造成较大的测量误差。所以一般被用于实验室里测量。2.2.3 峰值电压表法测量峰值电压表是用来测量交流电压幅值的。目前应用较多的有两种方法:一种是利用电容电流整流来测量电压峰值;另一种是利用电容上的整流充电电压来测量电压峰值。利用电容电流整流测量峰值的原理图如图2.3所示。被测高压为U,随时间变化时,流过电容C的电流ic_c业。dtdt。U随时间作正弦变化,i。在相位上超前于电压90。作正弦变化。D,及D:为两个二个整流管,G为检流计。i。为正半波时,电流经D,及检流计入地,当i。为负半波时D:导通,电流不经过检流计。故一周期内通过检流计的平均电流几为:此时检流计的读数与电压峰值成正比。可以通过测量检流计指示的平均电流几来求得电压的峰值。利用电容器上的整流充电电压来测量电压峰值的原理如图2.4所示。被测交流电压经整流管DI使电容充电至交流电压的幅值,电容电压可由静电电压表或微安表串联电阻来测量。放电过程中电容两端电压为:式中:以为波动电压最大值;最小值为Ue,平均电压为:因为TRC,故因此2.2.4 分压器法测量分压器是一种将高电压波形转换成低电压波形的转换装置,它由高压臂和低压臂组成。输入电压加在整个装置上,而输出电压则取自低压臂。通过分压器可以解决低压仪器测量高压峰值以及波形的问题。分压器可以分为电阻分压器如图2.5所示,电容分压器,阻容分压器,由于工频耐压试验很多时候电压会很高,在使用电阻分压器和阻容分压器时会产生杂散电容,影响测量的精度,同时电阻分压器在工频耐压试验中会消耗很多功率,所以在工频耐压试验中,往往用到的分压器是电容分压器。用电容分压器测量高电压的原理是,将被测电压通过串联的电容分压器进行分压,测出其中低阻抗电容器上的电压,再用分压比算出被测电压,如图2.6所示,图中C,、Q分别代表高电压臂和低电压臂的电容,测量仪表接在Q两端,可以用高阻抗的交流电压表或静电电压表测量电压的有效值,也可以用峰值表测量电压的峰值;还可以用示波器观察波形和测量电压的峰值。R为并联在Q上的一个高电阻,可以用它防止Q在加压前或加压后所存在的残余电压ll0-118。假定被测电压为U,Q两端电压为根据电流连续性原理:本文采用电容分压器法测量试验电压,其中高压臂电容量CI=Zo0PF,低压臂电容量Q=1林F,额定电压550kv,额定频率50Hz,分压比5000:1。经过电容分压器,我们可以得到0-l00V的电压信号,此电压信号经过分压、整流、滤波、放大、稳压后变为0-SV的满足57-300的A/D输入模块要求的标准电压信号。对于测量工频的分压器,一般有以下的基本要求:(l)分压器接入被测电路基本不影响被测电压的幅值和波形。(2)分压器所消耗的电能不能太大。在一定的冷却条件下,分压器消耗的电能所形成的温升不应引起分压比的变化。(3)由分压器低压臂所测得的电压波形与被测电压波形相同,分压比在一定的频带范围内应与被测电压的频率和幅值无关。(4)分压比与大气条件基本无关。(5)分压器中应无电晕及绝缘泄漏电流,或者说即使有极微量的电晕和泄漏,它们应对分压比的影响很小。(6)分压器应采取适当的屏蔽措施,使它的测量结果基本上或完全不受周围环境的影响。2.3工频耐压试验主要设备(l)试验变压器交流高电压试验设备主要是指高电压试验变压器电力系统中的电气设备,其绝缘不仅经常受到工作电压的作用,而且还会受到诸如大气过电压和内部过电压的侵袭。高电压试验变压器的作用在于产生工频高电压,使之作用于被测试电气设备的绝缘上,以考查被测试电气设备在长时间的工作电压及瞬时的内过电压下是否能可靠工作。因为试品大多为电容性的,当知道试品的电容量及所加的试验电压位时,便可计算出试验电流及试验所需的变压器容量,部分试品电容量如表2.2所示。试验变压器在原理上与电力变压器并没有区别,只是前者电压较高,变比较大。试验变压器的运行条件与电力变压器有所不同,表现在以下几个方面:l)试验变压器在大多数情况下,工作在电容性负荷下,而电力变压器一般工作在电感性负荷下。2)试验变压器所需试验功率不大,所以变压器的容量不是很大;而高压电力变压器的容量都很大。3)试验变压器在工作时,经常要放电,电力变压器在正常运行时,发生短路事故的机会是不多的,而且即使发生,继电保护装置也会立即将电源跳开。