一种桥臂电抗器交直流叠加温升试验拓扑与装置

1.本发明属于桥臂电抗器工况绝缘温升考核领域，具体是一种桥臂电抗器交直流叠加温升试验拓扑与装置。


背景技术：

2.柔直工程中所用桥臂电抗器串接在换流器的每条支路中，其本质上是一种交直流复合电抗器。桥臂电抗器电压等级更高，容量更大，额定直流电流和一次谐波电流更大，端对地绝缘水平比以往工程中传统直流电抗器要求更高，不仅如此，目前尚无特高压柔性直流桥臂电抗器的运维工作经验，桥臂电抗器在运行过程中会不同程度地出现局部过热，再发展成匝间短路、烧损，甚至起火的问题，会使其绝缘材料逐渐失去原有的机械性能和绝缘性能，从而大大缩短电抗器的使用寿命，造成电网不稳定。桥臂电抗器包封内部匝间绝缘的最高温升是衡量桥臂电抗器热稳定的重要技术指标。
3.对于桥臂电抗器温升试验，国内外的研究一般分别在单独直流电流、交流电流下进行，或根据损耗等效的方法求等效电流进行试验。武汉大学姜志鹏等人研究了直流电流下桥臂电抗器温升分布，华北电力大学肖彩霞等人施加与实际损耗等效的等效直流电流进行温升试验；水利部、电力工业部机电研究所的叶占刚设计了一种桥臂电抗器交流温升试验方法，中国能建集团装备有限公司孟波等人根据损耗等效的方法求得等效工频电流进行温升试验。桥臂电抗器满足交直流复合条件下的温升特性研究方面存在一定的欠缺，为此有必要开展交直流叠加运行工况下的温升试验装置的研制。
4.对于测温系统，带电监测、在线监测和停电监测是目前三类常用电抗器温升试验的测量方法，带电监测包括噪声波监测、红外热像监测和磁感应强度监测，他们的准确性较好，但对设备和人力要求严格，很难实现实时检测，局限性较大。光纤温度监测、变色贴片测温技术和红外线温度监测是三种常用的在线监测方法。红外线温度监测技术无法对电抗器内部温度进行测量，因此逐渐被淘汰；光纤测温技术具有抗电磁干扰、无源监测、耐受高温、分辨率高等优点，但是工程应用的成本较高、传感器现场安装以及后期维护困难。接地测试、包封绝缘状态检测、电压耐受试验是最常用的三种断电监测方法，但绝大多数情况下他们的监测参数仅在故障发生后才有明显变化，在早期变化不明显。ntc热敏电阻是一种电阻式传感器，具有电阻温度系数大、型小体轻、热惯性小、稳定可靠、价格便宜、结构简单等特点，因此适用于桥臂电抗器温升试验的温度测量。
5.本发明的有益效果为：通过对所述桥臂电抗器交直流叠加温升试验拓扑与装置的综合分析，发现本拓扑设计与实验装置一方面可以施加交直流叠加电流进行桥臂电抗器温升试验，模拟的试验条件更贴近桥臂变压器实际工况；另一方面可以精确、稳定地测量桥臂电抗器内部温度，可以更加真实地考核设备质量。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术中的上述问题与缺陷，本发明的目的是提供一种桥臂电抗器交直流
叠加温升试验拓扑与装置，本装置模拟的试验条件更贴近桥臂电抗器交直流叠加的实际工况，具有良好的温度测量精度与稳定性。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种桥臂电抗器交直流叠加温升试验拓扑与装置，其特征在于所述装置由交直流叠加电源、桥臂电抗器以及ntc热敏电阻测温系统组成，其中：所述交直流叠加电源由交流电源、直流电源以及电流耦合单元等部分组成，该电源利用并联谐振原理输出试验电流进行桥臂电抗器温升试验，当调节电路到谐振频率时，谐振回路的阻抗成倍增大，电路支路中电流成倍增大。针对桥臂电抗器工作电流有效值可达ka以上的特殊工况，通过调节输入电压频率及谐振电容、电感大小使交流电源与直流电源分别输出符合试验条件的交流电流和直流电流，再经由电流耦合单元输出贴近桥臂电抗器工况的交直流叠加电流进行温升试验，同时，该电源采用集成电路进行驱动和保护。
