專利名稱：一種交流疊加直流的合成電壓試驗電源裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于高電壓與絕緣技術領域，特別涉及一種交流疊加直流的合成電壓 試驗電源裝置。
背景技術：
我國已成為世界直流輸電大國，正在建設世界上直流輸電電壓等級最高的“云 南-廣東”，“向家壩-上海”士SOOkV直流輸電工程(世界目前最高為士600kV)，和直流有關 的工程、研究項目越來越受到關注。已有工程經驗和統(tǒng)計結果表明高壓直流輸電系統(tǒng)中， 換流變壓器、套管等眾多關鍵一次設備的絕緣問題是制約設計和引起現(xiàn)場事故最主要的因 素。CIGRE高壓直流分委會WG B4. 04工作組統(tǒng)計結果表明，高壓直流輸電系統(tǒng)設備事故率 是交流系統(tǒng)的2倍以上。我國1984年開工建設的首個士500kV“葛-上”直流輸電工程中，第一批次換流變 壓器主絕緣試驗中多次出現(xiàn)閥側繞組、引線、分接開關等多個部位的絕緣問題，在后續(xù)運行 過程中也多次出現(xiàn)絕緣問題。目前，我國建設中的“云廣士SOOkV直流輸電工程”首臺換流 變壓器由西門子公司負責生產制造，“向上士SOOkV直流輸電工程”首臺換流變壓器由ABB 設計制造。西門子、ABB在換流變壓器制造領域處于國際最領先水平，但在西門子、ABB首臺 士SOOkV換流變試驗過程中均出現(xiàn)了絕緣故障。由于國內外制造廠及科研單位在制造、研究換流變壓器絕緣材料過程中，僅能分 別通過單獨的交流電壓、直流電壓試驗進行考核，而在工程實際中，尤其在高壓直流輸電系 統(tǒng)中，大量設備運行中承受交流疊加直流電壓的共同作用，由于試驗過程中無法模擬實際 工況對設備可靠性進行有效考核，導致設備事故率相對較高。高電壓技術是以試驗研究為基礎的應用技術，試驗裝置是開展高壓技術領域研究 的前提和基礎。在現(xiàn)有技術條件下，主要的高電壓試驗電源包括工頻(交流)電壓發(fā)生器、 直流電壓發(fā)生器、沖擊電壓發(fā)生器等，還沒有交流、直流疊加在一起的試驗電源系統(tǒng)?，F(xiàn)階 段，IEC及國內換流變試驗標準中，均分別使用交流耐受電壓、直流耐壓考核換流變的絕緣 性能，國內外沒有關于交流疊加直流的無局放電源系統(tǒng)的相關報道。

實用新型內容為了克服以上缺陷，本實用新型的目的在于提供一種交流疊加直流的合成電壓試 驗電源。其對研究交直流混合場強下的局部放電產生的機理、交直流分量對擊穿應力的影 響、換流變試驗應力有效性的選擇等方面的研究具有重要意義。為此，本實用新型提出了一種交流疊加直流的合成電壓試驗電源裝置，包括倍壓 整流電路A，高壓電容c2、c3，高壓電阻r3、r4，高壓硅堆d3，高壓交流電源V_ac2和回路中 的連接節(jié)點nl2、nl3、nl5、nl6，其特征在于所述倍壓整流電路的一端接地，另一端與c2并聯(lián)于nl2節(jié)點，nl2節(jié)點后級與高 壓電阻r3串聯(lián)后再與一直流分壓器B并聯(lián)于nl3節(jié)點，nl3節(jié)點后級與高壓硅堆d3串聯(lián)后輸出至nl6節(jié)點；高壓交流電源V_ac2 —端接地，另一端與高壓電阻r4串聯(lián)于nl5節(jié)點，串聯(lián)后的 回路再與一交流分壓器C并聯(lián)于nl5節(jié)點，nl5節(jié)點后級再與高壓電容器c3串聯(lián)，最終實 現(xiàn)將交流電壓分量輸出至nl6節(jié)點，nl6節(jié)點后級串聯(lián)接入試品，從而為試品N提供不同的 交-直流電壓分量。