TPXB型调频式串联谐振耐压试验装置最新版.pdf
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1、-一、概述一、概述1.11.1 交流耐压调频谐振试验装置介绍交流耐压调频谐振试验装置介绍目前在国际和国内已有越来越多的XLPE 交联聚乙烯绝缘的电力电缆替代原有的充油油纸绝缘的电力电缆。但在交联电缆投运前的试验手段上由于被试容量大和试验设备的原因,仍沿袭使用直流耐压的试验方法。近年来国际、国内的很多研究机构的研究成果表明直流试验对XLPE 交联聚乙烯电缆有不同程度的损害。有的研究观点认为XLPE 结构具有存储积累单极性残余电荷的能力,当在直流试验后,如不能有效的释放掉直流残余电荷,投运后在直流残余电荷加上交流电压峰值将可能致使电缆发生击穿。国内一些研究机构认为,交联聚乙烯电缆的直流耐压试验中,
2、由于空间电荷效应,绝缘中的实际电场强度可比电缆绝缘的工作电场强度高达11倍。交联聚乙烯绝缘电缆即使通过了直流试验不发生击穿,也会引起绝缘的严重损伤。其次,由于施加的直流电压场强分布与运行的交流电压场强分布不同。直流试验也不能真实模拟运行状态下电缆承受的过电压,并有效的发现电缆及电缆接头本身和施工工艺上的缺陷。因此,使用非直流的方法对交联电缆进行耐压试验就越来越受到人们的重视。同时,各种大型变压器的交流耐压试验,火力及水力发电机的交流耐压实验也定期进行。这些设备的试验要求的试验设备容量大,通常情况下采用谐振的办法进行试验,但必须是在工频条件下或等效工频条件下进行。等效工频条件一般采用45-65H
3、z 的频率范围,但很多试验单位要求50Hz试验电源对这类设备进行交流耐压试验。我公司生产的TPXB系列串联变频自动谐振试验装置主要用于10kV、35kV、110kV的交联橡塑电力电缆,66kV、110kV、220kV 组合电器(GIS)的变频交流耐压试验,水力和火力发电机或电力变压器等的工频交流耐压试验。其基本原理是采用可调节(30-300Hz)串联谐振试验设备与被试品电容谐振产生交流试验电压。由于电缆的电容量较大,采用传统的工频试验变压器很笨重、庞大、且大电流的工作电源现场不易取得,因此一般都采用串联谐振交流耐压试验设备。其输入电源的容量能显著降低,重量减轻,便于使用和运输。初期多采用调感式
4、串联谐振设备(50Hz),但存在自动化程度差、噪音大等缺点。因此现在大多采用变频谐振,可以得到更高的品质因数(Q 值),并具有自动调谐、多重保护、以及降低噪音、灵活的组合方式、单件重量轻等优点。1.21.2 串联谐振电源在电力系统应用中的优点:串联谐振电源在电力系统应用中的优点:-1 1、所需电源容量大大减小。串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品电容谐振产生高电压和大电流的,在整个系统中,电源只需要提供系统中有功消耗的部分,因此,试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q。2 2、设备的重量和体积大大减少。串联谐振电源中,不但省去了笨重的大功率调压装置和普通的大功率工频试验变压器,而且,谐振激磁电
5、源只需试验容量的1/Q,使得系统重量和体积大大减少,一般为普通试验装置的1/5-1/10。3 3、改善输出电压的波形。谐振电源是谐振式滤波电路,能改善输出电压的波形畸变,获得很好的正弦波形,有效的防止了谐波峰值对试品的误击穿。4 4、防止大的短路电流烧伤故障点。在串联谐振状态,当试品的绝缘弱点被击穿时,电路立即脱谐,回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q。而并联谐振或者试验变压器方式做耐压试验时,击穿电流立即上升几十倍,两者相比,短路电流,击穿电流相差数百倍。所以,串联谐振能有效的找到绝缘弱点,又不存在大的短路电流烧伤故障点的忧患。5 5、不会出现任何恢复过电压。试品发生击穿时,因失去谐振条件
6、,高电压也立即消失,电弧即刻熄灭,且恢复电压的再建立过程很长,很容易在再次达到闪落电压前断开电源,这种电压的恢复过程是一种能量积累的间歇振荡过程,其过程长,而且,不会出现任何恢复过电压。1.31.3 产品主要特点说明:产品主要特点说明:1.1.调频及功率元件使用最先进的日本进口的优质元器件;2.2.充分利用公司现有资源,完全独立自主开发和设计及生产该设备的所有组成部分:变频电源、励磁变压器、高压电抗器、电容补偿器和高精度电容分压器;3.3.具备全自动(自动调谐、自动升压)、全手动(手动调谐、手动升压)以及半自动(自动调谐、手动升压及手动调谐、自动升压)的多种功能,可任意切换使用;4.4.具备试