8.为输出有效值在ka以上的试验电流，根据并联谐振原理相关理论，发生谐振时电感支路的电流模值为：式中ω0为谐振角频率，q为品质因数，z0为谐振阻抗。
9.交直流叠加电源的交流电源部分可通过调节输入电压频率及谐振电容、电感大小以实现输出试验所需电流：对于交流电源，其通过电压源输入起始电流，经过逆变输入到并联谐振电路发生谐振，最后经由隔离变压器隔离及电容器滤波后得到试验所需交流电流；直流电源部分可通过调节输入电压频率及谐振电容、电感大小以实现输出试验所需电流：对于直流电源，其通过电压源输入起始电流，经过逆变输入到并联谐振电路发生谐振，最后经由隔离变压器隔离、整流及电感器滤波后得到试验所需直流电流；电流耦合单元部分由隔交电感和隔直电容组成，隔直电容一方面可以将交流电源输出的交流电流耦合，另一方面，可以防止直流电流入侵到交流电源侧干扰其正常工作；隔交电感一方面可以防止交流电流入侵到直流电源侧干扰其正常工作，另一方面，可以对直流电源输出的直流电源滤波，电源所产生直流电流和交流电流经电流耦合单元耦合成为交直流叠加电流，施加至桥臂电抗器进行温升试验。
10.ntc热敏电阻测温系统由ntc热敏电阻、取样电阻、放大器、a/d转换电路以及单片机等部分组成，用于测量温升试验中桥臂电抗器各包封温度，桥臂电抗器具备在各个包封中布置ntc热敏电阻传感器的结构特点，ntc热敏电阻测温系统中取样电阻将热敏电阻传感器所测温度变化以电压信号输出，经过放大电路放大送入a/d转换器转换为数字量，送入单片机计算得到热敏电阻阻值，最后根据ntc热敏电阻阻值
‑
温度特性，结合数值分析方法进行非线性拟合得出所测桥臂电抗器内部温度值，测量精度可达 0.01 ℃。
11.所述桥臂电抗器交直流叠加温升试验拓扑与装置，以某
±
800kv柔性直流输电系统中的桥臂电抗器为例设计温升试验，其额定运行的主要电流成分为：直流1042a、工频交流1472a，通过计算，对于交直流叠加电源的直流电源部分，调节输入电压380v，频率1453hz，谐振电容3mf谐振电感0.4mh；对于交直流叠加电源的交流电源部分，调节输入电压380v，频率1368hz，谐振电容45mf谐振电感3mh。按照计算参数进行仿真，直流电源部分输出
电流1001a，误差为3.93%；交流电源部分输出电流1413a，误差为4.01%，交直流叠加电源输出电流为2291a。
12.一种利用上述平台进行的桥臂电抗器交直流叠加温升试验，包括如下步骤：1）根据预期输出试验电流数值计算并调节交直流叠加电源的输入电压频率、谐振电感大小以及谐振电容大小；2）将ntc热敏电阻传感器布置在桥臂电抗器各包封中，经放大器、a/d转换器连接到单片机；3）记录桥臂电抗器铭牌或使用说明书中的电气参数，连接交直流叠加电源、ntc热敏电阻测温系统并进行上电调试；4）将试验电流迅速升至额定试验电流，保持一段时间直至温升数据稳定；5）迅速切断电流，观察并记录试品各包封的绝缘有无异常。
附图说明
13.图1为桥臂电抗器交直流叠加温升试验拓扑与装置整体结构图。
14.图2为桥臂电抗器交直流叠加温升试验电源拓扑图。
15.图3为桥臂电抗器交直流叠加温升试验测温系统结构图。
16.图4为桥臂电抗器交直流叠加温升试验电源直流部分仿真图。
17.图5为桥臂电抗器交直流叠加温升试验电源交流部分仿真图。
