直流课件

高电压交、直流系统的原理与测试李小建第一部分：直流高压的产生和测试1.直流电压发生器的用途2.直流高电压的产生3.纹波电压的测量4.直流高电压的试验5.直流高电压的测量1.直流电压发生器的用途为满足正在进行的800kV的直流高压输电工程建设的需要，要在不同海拔高度，特别是在高海拔地区进行长空气间隙的直流高压放电特性试验研究，及各种绝缘材料、绝缘结构在直流高电压作用下的性能试验研究。对各种直流高电压输电设备的电气性能检测，保证直流高电压输电系统的安全可靠运行。直流高电压试验能发现绝缘及交流试验所不能完全检测到的问题，能反映被试设备受潮、绝缘劣化和局部缺陷等多方面的问题。用直流高电压试验来代替交流高电压试验，可以避免电容电流，从而减少了试验设备的容量，同时又满足了试验的要求。2.直流高电压的产生2.1半波整流回路在输出直流电压较低时，一般用半波或全波整流回路来获得直流高电压。常用得半波整流回路如图1所示。图1半波整流电路（a）及输出电压波形图（b)半波整流电路与电子技术中常用的低电压半波整流电路是一样的，只是增加了一个保护电阻R。半波整流电路没有负载（RL=）1）电容C两端维持恒定电压UC，并等于变压器高压侧交流电压的最大值Um，即UC=Um；2）整流元件D两端承受的反向电压为2Um，整流元件D能耐受的电压应大于2Um接入负载后1）电容C不可能充电到交流电压的幅值Um，整流元件D两端承受的反向电压也小于2Um；2）整流回路输出的电压是一个叠加有波动的直流电压。输出直流电压的脉动大小与电容器C对负载的放电时间有关。设电容C的平均电压为Up负载的平均电流为Ip,则IP=Up/RL(1)在t2～t1期间电容器C通过负载放掉的电荷为：(2)式中T和f为充电电源的周期和频率。fRUfIttIQLPPP11)(12电容器C因放掉电荷Q而产生的电压脉动为：(3)CfCfCQURUILpp2直流高压试验设备的三个基本技术参数：(1)输出的额定平均直流电压Up(2)额定平均直流电流IP(3)电压脉动系数（也称纹波因数）SS的定义为：S=U/UP1/(2RLCf)(4)式中：U＝（UmaxUmin）/2，UP（Umax+Umin）/2U表示输出电压的纹波幅值。从公式（4）可见：1）电压纹波随负载电流增加而增加；2）增大电容器C或提高充电电源的频率f可以成比例地减少电压纹波。对于直流高压试验设备：1）纹波因数S不得大于3％，2）试验电压（算术平均值）在60秒内应保持在规定值的1％以内。直流高压试验设备主要特点：1）输出电压高（从几万伏到数百万伏）；2）输出电流小（通常为几毫安至数十毫安，个别情况，如绝缘子的湿闪试验约需几十毫安，污闪试验需数百毫安）；3）持续运行时间较短。起限流作用的保护电阻R可按下式确定：(5)式中，Ut是工频试验变压器T的输出电压（有效值）,Ism是根据硅堆的过载特性曲线所确定的短时允许的过电流峰值。IUSMTR/22.2倍压电路倍压回路有两种接线方式，如图2及图3所示。图2直流倍压电路图3高压变压器一端接地的直流倍压电路图2的接线的特点：1)输出直流电压可达2U；2）变压器高压绕组两端都对地具有高的绝缘水平；3）变压器高压绕组对低压绕组之间的最高电位差达2U。这种倍压接线并不能适应多数情况的需用要求。图3的接线的特点：1)输出直流电压可达2U；2)变压器高压绕组的一点是接地的，倍压直流电压的一端也是接地的只有单端对地具有高绝缘水平；3）变压器高压绕组对低压绕组之间的最高电位差为U。这种倍压接线能适应多数情况的需用要求。空载时充电稳定后，由于点3相对于点0的最高电压可达+Um，点1相对于点3已充有+Um的电压，点1的对地电压最高可达+2Um，此时D2导通，最终可使C2充上2Um的电压。图3倍压电路空载时各点的电位变化如图4所示。图4倍压电路空载时的各点电位图5直流高压串级发生器C1两端的电压为Um;C2为2Um;D1及D2的最大反压各为2Um。当此电路的输出端接有负载时，也有压降及电压脉动的问题。C2充电所能达到的最高电位为：（6）)(2211120CIUCQUUfdmmm有负荷时的压降：（7）与对图1的整流回路的分析相似)(2120CIUUfUdmm)2(2CIfUd一般选C1=C2=C，所以以上各式中的Id为负载的平均电流；f为频率。直流电压的纹波因数也和半波电路一样为：(8))2(UIUdddfCUSfCUUId22.3.串级直流发生器利用图3的倍压电路为基本单元，多级串联起来，即积木式叠加，可组成有高电压输出的串级直流高压发生器，如图5所示。图4倍压电路空载时的各点电位图5直流高压串级发生器串级电路的脉动电压U和平均电压降落U均随级数n的增加而快速上升。串级直流高压发生器的脉动电压为：(9)式中,Id为平均输出电流（A）。fCnnuId4)1(串级电路输出电压的平均值为：（10）平均电压降落为：（11）)234(6223nfCnnnIUUdmd)234(623nfCnnIUda串级直流高压发生器的脉动系数为：（12）脉动电压和脉动系数近似地与级数的平方成正比，电压降落近似地与级数的三次方成正比。