7、验电压、加压时间、报警电流整定、报警电压整定、频率范围、起始电压的设置;5.5.具备放电保护功能,在试品发生闪络时,或其他原因造成的谐振回路突然失谐,变频控制电源立即自动快速切断输出,并显示保护类型和闪落电压值;6.6.测量显示输出电压、输出频率及加压时间、保护动作类型等相关信息,在试验完成时电压自动下降到零位;7.7.大液晶全中文界面平台技术,全触摸屏操作,数据保存.1.41.4 产品技术要点说明:产品技术要点说明:-1.1.先进的数字、功率技术:功率器件采用国外最新推出的集驱动、保护和功率变换为一体的智能功率模块(IPM),极大的提高了整机的可靠性,减少了体积和重量。2.2.完备的保护功能
8、:过电压保护:保护值可设置,动作时间小于1 毫秒;双重过电流过热保护:大功率器件自身保护和软件保护相结合,动作时间小于10 微秒;闪络保护:动作时间小于1 毫秒,并可记录下闪络电压值;零位保护:零电压启动。3.3.独特的四种工作模式:手动试验:手动寻找谐振点并手动升压到所需电压,按键后自动计时;自动试验:根据设置自动寻找谐振点后自动升到设定电压后自动计时;自动调谐手动升压:根据设置自动寻找谐振点后,需手动升电压到所需的电压值,按“自动计时”键后自动计时;手动调谐自动升压:手动寻找谐振点,根据设置自动升压后自动计时。4.4.友好的人机接口:专用的DSP 显示平台,大容量的数据存储器,大屏幕LCD
9、 显示;丰富的帮助应用信息,帮助你现场分析试验发生保护动作时可能出现的问题;可保存200 次测试数据;具有调频时显示频率电压波形曲线,直观的观察到是否寻找到谐振点;扫频范围可以在规定范围内任意设定,扫频方向可以向上向下任意选择,方便用户操作;对于那些需要在50Hz 条件进行试验的试品(比如发电机),我们采用了调频调感技术,我们的电抗器电感值可以根据试验需要进行适当调节,压紧装置可以保证降低在通电时电抗器的噪音;5.5.独特的结构设计:调频电源控制箱的接入和输出采用插接和螺丝连接两种方式,安全、方便、可靠、美观精致;电抗器采用独特的环氧浇注工艺,防潮防颠震;整体色彩和外型由专业的设计公司专门设计
10、,美观大方。二、主要性能指标及特点二、主要性能指标及特点-2 21 1 主要技术指标主要技术指标(1)环境温度:2550(2)工作湿度:90%(3)海拔:2000m(4)电源:AC 220V单相 50Hz(5)频率调节范围:20300Hz(亦可根据用户要求放宽频率范围)(6)系统测量精度:0.5 级(7)频率调节分辨率:0.01Hz;不稳定度0.05%(8)输出波形:正弦波,波形畸变率0.5%(9)噪音:60dB(10)电抗器 Q 值:302002.22.2 谐振装置容量选择:谐振装置容量选择:试验电流:I=2fCU10 (A)频率的选择(HZ)1、发电机50HZ,取 50HZ2、变压器456
11、5HZ,取 50HZ3、GIS、开关、母线30300HZ,取 45HZ4、电力电缆:30300HZ,取 35HZ电压的选择(KV)按照规程要求,确定最高试验电压。电容量的选择(uf)根据被试品最大电容量确定装置最大容量:P=UI1.25(KVA)2 23 3 主要特点主要特点2.2.1 体积小、重量轻,适合于现场使用-3-变频控制器集调压、调频、控制及保护功能为一体,省去了笨重的调压器,而且操作方便、读数直观。由于系统 Q 值较高(30120),大大减轻了由于电源容量的不足对现场试验的制约。当电压等级较高时,电抗器采用多级或叠积式结构,便于运输及现场安装。2.2.2 安装可靠性高变频装置采用先
12、进的设计思想、高品质的IGBT 及驱动回路使输出波形失真度小,频率输出稳定性好,具有良好的IGBT、过电流、过电压(保护值可根据需要人为整定)以及放电保护功能,可保护设备及人身的安全;当试品放电或击空时,由于谐振条件被破坏,短路电流小,只有试品试验电流的l/Q,避免了因击穿对试品造成的损坏。2.2.3 试验的等效性好采用接近工频(20Hz300Hz)的交流电压作为试验电源,无论是在等效性和一致性上都与 50Hz/60Hz 的工频电源非常接近,保证了试验结果的可靠性和真实性。2.2.4 广阔的适用范围装置可进行 XLPE 等电力电缆、GIS、断路器、开关的变频交流耐压试验以及大型发电机组、电力变
13、压器、互感器、套管等电气设备的耐压试验,还可用接地电阻的测量。2.2.5 操作简便、调节分辨率高系统频率通过自动调谐或粗调、细调以达到最佳谐振状态,频率调节范围为30Hz300Hz,频率的分辨率为 0.01Hz,由于试品容量范围与频率范围的平方成正比,适用范围广。电压调节分粗调和细调,从而使电压能平滑、精细地调至所需电压。用户使用时,先在低的电压下调到系统谐振点,然后再升高电压幅值达到试验所需电压,操作方便可靠。2.2.6 灵活、方便蓝屏幕显示试验数据、试验状态,并有实时操作步骤提示功能。能灵活整定试验电压、调频范围、加压时间、保护电流。试验结果能计算出被试品电容。具有计算机通讯接口,可以和计
