一种电力设备局部放电检测用弱阻尼交流高压发生器

摘要

本发明公开了一种电力设备局部放电检测用弱阻尼交流高压发生器，包括：与交流电源相连的大功率直流电源，与直流电源相连的高压半导体开关，与高压半导体开关相连的电抗器单元，与电抗器并联的阻容分压器以及与阻容分压器并联的电容单元。该装置可将变压器和电抗器等感性设备直接代替电抗器单元；或将电力电缆等大容量试品的电容代替电容单元，通过调节装置中主LC谐振回路中的电感和电容元件，可对多种电力设备进行局部放电测量。整套装置具有装置轻便、工作可靠，安全性高等优点，属于无损的局部放电弱阻尼交流高压测试装置。该发生器可对各种容性和感性设备进行局部放电测试，适用于变压器、电抗器、电容器及电缆等多种电力设备的现场测试。

说明书

技术领域

本发明涉及电力设备绝缘状态检测技术及其应用领域，特别是涉及一种用于 电力设备局部放电检测用的高压弱阻尼交流电压发生器。

背景技术

局部放电检测及定位测试属于电力电缆的现场交接试验以及状态检修工作 的重要内容。对于具有大电容量的电力设备，其现场试验所需的工频高压电源 的体积和重量通常都很大，运输困难，难以满足现场测试需求。近些年来，一 种先进的阻尼交流电压测试技术在电力企业获得了越来越广泛的应用。此类设 备便携型强，操作方便，与工频交流电压具有良好的等效性，适用于各类大电 容量电力设备的现场试验。

然而，目前的阻尼交流电压测试技术在实际应用中还存在若干技术问题尚待 解决：1）阻尼交流电压发生器的关键部件高压半导体开关处于LC串联谐振回 路之中，而半导体开关的通流能力制约了振荡波测试技术的进一步推广应用。 同时开关及其附属电路的性能也会对振荡波形及测试效果产生影响；2）传统的 阻尼交流电压测试系统在测试时需要使用高压直流电源对主回路电容和待测设 备充电，这使得待测设备在经受阻尼振荡波前先得承受较长时间的直流高压， 影响了阻尼振荡波电压与工频交流电压局部放电测试结果的等效性。3）传统的 拓扑结构要求阻尼交流电压测试系统必须具有高压直流电源，且空心电抗器的 两端都需要较高的绝缘设计，这些因素也增大了现有测试设备的体积和重量， 降低了设备的便携性。4）传统的阻尼交流电压测试系统只适用于具有大电容量 的电力设备，对于低电容量或感性设备无法开展局部放电测试工作。因此，如 何设计和制作一种安全、便携、高效的新型弱阻尼交流高压发生器，解决目前 基于阻尼交流电压技术的电力设备局部放电监测系统所面临的现实问题，实属 当前业界的重要研究课题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有新型拓扑结构的弱阻尼交流 高压发生器，且具有安全性高、便携性强、应用广泛等特点，以克服现有技术 的监测系统在电力企业的应用实践中技术方面存在的不足和困难。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种电力设备局部放电检测用弱阻 尼交流高压发生器，该高压发生器主要包含下述单元：

大功率直流电源S11，与工频交流电源相连，用于给整个发生器供电；

高压半导体开关K11，与直流电源连接，用于对发生器的充电回路进行控制；

电抗器单元L11，其一端与高压半导体开关K11相连接，另一端接地，为整 个发生器的储能和振荡单元；

阻容分压器V11，与电抗器单元L11并联，用于测量待测设备两端的高压阻 尼振荡波形和相应的局部放电信号；

电容单元C11，与阻容分压器V11并联，参与主回路振荡并调节振荡频率。

优选地，所述大功率直流电源进一步包括：

大电流整流桥B21，其两个输入端与交流220V相连接，输出端的一端接地；

第一电容C21，其两端分别与整流桥的两个输出端并联；

高速电子开关K21，其一端与第一电容C21相连接，另一端与第二电容C22 相连接；

第二电容C22，其一端与所述的电子开关K21的相连接，另一端接地；

电感L21，其一端与所述第二电容C22相连接，且另一端与第三电容C23 相连接；

第三电容C23，其一端为直流电源的输出端，与所述电感L21相连接，另 一端接地。

优选地，当现场无工频交流电源时，发生器中的大功率直流电源S11可由大 容量的可充电电池代替。

优选地，所述电抗器单元L11与待测设备并联，且具有保证阻尼交流电压波 形的缓慢衰减的低内阻值。

优选地，所述电抗器单元L11绕组由漆包铜线分段绕置于环氧骨架上，且相 邻两段绕组间使用绝缘挡板隔离固定，具有良好的耐压性能。

优选地，所述高压半导体开关K11由多个低电压等级的模块串联而成，每个 单元模块分别由高压隔离变压器、IGBT驱动板、IGBT模块及相应的缓冲保护 电路依次连接构成。