18.图6为桥臂电抗器交直流叠加温升试验电源仿真图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于所说明部分，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
20.本发明提供了一种桥臂电抗器交直流叠加温升试验拓扑与装置，用于检验桥臂电抗器耐热性能，如图1所示，主要由交直流叠加电源、桥臂电抗器以及ntc热敏电阻测温系统组成。交直流叠加电源是桥臂电抗器温升试验的电流发生装置，由交流电源、直流电源以及电流耦合单元等部分组成，输出交直流叠加电流进行桥臂电抗器温升试验，模拟的试验条件更贴近桥臂变压器实际工况。对于交流电源，利用并联谐振原理，输入电流经过逆变、并联谐振电路、变压器隔离、电容滤波后得到交流电流；对于直流电源，利用并联谐振原理，输入电流经过逆变、并联谐振电路、变压器隔离、整流、电感滤波后得到直流电流。电流耦合单元中的隔交电感和隔直电容将直流电流和交流电流耦合，叠加电流作用在桥臂电抗器上进行温升试验。ntc热敏电阻测温系统由ntc热敏电阻、放大器、a/d转换电路、单片机等部分组成。热敏电阻传感器所测温度变化以电压信号输出，经过放大电路、a/d转换器、单片机得出所测桥臂电抗器包封温度值。
21.1、交直流叠加电源由交流电源、直流电源、电流耦合单元等部分组成，如图2所示：1）直流电源部分：图中v
in1
是可调的直流电压，经过t1‑
t4组成的全桥dc
‑
ac变换器，逆变输出为高频方波电压，随后进入并联谐振电路进行谐振，再通过变压器tx1电气隔离以及t9‑
t
12
组成的整流电路，最后经过电感滤波得到直流电流输出；
2）交流电源部分：图中v
in2
是可调的直流电压，经过t5‑
t8组成的全桥dc
‑
ac变换器，逆变输出为高频方波电压，随后进入并联谐振电路进行谐振，再通过变压器tx2电气隔离以及电容滤波，得到交流电流输出；3）电流耦合单元部分：电流耦合单元由隔交电感l1和隔直电容c3组成，隔直电容一方面将交流电源输出的交流电流耦合，另一方面，可以防止直流电流入侵到交流电源侧干扰其正常工作；隔交电感一方面可以防止交流电流入侵到直流电源侧干扰其正常工作，另一方面对直流电源输出的直流电源滤波。同时，交流电源与直流电源相互独立可调。
22.2、ntc热敏电阻测温系统由ntc热敏电阻、放大器、a/d转换电路、单片机等部分组成，如图3所示。采用的ntc热敏电阻在导电方式上具有半导体性质，温度低时，载流子(电子和孔穴) 数目少，电阻值较高，随着温度的升高，载流子数目增加，电阻值会降低。根据桥臂电抗器结构特点，在各个包封中布置ntc热敏电阻传感器。取样电阻将ntc热敏电阻传感器所测温度变化以电压信号输出，经过放大电路放大，随后送入a/d转换器转换为数字量，再送入单片机计算得到热敏电阻阻值，最后根据ntc热敏电阻阻值
‑
温度特性，结合数值分析方法进行非线性拟合得出所测温度值。
23.本平台所提供的平台具体操作步骤如下：1）根据预期输出试验电流数值计算并调节交直流叠加电源输入直流电压频率、谐振电感大小以及谐振电容大小；2）将ntc热敏电阻传感器布置在桥臂电抗器各包封中，经放大器、a/d转换器连接到单片机；3）记录桥臂电抗器铭牌或使用说明书中的电气参数，连接交直流叠加电源、ntc热敏电阻测温系统并进行上电调试；4）将试验电流迅速升至额定试验电流，保持一段时间直至温升数据稳定；5）迅速切断电流，观察并记录试品各包封的绝缘有无异常。