其中，所述倍壓整流電路A包括高壓交流電源V_acl，高壓電容Cl和高壓硅堆d2、 dl ；所述高壓交流電源V_acl的一端接地、另一端與高壓電容cl串聯(lián)后與高壓硅堆d2并 聯(lián)，然后再與高壓硅堆dl串聯(lián)；所述倍壓整流電路將高壓交流電源￥_皿1的交流電壓轉化 為直流電壓。其中，所述直流分壓器B包括串聯(lián)的高壓電阻r 1和r2。其中，所述交流分壓器C包括串聯(lián)的高壓電容c4和c5。所述nl6節(jié)點的輸出電壓可包含純交流電壓、純直流電壓以及交流疊加直流的合 成電壓，輸出交流分量、直流分量分別獨立可調，可根據需要輸出不同分量的交流疊加直流 電壓波形，電壓調節(jié)過程中，從0開始升高高壓交流電源V_acl的輸出電壓，則系統(tǒng)的直流 電壓分量開始增加，直流輸出電壓分量滿足V_nl6dc = -0. 7009862065743-0. 4185165047986*V_ ac2_0. 3042724513701*V_ nl3 ；其中V_nl6dc為試驗電源系統(tǒng)輸出nl6節(jié)點上的直流電壓分量有效值，V_nl3dc為nl3 節(jié)點的直流電壓；在電壓調節(jié)過程中，從0開始升高交流電源V_ac2的輸出電壓，則系統(tǒng)的交流 分量峰峰值相應0開始增加，其中輸出交流分量與V_acl上的輸出電壓滿足V_nl6aC = 1. 024+0. 995*V_acl的相關關系，其中V_nl6aC為試驗電源系統(tǒng)輸出nl6節(jié)點上的交流電壓
分量有效值。在上述結構的合成電壓試驗電源裝置的正、負兩極間接入試驗樣品N即可構成合 成電壓試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于針板、球板和/或平板的典型電極的絕緣特性試驗研究，以 及進行懸浮放電和/或局部放電的絕緣特性試驗研究等領域。本實用新型的有益效果在于隨著高壓直流輸電的快速發(fā)展，換流變壓器等直流設備的絕緣問題越來越受到關 注，而本實用新型設計的試驗電源能夠實現(xiàn)在絕緣材料及模型、產品上同時施加交流疊加 直流試驗電壓，更真實的模擬了換流變運行過程中的電壓應力，進而研究直流輸電系統(tǒng)中 的絕緣問題，填補了國內外在該研究領域的空白。
以下結合附圖對本實用新型進一步說明。

圖1是本實用新型的交直流合成電壓試驗電源裝置原理圖；圖2是交直流電源電壓的實測輸出波形圖；圖3是典型針板試驗模型；圖4示出了直流擊穿電壓與預加交流電壓的關系圖；圖5示出了交流擊穿電壓與預加直流電壓的關系圖；圖6示出了不同預加電壓對擊穿特性的影響；[0026]圖7是交直流電壓下的局放實驗電路圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的試驗電源做進一步的詳細說明。如圖1所示，本實用新型所述的試驗電源包括高壓電容(31、(2、(33、(34、(35;高壓電 阻rl、r2、r3、r4 ；高壓硅堆dl、d2、d3 ；高壓交流電源V_acl、V_ac2以及回路中的連接節(jié)點 nll、n12、n13、n15、nl6。所述高壓交流電源V_acl的一端接地、其另一端與高壓電容cl串 聯(lián)，串聯(lián)后的回路與d2并聯(lián)于nil節(jié)點，nil節(jié)點后級與高壓硅堆dl串聯(lián)后再與高壓電容 c2并聯(lián)于nl2節(jié)點，nl2節(jié)點后級與高壓電阻r3串聯(lián)后再與rl、r2串聯(lián)組成的直流分壓器 B并聯(lián)于nl3節(jié)點，nl3節(jié)點后級再串聯(lián)高壓硅堆d3輸出至nl6節(jié)點；所述高壓交流電源 V_ac2的一端接地，另一端與高壓電阻r4串聯(lián)于nl5節(jié)點；串聯(lián)后的回路再與C4、C5串聯(lián) 