【正文】 ............................ 59 本章小結(jié) ................................................. 60 第五章 結(jié)論 ................................................... 61 在學(xué)研究 成果 .................................................. 62 參考文獻(xiàn) ...................................................... 63 致謝 .......................................................... 66 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第一章 緒論 關(guān)于工頻耐壓試驗(yàn) 電力設(shè)備在運(yùn)行中 ,絕緣強(qiáng)度長(zhǎng)期受電場(chǎng)、溫度和機(jī)械振動(dòng)的作用會(huì)逐漸發(fā)生劣化 ,包括整體劣化 和部分劣化 ,形成絕緣缺陷。 研究了暫態(tài)恢復(fù)過(guò)電壓保護(hù)系統(tǒng)。 本文通過(guò)對(duì)常用的幾種高電壓測(cè)量方法進(jìn)行分析比較 ,選擇電容分壓器法測(cè)量試驗(yàn)電壓 ,同時(shí)采用全波傅立葉算法分析諧波分量并設(shè)計(jì)濾波電路消除試驗(yàn)電壓中的諧波。因此對(duì)于交流高壓電氣設(shè)備 ,工頻耐壓試驗(yàn)在高電壓技術(shù)中具有非常重要和不可替代的地位和作用。 以往的工頻耐壓試驗(yàn)控制線路一般均為繼電器、接觸器所組成的手動(dòng)繼電控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)操作順序和升降壓速度變化、升降壓過(guò)程等均由人工控制 ,容易出錯(cuò) ,且精度得不到保證 ,若試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)故障還需技術(shù)人員進(jìn)行分析查找 ,很是費(fèi)時(shí) ,對(duì)試驗(yàn)人員來(lái)說(shuō) ,工作量很大 ,而且手動(dòng)操作的過(guò)程 ,對(duì)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性 ,也有影響。設(shè)計(jì)了工頻耐壓控制系統(tǒng)的主回路包括接觸式調(diào)壓器、試驗(yàn)變壓器、 NSP 保護(hù)裝置等。最后 ,使用西門子 S7300 編程軟件進(jìn)行包括數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)的處理以及整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件編程與調(diào)試。而在電力系統(tǒng)所發(fā)生的事故中 ,很大一部分都是由于設(shè)備或線路的絕緣遭到破壞所造成的。其他的試驗(yàn)方法 ,例如 :絕緣電阻試驗(yàn)、吸收比試驗(yàn)、泄漏電流和直流耐壓試驗(yàn)以及介質(zhì)損失角正切值測(cè)量試驗(yàn)等 ,雖然也能發(fā)現(xiàn)很多絕緣缺陷 ,但因其試驗(yàn)電壓低于被測(cè)試品的工作電壓 ,往往對(duì)一些絕緣缺陷不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。試驗(yàn)電壓越高 ,發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的有效性越高 ,但被試品被擊穿的可能性越大 ,積累效應(yīng)也越嚴(yán)重。國(guó)家根據(jù)各種設(shè)備的絕緣材質(zhì)和可能遭受的過(guò)電壓倍數(shù) ,規(guī)定了相應(yīng)的試驗(yàn)電壓和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。這就需要使用交流、直流、沖擊電流等各種波形的高電壓對(duì)電氣設(shè)備絕緣進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。目前 ,國(guó)內(nèi)在高壓電器產(chǎn)品型式試驗(yàn)方面的自動(dòng)化水平大多數(shù)都較落后。 