UIUdddfCnnuS4)1(减小电压脉动系数可用下述方法：1）提高每级电容器的工作电压以减小串接级数n；2）增加每级电容器的电容量C，3）提高供电电源频率f。3.纹波电压的测量U(t)U2(t)图6纹波电压的测量线路纹波电压产生的原因：整流电路中电容的充放电。纹波电压的大小与充电电源的频率、倍压电容及负载大小等因素有关。生产的直流电压发生器要满足纹波系数S3％的规定。纹波的定义：直流电压发生器在额定电压和额定电流时的输出电压波动值。表明测量纹波电压的大小要在输出电压和电流同时达到额定值时进行。仅电流达额定值而电压未达额定值，得到的纹波电压值要小很多。因此纹波电压的测量在条件许可的情况下要在额定电压和电流下测量，否则会得到错误的结果。纹波电压的测量中隔直电容C的选取是十分重要的。隔直电容C的作用：1）将直流电压与纹波测量回路隔开；2）让纹波电压通过它。对测量纹波电压由C和R组成的分压器，其分压比对直流电压为零，对角频率为ω的交流电压，其分压比为：（13）1112CjRCjRCjRRuu如果隔直电容足够大，使交流纹波在其上无压降，即，上式为：（14）假设，则上式分母中的1可忽略，上式变为则成立。uu2111CjRCjR1CR1CjRCjRuu211CRf21CR因此要使即要准确测量直流发生器的纹波，一定要满足式中f是个固定频率不会变，因此只有增大R和C才能满足uu214.直流高电压的试验4.1直流高压试验的特点与交流高压试验相比，直流高压试验具有以下特点：l）试验中只有微安级泄漏电流，试验设备不需要供给试品电容电流，因而试验设备的容量较小。特别是采用电力电子变换的高频电源后，整套直流耐压试验装置的体积、重量大大减小，便于进行现场试验。2）在试验时可以同时测量泄漏电流，由其“电压-电流”曲线能有效地显示绝缘内部的集中性缺陷或受潮，提供有关绝缘状态的补充信息。3）在直流高压下，局部放电较弱，不会加快有机绝缘材料的分解或老化变质，在某种程度上带有非破坏性试验的性质。4）在直流试验电压下，绝缘内的电压分布由电导决定，因而与交流运行电压下的电压分布不同，所以它对交流电气设备绝缘的考验不如交流试验那样接近实际情况。4.2关于限流电阻接入角很重要，在直流电压发生器外绝缘不完全能满足要求的情况下，水平接入的限流电阻有可能导致发生器过流保护的动作。接入的限流电阻会改变直流电压发生器的电场分布，破坏电场分布的相对均匀性，使局部电场变得更强，从而导致直流电压发生器自身耐电强度的降低。5.直流高电压的测量直流高压测量最普遍的是电阻分压器。5.1电阻分压器由高欧姆电阻组成电阻分压器，可在分压器低压臂跨接高输入阻抗的低压表来测量直流高压，根据所接低压表的型式可测量直流电压的算术平均值、有效值和最大值。也可用高欧姆电阻串联直流毫安表测量平均位。高压表准确度分0.1、0.2、0.5、1.0、1.5和2.0共6个级别，各级别线性度、长期和短期稳定性均应在士1％以内。在性能纪录中所列的环境温度和湿度的范围内，刻度因数的变化不应超出士1％。测量仪器的准确等级则应等于或优于0.5级。例如：一个100kV,100MΩ的高欧姆电阻器可由100个1MΩ,2W的金属膜电阻组成。用作电阻分压器时其刻度因数即其分压比为K=(l十R1/R2)，待测电压U1＝KU2。U2、R2分别为低压臂电压和电阻。当串联毫安表使用时，其刻度因数为R1。U1＝R1I1。R1阻值的选择不能太小，否则会要求直流高压设备供给较大的电流I1，且R1本身的损耗也会太大，以致R1阻值不稳定而出现测量误差。另一方面R1也不能选得太大，否则由于I1过小导致电晕放电和绝缘支架漏电，这些都会造成测量误差。I1不低于0.5mA，一般I1选择在0.5mA～1mA之间。5.2电阻分压器测量误差分析造成电阻分压器测量误差的主要原因是电阻值不稳定,原因及改进措施为：1.电阻本身发热（或环境温度变化）造成阻值变化常分别或同时采取以下措施：(l)选择元件的容量大于分压器所需的额定功率，以减小温升。(2)金属膜电阻和线绕电阻的温度系数在不同温度下常常有正有负，在串联使用时可适当地加以搭配，使R1整体的温度系数最小。(3)分压器内充变压器油以增强散热或通以循环的绝缘气体控制分压器的温度。2．电晕放电造成测量误差要求分别或同时采取以下措施来消除电晕：（1）R1的高压端应装上可使整个结构的电场比较均匀的金属屏蔽罩。(2）分压器内充以高气压的气体或高绝缘气体（如SF6）或变压器油。(3）等电位屏蔽。将电阻元件用金属外壳屏蔽起来，屏蔽的电位可由电阻分压器本身来供给，亦可由辅助分压器供给图7100kV,100MΩ螺旋式精密电阻器图8100kV,200MΩ精密电阻分压器接线原理1－金属圆筒；R－1MΩ；R2-2kΩ，线绕电限器（调节分比为105:1)；R2+R3＝20kΩ，线绕电阻器（调节分压比为104:1)3.绝缘支架的漏电造成测量误差安装R的绝缘支架若有泄漏电流则等于和R(或R1）并联了一个电阻R'（或R1')，从而使实际的阻值发生变化。由绝缘电阻R'而引起的一次电阻R与分压比K的相对误差，可认为等于R和R'的阻值之比。5.3阻容分压器设计不够周全时，如阻性电流引起交流测量相位变化产生误差等，对各自电压测量的准确度会有一定的影响，因此要进行准确测量时还是分离式的结构好。