組成的交流分壓器C并聯(lián)于nl5節(jié)點；nl5節(jié)點后級再與高壓電容器c3串聯(lián)，最終實現(xiàn)將交 流電壓分量輸出至nl6節(jié)點，nl6節(jié)點后級串聯(lián)接入試品，從而為試品N提供不同的交-直 流電壓分量；所述由高壓交流電源V_acl、高壓電容cl及高壓硅堆d2、dl構成的倍壓整流 回路A將高壓交流電源V_acl的交流電壓轉化為直流電壓，倍壓整流回路A可替換為各種 通用的通過改變級數可形成不同電壓等級的直流電壓發(fā)生器。所述高壓電容c2與高壓電阻r3在系統(tǒng)中起改善nl2點輸出直流電壓紋波和限制 短路電流的作用；所述高壓電阻rl與高壓電阻r2串聯(lián)構成直流分壓器B，用于測量nl3節(jié) 點的直流電壓；所述高壓硅堆d3連接在節(jié)點nl3和nl6之間，起到隔離交流分量，有效阻止 交流電壓傳入直流回路；所述高壓交流電源V_ac2與高壓電阻r4串聯(lián)構成交流電源，高壓 電阻r4起著限制高壓交流電源￥_皿2在試品短路時產生的短路電流的作用；所述高壓電容 c4與高壓電容c5串聯(lián)構成交流分壓器C，用于交流電源輸出端nl5節(jié)點的交流電壓分量的 測量；所述高壓電容c3聯(lián)接在nl5節(jié)點和nl6節(jié)點間，可以隔離nl6節(jié)點上的直流電壓進 入nl5節(jié)點及地之間的交流電源系統(tǒng)。圖2是由圖1所示交直流復合電源試驗裝置輸出的實測電壓波形圖，圖2中可以 看出交流波形沒有畸變，且交流、直流電源可實現(xiàn)獨立加壓且互不影響。實施例1下面以利用本實用新型的交流疊加直流的合成電壓試驗電源裝置開展的針板條 件下絕緣油擊穿特性為例，試驗布局如圖3所示，由0. Imm的針尖和直徑300mm的圓形不銹 鋼板共同構成。在圖3的針板模型上同時施加交流、直流合成試驗電壓，測量擊穿特性。試驗過程 中，首先施加固定分量的交流電壓，再逐步增加直流電壓直至試品擊穿；試驗結果如圖4所 示，橫坐標為交流電源電壓、縱坐標為直流電源電壓。首先施加固定分量的直流電壓，再按 逐步增加交流電壓至試品擊穿，試驗結果如圖5所示，圖5中結果為不同交流、直流分量疊 加后的擊穿電壓。試驗結果表明，隨著交流電壓的升高，直流擊穿電壓隨線性降低；隨著直 流電壓的升高，交流電壓也呈線性降低，這一結論是在國內外首次揭示交-直流電壓對擊 穿特性影響的規(guī)律。將圖5中試驗結果進行逆變換(橫縱坐標轉換)，可以得到圖6所示試驗結果。在 絕緣設計領域，普遍認為，油質絕緣擊穿特性主要受電場強度影響。在預加不同電壓時，絕緣擊穿時的電場強度應該一致。但從圖6中可以看出，在同一直流電壓下，預加交流電壓下 的模型擊穿電壓較預加直流條件下約高8%。因此，預加電壓對交直流擊穿強度有明顯影 響，這一結論對直流條件下的絕緣試驗、絕緣考核具有重要指導意義。此外，這一結論在國 內外均未見相關報道，在沒有本裝置的前提下難以通過理論分析得到相關規(guī)律，因此，本裝 置的研制具有重要意義。通過使用本實用新型中的試驗裝置，開展針板、球板、平板典型電極以及懸浮放 電、局部放電等絕緣特性試驗試驗研究，能夠取得大量珍貴、具有原創(chuàng)性、創(chuàng)新性的研究成