4)电力变压器在运行中可能受到大气过电压及操作过电压的侵袭;而试验变压5)试验变压器工作时间短,在额定电压下满载运行的时间更短。比如进行电气设备的耐压试验时常常用的是lmin工频耐压。而电力变压器则几乎终年或多年在额定电压下满载运行。6)由于上述原因,试验变压器工作温度低,而电力变压器温升较高。也因此电力变压器都带有散热管、风冷甚至强迫油循环冷却装置。而试验变压器则没有各种附加的散热装置,或只有简单的散热装置。控制系统中选用的试验变压器参数为:1)容量2200kVA。2)电压:55okv;低压:600ov。3)电流:高压侧4A;低压侧366A。(2)调压器工频耐压试验对于调压模块的操作有一些基本的要求。首先,当调压器不为零而接入试验变压器时会在试验变压器上产生过高压,这个是不允许的,所以每次调压必须从零开始。调压要均匀,前期的调速可以较快,但是在放电电压的后25%时,每秒的升一压不能超过放电电压的2%。此外还要保持波形的完整和稳定性。常用的调压设备有自祸调压器、移圈式调压器、电动发电机祖、接触式调压器等。下面简单介绍一下这几种调压器:1)自藕调压器自祸调压器的实际上可以看作是一个自祸变压器,但其二次侧的抽头能够滑动。这样的调压器一般容量较小,它价格低,携带方便,波形好,在小容量领域用的很多,但是在高压领域用的不多。2)移圈式调压器移圈式调压器是借助一个沿铁心柱高度方向上下移动的短路线圈,改变主回路两个线圈的阻抗和电压分配来进行调压的。这种调压器输出电压平滑均匀,制造工艺也比较简单,能适于一般的高压试验场合。此外这样的调压器漏抗较大,能够适合承受较高的电流冲击。3)电动发电机组电动发电机组是由电动机带动同步发电机的转子旋转,通过调节发电机的励磁电流来调节发电机的输出电压。这样可以均匀平滑的调压,不受电网的电压波动的影响,并可以供给正弦波形。当然,这里要求发电机必须是正弦波发电机,并且在适当场合并联电抗器做补偿。电动发电机组价格比较昂贵,一般用在对试验要求较高的场合。4)接触式调压器接触调压器也是自祸调压器的一种,它具有输出电压波形好,畸变小,输出电压下限可以为零;调压特性平滑,连续,线性;阻抗电压可以控制在较小的范围内;运行噪声小以及输出电压与输入电压相位相同等优点,是一种比较理想的高压试验用调压器。控制系统中采用的是接触式调压器型号为TXZC -250kVA/10kV/0- 10kV。2.3 模拟试验电压谐波分析2.3.1 试验电压谐波的产生试验电压的波形对各种试验是有不同程度的影响的。国家标准规定试验电压一般应是频率为45Hz-65Hz的交流电,试验电压的波形为两个半波相同的近似正弦波,且峰值和方均根(有效)值之比应在点扼士0.07以内。如果谐波的方均根(有效)值不大于基波方均根值的5%。则认为满足上述的波形要求回。以试验变压器为供电电源的高压绝缘试验系统造成试验电压波形畸变,含有谐波主要有以下几个原因:(l)由于高压试验变压器激磁电流中的高次谐波所造成的电压波形畸变。通常工频高压试验时,大部分试品表现为电容量不甚大的电容效应,它所造成的负荷电流相对于变压器的激磁电流并不甚大,试验变压器常接近于在空载状态下运行。在变压器一次侧流过的主要是激磁电流。由于变压器的铁心的基本磁化曲线是非线性的,因此若变压器一次侧所加的电压接近为正弦波时,变压器铁心中的主磁通也接近为正弦形,这样激磁电流11就是非正弦的,也就是说除基波分量之外,还有三次、五次等谐波分量,激磁电流呈尖顶波形。当试验变压器的前面接有调压器而且调压器的漏抗较大时,如图2.7所示。非正弦的激磁电流11就会在其上产生非正弦的压降u,如果电源电压u:为正弦波,则因uZ=ul一u,因此试验变压器的一次侧电压u:必为非正弦的,变压器的高压侧输出电压u3也因此为非正弦。变压器铁心中磁通的饱和程度越大,而且电源线路和调压装置的阻抗越大,则电压波形畸变越严重。另外,激磁电流与总电流之比越大,则波形畸变也越大。变压器二次侧为容性负载,相比于其它性质的负载来说,会使畸变加剧。因为容性负载对高次谐波电压来说阻抗较小,故高次谐波电流相对较大.这些高次谐波电流在调压器及变压器本身的阻抗中所产生的压降将使输出电压的畸变加剧。