PLC 控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的比較有許多相對(duì)獨(dú)道之處 ,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。西安高壓電器研究所大容量試驗(yàn)室三期工程項(xiàng)目已通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。試驗(yàn)?zāi)芰_(dá)到 550kv、 63kA 整極和 SO0kV、 63kVI/2 極 ,使大容量試驗(yàn)?zāi)芰_(dá)到世界先進(jìn)水平。國(guó)外在工頻絕緣試驗(yàn)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的報(bào)道還比較少。美國(guó) Microchip公司 生產(chǎn)的 Plc16c57 單片機(jī)進(jìn)行了工頻絕緣試驗(yàn)控制系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā) ,論文主要論述了應(yīng)用單片機(jī)完成試驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)控制。 PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù) ,采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造 ,內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù) ,具有很高的可靠性 ,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 ]。 4)采用性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。 國(guó)內(nèi) 研究的現(xiàn)狀 高壓電器試驗(yàn)的能力和水平 反映一個(gè)國(guó)家高壓電器的發(fā)展水平。西安高壓電器研究所大容 量試驗(yàn)室三期工程項(xiàng)目已通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。試驗(yàn)?zāi)芰_(dá)到 550kv、 63kA 整極和 SO0kV、 63kVI/2 極 ,使大容量試驗(yàn)?zāi)芰_(dá)到世界先進(jìn)水平。國(guó)外在工頻絕緣試驗(yàn)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的報(bào)道還比 較少。美國(guó) Microchip 公司生產(chǎn)的Plc16c57 單片機(jī)進(jìn)行了工頻絕緣試驗(yàn)控制系統(tǒng)的研 究開(kāi)發(fā) ,論文主要論述了應(yīng)用單片機(jī)完成試驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)控制。鑒于國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 ,認(rèn)為工頻耐壓控制系的設(shè)計(jì)與研究很有其實(shí)際意義。 (2)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) :包括控制系統(tǒng)主回路、手動(dòng)控制回路、 PLC 控制系統(tǒng)、電壓電流測(cè)量電路、電源電路、電源濾波電路設(shè)計(jì)等。 第二章 試驗(yàn)原理及模擬試驗(yàn)電壓諧波分析 第二章 試驗(yàn)原理及模擬試驗(yàn)電壓諧波分析 工頻耐壓試驗(yàn)原理 工頻耐壓試驗(yàn)接線圖如圖 所示。因此必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)的誤差加以限制。工頻耐壓試驗(yàn)?zāi)苡行У匕l(fā)現(xiàn)絕緣中危險(xiǎn)的集中性缺陷 ,是檢驗(yàn)電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度最有效和最直接的方法 ,但工頻耐壓試驗(yàn)也會(huì)使有機(jī)絕緣中存在的絕緣弱點(diǎn)進(jìn)一步發(fā)展。