优选地，所述高压半导体开关K11的输入端与220V交流相连，IGBT的驱 动板通过光纤传递控制信号。

优选地，所述高压半导体开关K11仅在充电回路中工作，不参与主回路的 振荡。

本发明与以往装置相比，高压半导体开关不参与主回路的振荡过程，且充电 回路无需高压直流电源，所产生的阻尼交流高压波形的起始时刻接近于地电位， 使得整套系统具有装置轻便、工作可靠，安全性高等优点，属于无损的局部放 电弱阻尼交流高压测试装置。同时通过调整装置主振荡回路中的电感和电容单 元，该发生器可对各种容性和感性设备进行局部放电测试，适用于变压器、电 抗器、电容器及电缆等多种电力设备的现场测试。

实施本发明的实施例，具有如下有益效果：

1、本发明中的弱阻尼交流高压发生器采用新型的主电路拓扑结构，整个装 置工作可靠，操作方便，便携性强，适用于各类电力设备的现场局部放电试验；

2、本发明的高压半导体开关仅处于供电回路，不参与高压阻尼交流电压主 回路的振荡过程，有利于延长开关的使用寿命，同时也提升了系统测试容量并 改善测试效果；

3、本测试系统中的空心电抗器与待测设备并联，一端直接接地，不需要两 端都进行满足系统要求的高压绝缘设计，大为简化了电抗器的设计及使用方法；

4、本发明实施例的弱阻尼交流高压发生器在进行现场局部放电监测时，有 很多情况下现场没有交流电源可用，此时只需接入30V/10A的锂电池直流电源 即可开展测试工作，使用方式灵活；

5、本发明实施例的弱阻尼交流高压发生器在进行现场局部放电监测时，操 作人员只需在低压侧控制充电回路即可产生所需的阻尼交流高压。与现有的测 试装置相比：在主回路的储能充电阶段，施加在待测设备两端的直流电压接近 于地电位，可以更好的等效工频交流电压，尤其对于一些不适合进行高压直流 试验的试品（例如，交联聚乙烯电缆），具有明显的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中 的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出 创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种电力设备局部放电检测用弱阻尼交流高压发生器的一个 实施例的主电路结构示意图。

图2是本发明一种电力设备局部放电检测用弱阻尼交流高压发生器的一个 实施例中大功率直流电源的电路结构示意图。

图3是本发明一种电力设备局部放电检测用弱阻尼交流高压发生器的一个 实施例中空心电抗器绕组结构示意图。

图4是本发明一种电力设备局部放电检测用弱阻尼交流高压发生器的一个 实施例中高压半导体开关组成方框示意图。

图5是本发明一种电力设备局部放电检测用弱阻尼交流高压发生器的一个 实施例中待测设备两端的高压信号波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图作进一步地 详细描述。

如图1所示，是本发明一种电力设备局部放电检测用弱阻尼交流高压发生器 的一个实施例。该发生器主要包括：大功率直流电源S11、高压半导体开关K11、 电抗器单元L11、阻容分压器V11和电容单元C11。

其中，大功率直流电源S11与工频交流电源相连，用于给整个系统供电， 在一个实施例中其最高输出直流电压小于500V，输出电流小于50A。

高压半导体开关K11，其两端分别与直流源和空心电抗器的非地端相连，用 于对整个装置的充电回路进行控制，同时当主回路产生阻尼交流高压时保护直 流电源等低压侧元件。在一个实施例中，开关速度小于1μs，耐压大于25kV， 额定电流大于80A的半导体开关模块。

电抗器单元L11采用空心电抗器，其一端与高压半导体开关K11相连接， 另一端接地，为整个装置的储能和振荡单元。即当高压半导体开关K11闭合时， 电抗器中流过一定的直流电流，电流大小由充电电压、电源内阻和电抗器的内 阻决定；当高压半导体开关K11断开后，电抗器将与其并联的电容谐振，产生 阻尼交流高压。在一个实施例中空心电抗器可以选用内阻为2Ω，电感量为 600mH，瞬时通流能力大于50A的细线空心电抗器。

阻容分压器V11，与空心电抗器L11并联，用于测量待测设备两端的阻尼交 流电压波形。在一个实施例中，可以选用耐压50kV，分压比为1:10000的高压 阻容分压器，电容臂的总串联电容小于1nF，电阻臂的总串联电阻为50MΩ。