(2)由于调压装置的铁心饱和所造成的电压波形畸变。对于移圈式调压器来说,磁通穿过较大一段非导磁材料,铁心基本上满足线性的。正弦波发电机在设计时采用了特殊绕组,可以产生正弦波电压。而对于某些调压器(如感应调压器)由于磁路中或多或少存在着饱和现象,输出波形不一定能保证满足正弦的。(3)由于电源电压(电网)不是正弦波,即电源电压本身含有谐波成分,则不管什么调压装置都不能供应正弦电压。2.3.2 谐波分析算法目前谐波分析方法有离散傅里叶变换(DFT)法、准同步法、小波变换法等.其中离散傅里叶变换法发展很快,快速傅里叶变换(FFT)就是DFT的一种改进算法。由于FFT算法较DFT的计算量减少1到2个数量级,而且该方法分析谐波时,精度高、功能强、使用方便,因此目前应用比较广泛。全波傅里叶算法具有较强的滤波能力, 可以分析所有的整数次谐波分量,而且稳定性好。本文应用全波傅里叶算法进行基波分量和各次谐波分量的求解,精确提取试验电压中的各次谐波分量,并进行有效的滤波处理,使试验电压的波形满足试验标准要求。全波傅里叶算法能有效地求解直流分量和信号中的整数次谐波分量.如输入信号为:式中:a为直流分量;u。为基波(n=l)分量或(伦2)分量的幅值;。为基波角频率;p,为基波(n=l)或(伦2)分量的相位。可求得:式中:T为基波周期;a。为。次谐波的余弦分量;b。为n次谐波的正弦分量。由MATLAB的软件对试验电压波形进行采样,得到的是一组离散的采样值。具体的傅里叶算法为:式中:N为一个周期中的采样点数。求得a。和b。后,可以计算出交流分量有效值un2.3.3 仿真模型及结果分析(l)仿真模型为分析试验电压中谐波含量,以Matlab/PSB软件为工具进行模拟仿真,建立如图2.8所示的仿真模型。模型主要包括电源模块(Subsystem)如图2.9所示、LC滤波元件、电l江t和显示元件(Scope)等。仿真时阳J选择0.35,选用变步长ode45算法,Relative to leranee:le-7。采用S函数进行定步长采样,采样频率1oooHZ。电源子模块中设置含有谐波分量的模拟信号:基波分量220V:二次谐波分量IOV;三次谐波分量SV;四次谐波分量6V;五次谐波分量4V。(2)仿真结果分析具有2-5次谐波的信号波形如图2.10所示。仿真分析结果为:基波分量22OV,二次谐波含量10V,三次谐波含量SV,四次谐波含量6V,五次谐波含量4V。从仿真结果可以看出,该谐波分析算法与被给定信号谐波分量的参数完成一致,可以应用该算法进行模拟试验电压的谐波分析。模拟试验电压谐波含量为: (3)试验电压谐波的消除我们知道一般高次谐波中的三次及五次谐波起主要作用,通过计算模拟试验电压谐波含量可知此试验电压不满足试验标准,必需对试验电压进行滤波。本文设计了如图2.11所示的滤波电路。滤波电路并联在调压器输出电路上,分别滤除三次谐波分量与五次谐振波分量。每个滤波支路均采用L-C串联谐振回路,根据来选择三次滤波参数, 来选择五次滤波参数,。为基波角频率,即为100。通过三次与五次滤波器,使激磁电流中三次与五次谐波分量有了短路回路,避免在调压器的漏抗上产生三次与五次谐波压降,以保证试验变压器输入电压为满足试验标准要求的正弦波。为了不显著增加调压设备的容量,选择滤波电容时,要考虑流过滤波回路的交流电流不要太大,各滤波支路的滤波电容c都应选择在6F-1。林F范围之内。本文中三次滤波电路滤波电容c=lo林F,电感L-110mH,五次滤波电路滤波电容c-10林F,电感L=43mH。如图2.H所示为模拟试验电压滤波前后对比图。从图中可以看出滤波后电压变得更为光滑。谐波分析结果如表2.3所示。通过计算可得谐波含量为3.094%5%,满足试验标准要求。2.4 工频耐压试验过程中应注意事项工频耐压试验是一种型式试验,在试验过程中有许多需要注意的地方。如试验前应检查以下几个方面:(1)核算试验设备和电源容量是否满足试验要求。我国试验变压器的电压等级有:5、10、25、35、50、100、150、500kV等。容量等级有:3、5、10、25、50、100、150、2200kVA等。当设备较多,而试验变压器容量较小时,可分批进行