電力運(yùn)行部門測(cè)量交流高電壓 ,是通過(guò)電壓互感器和電壓表來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 在高壓實(shí)驗(yàn)室中用來(lái)測(cè)量交流高電壓的方法很多 ,目前最常用的有下列幾種 : (1)利用測(cè)量球隙氣體放電來(lái)測(cè)量未知電壓的峰值。 (5)利用整流充電電壓測(cè)量交流高電壓的峰值。均勻電場(chǎng)下空氣間隙的放電電壓與間隙距離具有一定的關(guān) 系。當(dāng)其余 條件相同時(shí) ,球間隙在大氣中的擊穿電壓決定于球間隙的距離。由于測(cè)量球并不是處在無(wú)限大空間里 ,而是有外物及大地對(duì)球間電場(chǎng)發(fā)生影響 ,所以很難用靜電場(chǎng)理論來(lái)計(jì)算球間的電場(chǎng)強(qiáng)度和擊穿電壓 ,因此測(cè)量球隙放電的電壓主要靠試驗(yàn)來(lái)決定。f為被測(cè)電壓頻率 Hz。 最后 ,我們對(duì)測(cè)量球隙作為一種高電壓測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。 球隙法測(cè)量的缺點(diǎn)是 : (1)測(cè)量時(shí)必須放電 ,放電時(shí)將破壞穩(wěn)定狀態(tài)可能引起過(guò)電壓。 (4)要校訂大氣條件。 靜電電壓表有兩種類型 ,一種是絕對(duì)靜電電壓表 ,另一種是非絕對(duì)的靜電電壓表 ,由于絕對(duì)靜電電壓表結(jié)構(gòu)和應(yīng)用都非常復(fù)雜?？蓜?dòng)電極移動(dòng)時(shí) ,張絲所產(chǎn)生的扭矩或是彈簧的彈力產(chǎn)生了反力矩 ,當(dāng)反力矩和靜電場(chǎng)的力矩相平衡時(shí) ,可動(dòng)電極的位移達(dá)到一個(gè)穩(wěn) 定值。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 靜電電壓表的優(yōu)點(diǎn)是它基本上不從電路里吸取功率 ,或是只吸取極小量的功率。否則活動(dòng)電極會(huì)被風(fēng)吹動(dòng) ,造成較大的測(cè)量誤差。另一種是利用電容上的整流充電電壓來(lái)測(cè)量電壓峰值。 U隨時(shí)間作正弦變化 ,i。 i?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量檢流計(jì)指示的平均電流幾來(lái)求得電壓的峰值。最小值為 Ue,平均電壓為 : 因?yàn)?TRC,故 因此 分壓器法測(cè)量 分壓器是一種將高電壓波形轉(zhuǎn)換成低電壓波形的轉(zhuǎn)換裝置 ,它由高壓臂和低壓臂組成。用電容分壓器測(cè)量高電壓的原理是 ,將被測(cè)電壓通過(guò)串聯(lián)的電容分壓器進(jìn)行分壓 ,測(cè)出其中低阻抗電容器上的電壓 ,再用分壓比算出被測(cè)電壓 ,如圖 所示 ,圖中 C,、 Q分別代表高電壓臂和低電壓臂的電容 ,測(cè)量?jī)x表接在 Q 兩端 ,可以用高阻抗的交流電壓表或靜電電壓表測(cè)量電壓的有效值 ,也可以用峰值表測(cè)量電壓的峰值 。經(jīng)過(guò)電容分壓器 , 我們可以得到 0l00V 的電壓信號(hào) ,此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓、整流、濾波、放大、穩(wěn)壓后變?yōu)?0SV的滿足 57300 的 A/D輸入模塊要求的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。 (3)由分壓器低壓臂所測(cè)得的電壓波形與被測(cè)電壓波形相同 ,分壓比在一定的頻帶范圍內(nèi)應(yīng)與被測(cè)電壓的頻率和幅值無(wú)關(guān)。 工頻耐壓試驗(yàn)主要設(shè)備 (l)試驗(yàn)變壓器 交流高 電壓試驗(yàn)設(shè)備主要是指高電壓試驗(yàn)變壓器電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備 ,其絕緣不僅經(jīng)常受到工作電壓的作用 ,而且還會(huì)受到諸如大氣過(guò)電壓和內(nèi)部過(guò)電壓的侵襲。試驗(yàn)變壓器的運(yùn) 行條件與電力變壓器有所不同 ,表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 : l)試驗(yàn)變壓器在大多數(shù)情況下 ,工作在電容性負(fù)荷下 ,而電力變壓器一般工 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 作在電感性負(fù)荷下。 