14、算机进行通讯和试验数据管理。有实时时间显示,能存储 200 组试验数据。试验结果可打印。-三、工作原理及系统配置三、工作原理及系统配置3 31 1 系统配置系统配置3.1.1 变频控制器变频控制器从结构上分为两大类:20kW 及以上为控制台式,20kW 以下为便携箱式;它是由控制器和滤波器组成。在系统中变频控制器的主要作用是把幅值和频率固定的工频 380V 或 220V 的正弦交流电转变成为幅值和频率可调的正弦波,并为整套设备提供电源。变频控制器具有 IGBT 保护、过流保护、过压保护、放电保护、进线保护等可靠的保护功能,保证试验人员和试品的安全。IGBT 保护:当 IGBT 电流过大或过热时
15、,CPU 将停止工作,直到系统恢复正常。过压保护:是指当试验电压超过人为整定的保护电压(保护电压可根据不同试验电压需要任意设定)时,控制器自动跳闸,CPU 停止工作,并提示系统发生过压保护。过流保护:是当 CPU 检测到母线工作电流超过 IGBT 工作电流或 IGBT 温度过高时,CPU 会发生过流保护信号,装置停止工作。Xsgre-进线保护、低通滤波器:不仅可以在稳态下使放电或击穿电流小,而且使暂态(瞬时)电流的破坏减小,从而保证设备和人身的安全。测量部分:试验人员可直接从变频控制器控制面板上读取输入电压、电流、当前工作频率、变频控制器输出电压、电流及试品上所加谐振电压信号。参数额定输入:2
16、20V、单相 50Hz/60Hz额定输出:0200V频率分辨率:0.01Hz输出波形:正弦波输出频率:20300Hz额定容量:10kW、3.1.2 励磁变压器励磁变压器的作用是将变频电源的输出电压升到合适的试验电压,满足电抗器、负载在一定品质因数下试验电压的要求(励磁变压器的容量一般与变频控制器相同)。为了满足不同电压等级、不同容量试品的试验要求,励磁变压器高压绕组一般有多个抽头。额定容量:10KVA输入电压:200V输出电压:2KV.4KV3.1.3 高压电抗器高压电抗器 L 是谐振回路的重要部件,当电源频率等于 l/(2LCx)时,它与被试品 Cx 发生串联谐振;电抗器的性能直接影响到系统
17、 Q 值的大小。额定电压:55KV额定电流:1A 4 节-3.1.4 高压分压器高压分压器是高电压测试器件,它由高压臂 C1 和低压臂 C2 组成,测量信号从低压臂 C2 上引出,作为高电压测量和保护信号。额定电压:200KV 电容:1000PF3 32 2 决定系统配置参数的因素决定系统配置参数的因素系统谐振电压等级和容量取决于试品的电容量 C,试验电压 U 和试验频率 f。1)对于交联聚乙烯电缆决定系统配置的主要是:电缆的电压等级、电缆的截面积、试验电缆的长度及电缆要求的谐振频率范围。2)对于 GIS 决定系统配置的因素为:GIS 的电压等级、GIS 的间隔数和每个间隔的电容量 C,GIS
18、 允许的试验频率范围。3)对于变压器、发电机等设备,系统的配置取决于试品的容量试验电压、试品的等效电容量 C,要求的谐振频率和试品的空载损耗的大小。四、基本原理四、基本原理4 41 1 主回路主回路调压脱谐频差f0=0fOUCUL全谐振阻性f=fOUC=UL容性ffOUCUL图 3R.L.C 串联电路向量图根据回路的属性按表 3 提示的方向调节,使电路实现全谐振。表 3 谐振调向提示4 42 2 控制回路基本原理控制回路基本原理12LCx时回路达到全谐振。-装置的控制回路由图 1 中的变频电源,调压器及装置的操作电路等组成。控制回路的核心部件是变频器。先进新型的变频器采用载频调制方波宽度组合的
19、开关电路(PWM)原理(见图 4)准确调节控制每周期载频脉冲的个数,实现调节改变输出的频率。为获得精确的正弦波形,每一周期的方波群中各脉冲方波的宽度顺序为时间的正弦函数关系。一般称之为正弦方波脉宽调制电路 SPWM(Sin Pulse WidthModulation)。这些调制依赖预先编制好设定并固化的成套程序自动操作。变频器 IGBT L电压 CX调控二相380V变频输出电压 SPWM调制驱动变频高压波形控制直流母线电压输出电流电流直流低线电流频率控制激励电压高压电压液晶显示取样及CPU键控器保护设定图 4 变频器原理示意图五、装置组成五、装置组成成套装置由操作台(调压器,变频器),激励变压
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