电容单元C11选用低损耗高压大电容，与阻容分压器V11并联，其一端为 装置的输出端，参与振荡回路并调节振荡频率，C11的选取由待测电力设备的 等效电容或电感以及测试电压的频率所决定。在一个实施例中，C11可以选用 1uF，耐压30kV的低损耗无感聚丙烯膜（CBB）电容。

其具体工作过程为：首先闭合高压半导体开关K11，逐渐增大大功率直流电 源S11的输出电压，当电抗器单元L11中的电流达到预设值时，断开高压半导 体开关K11，则电抗器单元L11和电容单元C11将构成LC谐振回路。当电抗 器单元L11及LC谐振回路内阻较小时，待测设备或阻容分压器V11两端将产 生弱阻尼交流高压。通过调节装置中主LC谐振回路中的电感和电容元件，该发 生器可对多种电力设备进行局部放电测量。具体而言，对于变压器和电抗器等 感性设备，可将待测设备直接代替发生器中的电抗器单元L11，然后根据振荡频 率要求，选择合适的电容单元C11；当待测设备为电力电缆等大容量试品时，可 用试品自身的电容代替发生器中的电容单元C11，电抗器单元则选用低内阻值的 空心电抗器，而当试品的电容量较小时，则可并接合适的补偿电容调节振荡频 率。

如图2所示，是本发明一个实施例中大功率直流电源的电路结构示意图。优 选地，大功率直流电源进一步包括：大电流整流桥B21，其输入端与交流220V 相连接，输出端的一端接地；第一电容C21，其两端分别与整流桥的两个输出 端并联；高速电子开关K21，其一端与第一电容C21的相连接，另一端与第二 电容C22的相连接；第二电容C22，其一端与所述的电子开关K21的相连接， 另一端接地；电感L21，其一端与所述第二电容C22相连接，且另一端与第三 电容C23相连接；第三电容C23，其一端为直流电源的输出端，与所述电感L21 相连接，另一端接地。

在一个实施例中，上述各元件的参数取值可选为：B21为耐压不小于500V （AC），通流不小于50A的高压整流桥；电容C21=C22=C23=100uF，且耐压 大于500V；电感L21=100uH，通流不小于50A；其中的高速电子开关K21采 用MOSFET电力电子器件，耐压不小于500V，电流不小于100A，其控制信号 由相应的脉冲宽度调制（PWM）电路提供。

当测试现场无工频交流电源时，发生器中的大功率直流电源S11由大容量的 可充电电池代替。

如图3所示，是本发明一个实施例中空心电抗器绕组结构示意图。图中1 为电抗器绕组，2为分段绝缘挡板。优选地，所述空心电抗器采用漆包铜线分段 绕制与环氧骨架上，相邻两段绕组间使用绝缘挡板隔离固定，此种绕组结构可 使得电抗器在保证电气性能的前提下具有较小的体积。

在一个实施例中，电抗器的绕组采用直径2mm的漆包铜线，分4段进行绕 制，绕组总高度为30cm，总匝数为1500匝。各分段绕组之间采用厚度为10mm 的聚四氟乙烯板进行隔离。

电抗器耐压可达30kV（局部放电量小于10pC）。

电抗器单元L11与待测设备并联，且具有保证阻尼交流电压波形的缓慢衰减 的低内阻值。

如图4所示，是本发明一个实施例中高压半导体开关组成方框示意图。优选 地，所述高压半导体开关K11仅在充电回路中工作，不参与主回路的振荡。其 具体结构由多个低电压等级的模块串联而成，每个模块分别由高压隔离变压器、 IGBT驱动板、IGBT模块及相应的缓冲保护电路依次连接构成。高压隔离变压 器的输入端与220V交流相连，IGBT的驱动板由光纤传递控制信号。

在一个实施例中，可使用10个低等级的开关模块进行串联，每个单元模块 选用的IGBT耐压3.3kV，电流不小于100A的模块；高压隔离变压器选用隔离 电压30kV,功率20w；为保证开关的一致性，各路选用相同长度（2m）的光纤 传递控制信号；缓冲保护电路可选用RCD型电路进行保护，具体参数为： R=10Ω，C=1nF（耐压不小于4kV），D选用3只1.2kV的快恢复肖特基二极管 串联。

如图5所示，是本发明一个实施例中（具体参见图1介绍）的弱阻尼交流高 压的输出波形。从该图可以看出，当按图1中所述实施例的参数进行选取后， 本发明所述发生器可以产生幅值达20kV的高压阻尼振荡波，且该波形初始时刻 起始值接近于地电位，振荡周期为ms级，可等效工频交流高压。

以上所揭露的仅是本发明的较佳实施例而已，然不能以此来限定本发明的权 利范围，本领域技术人员利用上述揭露的技术内容做出些许简单修改、等同变 化或修饰，仍属于本发明的保护范围之内。