^ ο實施例2參看圖7，下面以交直流電壓下的局部放電實驗研究為例，介紹本實用新型交直流 電源系統(tǒng)的應用。圖中3個框圖分別為框圖1為交直流電源系統(tǒng)，為本實用新型設計的 交-直流電源系統(tǒng)，原理圖如圖1所示；框圖2中Cx為試驗試品，與試驗電源并聯(lián)；框圖3 為試驗測量系統(tǒng)，主要由分壓器Ck、檢測阻抗Zm組成，通過電纜連接檢測阻抗及局部放電 檢測儀，實現(xiàn)局部放電監(jiān)測。試品Cx與測量系統(tǒng)并聯(lián)后再與交直流電源系統(tǒng)并聯(lián)，即交直 流電源系統(tǒng)輸出電壓直接作用在試品及測量系統(tǒng)上。電源系統(tǒng)可根據試驗的不同要求提供純交流電壓、純直流電壓和各種不同電壓分 量的復合電壓，施加在試品上后利用框圖3中的局放測量系統(tǒng)進行觀察，得到試品在交流 電壓、直流電壓和交直流復合電壓下的放電特征，通過對比分析進而得到試品在不同電壓 下的絕緣特性。本實用新型的主要意義體現(xiàn)在首次提出了一種可同時輸出交流、直流合成電壓 的電源系統(tǒng)，交、直流電壓分量獨立可調。為開展交流、直流合成電壓下的絕緣特性研究、試 驗考核、絕緣擊穿機理研究等具有重要意義。特別是目前，在國內外對換流變壓器等大型電 力裝備絕緣失效機理、絕緣特性研究不全面，設備故障率高的情況下，本裝置的研究具有重 要的學術和工程意義。此處已經根據特定的示例性實施例對本實用新型進行了描述。對本領域的技術人 員來說在不脫離本實用新型的范圍下進行適當的替換或修改將是顯而易見的。示例性的實 施例僅僅是例證性的，而不是對本實用新型的范圍的限制，本實用新型的范圍由所附的權 利要求定義。
權利要求一種交流疊加直流的合成電壓試驗電源裝置，包括倍壓整流電路A，高壓電容c2、c3，高壓電阻r3、r4，高壓硅堆d3，高壓交流電源V_ac2和回路中的連接節(jié)點n12、n13、n15、n16，其特征在于所述倍壓整流電路的一端接地，另一端與c2并聯(lián)于n12節(jié)點，n12節(jié)點后級與高壓電阻r3串聯(lián)后再與一直流分壓器B并聯(lián)于n13節(jié)點，n13節(jié)點后級與高壓硅堆d3串聯(lián)后輸出至n16節(jié)點；高壓交流電源V_ac2一端接地，另一端與高壓電阻r4串聯(lián)于n15節(jié)點，串聯(lián)后的回路再與一交流分壓器C并聯(lián)于n15節(jié)點，n15節(jié)點后級再與高壓電容器c3串聯(lián)，最終實現(xiàn)將交流電壓分量輸出至n16節(jié)點，n16節(jié)點后級串聯(lián)接入試品，從而為試品N提供不同的交 直流電壓分量。
2.如權利要求1所述的合成電壓試驗電源裝置，其特征在于所述倍壓整流電路A包 括高壓交流電源￥_%1，高壓電容cl和高壓硅堆d2、dl ；所述高壓交流電源V_acl的一端接 地、另一端與高壓電容cl串聯(lián)后與高壓硅堆d2并聯(lián)，然后再與高壓硅堆dl串聯(lián)；所述倍壓 整流電路將高壓交流電源V_acl的交流電壓轉化為直流電壓。
3.如權利要求1或2所述的合成電壓試驗電源裝置，其特征在于所述直流分壓器B包 括串聯(lián)的高壓電阻rl和r2。
4.如權利要求1或2所述的合成電壓試驗電源裝置，其特征在于所述交流分壓器C包 括串聯(lián)的高壓電容c4和c5。
專利摘要本實用新型提供了一種交流疊加直流的合成電壓試驗電源裝置，包括倍壓整流電路A，高壓電容c2、c3，高壓電阻r3、r4，高壓硅堆d3，高壓交流電源V_ac2和回路中的連接節(jié)點n12、n13、n15、n16。本實用新型所述試驗電源的輸出電壓可包含純交流電壓、純直流電壓以及交流疊加直流的合成電壓。輸出交流分量、直流分量分別獨立可調，可根據需要輸出不同分量的交流疊加直流電壓波形。
文檔編號G01R31/14GK201724964SQ200920277469
公開日2011年1月26日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權日2009年12月2日
發(fā)明者孫倩, 張書琦, 李光范, 李博, 李金忠, 程渙超, 鄧俊宇 申請人:中國電力科學研究院