4)電力變壓器在運(yùn)行中可能受到大氣過(guò)電壓及操作過(guò)電壓的侵襲 。 6)由于上述原因 ,試驗(yàn)變壓器工作溫度低 ,而電力變壓器溫升較高。 2)電壓 :55okv。 (2)調(diào)壓器 工頻耐壓試驗(yàn)對(duì)于調(diào)壓模塊的操作有一些基本的要求。常用的調(diào)壓設(shè)備有自禍調(diào)壓器、移圈式調(diào)壓器、電動(dòng)發(fā)電機(jī)祖、接觸式調(diào)壓器等。這種調(diào)壓器輸出電壓平滑均勻 ,制造工藝也比較簡(jiǎn)單 ,能適于一般的高壓試驗(yàn)場(chǎng)合。當(dāng)然 ,這里要求發(fā)電機(jī)必須是正弦波發(fā)電機(jī) ,并且在適當(dāng)場(chǎng)合并聯(lián)電抗器做補(bǔ)償。阻抗電壓可以控制在較小的范圍內(nèi) 。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)電壓一般應(yīng)是頻 率為 45Hz65Hz 的交流電 ,試驗(yàn)電壓的波形為兩個(gè)半波相同的近似正弦波 ,且峰值和方均根 (有效 )值之比應(yīng)在點(diǎn)扼士 以內(nèi)。 通常工頻高壓試驗(yàn)時(shí) ,大部分試品表現(xiàn)為電容量不甚大的電容效應(yīng) ,它所造成的負(fù)荷電流相對(duì)于變壓器的激磁電流并不甚大 ,試驗(yàn)變壓器常接近于在空載狀態(tài)下運(yùn)行 。非正弦的激磁 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 電流 11就會(huì)在其上產(chǎn)生非正弦的壓降 u,如果電源電壓 u:為正弦波 ,則因 uZ=ul一 u,因此試驗(yàn)變壓器的一次側(cè)電壓 u:必為非正弦的 ,變壓器的高壓側(cè)輸出電壓u3 也因此為非正弦 。因?yàn)槿菪载?fù)載對(duì)高次諧波電壓來(lái)說(shuō)阻抗較小 ,故高次諧波電流相對(duì)較大 .這些高次諧波電流在調(diào)壓器及變壓器本身的阻抗中所產(chǎn)生的壓降將使輸出電壓的畸變加劇。而對(duì)于某些調(diào)壓器 (如感應(yīng)調(diào)壓器 )由于磁路中或多或少存在著飽和現(xiàn)象 ,輸出波形不一定能保證滿足正弦的。全波傅里葉算法具有較強(qiáng)的濾波能力 , 可以分析所有的整數(shù)次諧波分量 ,而且穩(wěn)定性好。為基波 (n=l)分量或 (倫 2)分量的幅值 。 a。為 n次諧 波的正弦分量。和 b。采用 S函數(shù)進(jìn)行定步長(zhǎng)采樣 ,采樣頻率 1oooHZ。五次諧波分量 4V。 模擬試驗(yàn)電壓諧波含量為 : (3)試驗(yàn)電壓諧波的消除 我們知道一般高次諧波中的三次及五次諧波起主要作用 ,通過(guò)計(jì)算模擬試驗(yàn)電壓諧波含量可知此試驗(yàn)電壓不滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) ,必需對(duì)試驗(yàn)電壓進(jìn)行濾波。為基波角頻率 ,即為 100。 本文中三次濾波電路濾波電容 c=lo 林 F,電感 L110mH,五次濾波電路濾波電容 c10 林 F,電感 L=43mH。通過(guò)計(jì)算可得諧波含量為 %5%,滿足試驗(yàn)標(biāo) 準(zhǔn)要求。容量等級(jí)有 : 250、 100、 150、 2200kVA 等。 (3)試驗(yàn)變壓器使用前應(yīng)擦拭干凈 ,檢查變壓器內(nèi)的油是否足夠 ,不夠應(yīng)補(bǔ)充合格的變壓器油 ,在注油后應(yīng)靜止足夠的時(shí)間 ,以排除變壓器內(nèi)空氣 ,并用25O0V 兆歐表檢查各繞組對(duì)外殼及地的絕緣電阻。 (2)耐壓試驗(yàn)過(guò)程中 ,升壓應(yīng)當(dāng)從零開(kāi)始 ,禁止在 30%試驗(yàn)電壓以上沖擊合閘。耐壓時(shí)間一到 ,應(yīng)速將電壓降至輸出電壓的 25%以下 ,再切斷電源 ,嚴(yán)禁在試驗(yàn)電壓下切斷電源 ,否則可能產(chǎn)生很高的操作過(guò)電壓。其次 ,采用全波傅里葉算法分析諧波分量并設(shè)計(jì) 濾波電路消除試驗(yàn)電壓中的諧波。主電路包括從電源到電動(dòng)機(jī)或線路末端的電路 ,是工作電流的通路部分。主電路標(biāo)號(hào)一般由文字符號(hào)和數(shù)字組成。 (3)有些情況下需要將電器元件展開(kāi)圖展開(kāi)才能清楚表達(dá) ,這種情況下同一電器元件的各部件可以不畫在一起 ,但需用同一文字符號(hào)標(biāo)出 ,若有多個(gè)同一種類的電器元件 ,應(yīng)在文字符號(hào)后加上數(shù)字序號(hào)予以區(qū)分 ,如 Kl、 KZ、凡等。 (6)對(duì)于較復(fù)雜的電氣原理圖 ,為了便于讀圖分析、避免遺漏 ,應(yīng)對(duì)圖面進(jìn)行石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 區(qū)域劃分或電路編號(hào) ,必要時(shí)刻注明回路用途 ,圖區(qū)編號(hào)在圖紙上、下方各用 ,在圖紙左、右方各用英文字母編號(hào)。 (4)系統(tǒng)能對(duì)升壓、降壓、變速升降壓及停 LL 等操作進(jìn)行控制。 (8)要有緊急按鈕等各種保護(hù)措施。 QF 為斷路器起控制主回路的通斷和短路保護(hù)作用。工頻耐壓試驗(yàn)需要測(cè)量主回路調(diào)壓器原邊電源電壓、電源電流 ,調(diào)壓器副邊初級(jí)電壓、初級(jí)電流 ,試品兩端試驗(yàn)電壓、次級(jí)電流 6個(gè)模擬信號(hào)值。石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 控制系統(tǒng)控 制回路設(shè)計(jì) 根據(jù)工頻耐壓試驗(yàn)對(duì)控制系統(tǒng)的壓球設(shè)計(jì)控制回路，如圖 所示。通過(guò)關(guān)合轉(zhuǎn)換按鈕 ,接觸器線圈得電 ,常開(kāi)觸點(diǎn)閉合 ,切換到手動(dòng)控制系統(tǒng)。此時(shí)再將主回路石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 隔離開(kāi)關(guān) ,斷路器合上。所 以每次調(diào)壓必須從零開(kāi)始 ,關(guān)合按鈕調(diào)壓器歸零。準(zhǔn)備升壓。 升壓結(jié)束后 ,關(guān)合按鈕對(duì)試品進(jìn)行加壓。 該裝置的自動(dòng)控制工作過(guò)程與手動(dòng)控制工作過(guò)程基本一致 ,只是各相應(yīng)的操作均由來(lái)實(shí)現(xiàn)。單步手動(dòng)試驗(yàn)則是由試驗(yàn)人員按試驗(yàn)步驟通過(guò)鼠標(biāo)在界面中順序點(diǎn)動(dòng)界面中的各組態(tài)按鈕 ,一步一步按照試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行操作。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 控制系統(tǒng)測(cè)量電路設(shè)計(jì) 工頻耐壓試驗(yàn)控制系統(tǒng)需要測(cè)量 6個(gè)模擬量信號(hào) ,分別為電源電壓、電源電流、初級(jí)電壓、初級(jí)電流、試驗(yàn)電壓 (高壓 )和次級(jí)電流信號(hào)。 電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì) 電壓測(cè)量電路的輸入電壓取自電壓互感器的二次側(cè) ,電流測(cè)量電路的輸入電流取決于電流互感器的二次側(cè) ,最終通過(guò)測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)將交流電壓或電流變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)直流電壓信號(hào)送入 A/D 模塊的目的。具有以下特點(diǎn)短路保護(hù)輸出靜態(tài)功耗小 ,可單電源工作一犯低偏置電流最大叭犯每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器具有 內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ芄材７秶鷶U(kuò)展到負(fù)電源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列輸入端具有靜電保護(hù)功能。只有精密整流電路 能檢測(cè)到弱電壓信號(hào)。 ,時(shí)集成運(yùn)放的輸出 ,導(dǎo)致二極管截止 ,導(dǎo)通 ,凡中電流為零 , 因此輸出電壓 所以實(shí)現(xiàn)全波整流。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 常用的濾波電路有有源和無(wú)源兩種。其特點(diǎn)是輸入阻抗高。電