工频平顶正弦波试验电源的研制

【摘要】通过对国内多个正在运行的串补工程的调研,发现500kV串补工程中各串补集成商的火花间隙在运行中均出现过误动情况(间隙在未接到触发命令时发生自放电,并且放电电压未达到整定值),但误动原因很多还未明确。目前针对火花间隙的放电试验,都是在工频正弦波下进行的。但在实际工程中,火花间隙是与金属氧化物限压器(MOV)配合运行的,火花间隙承受的电压波形是类似于削顶的工频正弦波,火花间隙在工频正弦波和工频平顶正弦波下的放电电压可能存在差异。由于平顶正弦波电压更符合间隙实际承压情况,因此在IEC60143-2《电力系统用串联电容器-第2部分：串联电容器组保护设备》的最新版本中,增加了火花间隙在恢复电压试验时需要采用工频平顶正弦波电压的要求。为了尽快找出间隙误动的原因,迫切需要研究火花间隙在工频平顶正弦波电压作用下的放电特性。虽然可以用线性电阻与非线性电阻串联来产生平顶正弦波,但是这种传统方法灵活性很差,且电阻耗能很大,发热严重,使得试验加压时间难以控制,不能长时间运行。针对传统实现方法的缺点,本文设计了一种基于微处理器的信号发生器和与之相适应的功率放大器构成的信号功率源,再经过试验变压器直接升压,输出高电压的试验装置。信号发生器,功率放大器和试验变压器的设计是本文的核心部分,它们的工作状况直接影响输出波形的质量。信号发生器采用微处理器实现总体控制,通过D/A转换器产生峰值可调的波形,经过滤波隔离后输出。利用Proteus软件对信号发生器电路设计进行了仿真,确认了信号发生器设计的可行性。试验变压器固有的杂散参数会使波形产生畸变。为了确定其影响程度,首先进行了理论分析,发现变压器阻尼比决定输出波形的质量,接着利用高低频法测量了变压器的等效参数,然后在Matlab/Simulink环境下对串级试验变压器等效电路进行仿真,发现串级试验变压器的输出存在振荡现象,从而验证了理论分析的正确性,最后提出采用增大试验变压器的阻尼比和改变波形数据代码的方法来获得高精度的输出波形,利用Simulink仿真验证了方案的可行性,并且提出了功率放大器的参数。根据功率放大器的参数,选择APEX公司的PA52大电流功率放大芯片作为功率放大器的核心,同时附加反馈环节、升压环节和保护环节组成放大器的基本电路框架,保证了放大器的可靠性、实用性和易操作性。利用Pspice软件对功率放大器进行了仿真,确认了功率放大器设计的可行性。最终确定了基本的硬件电路,通过在实验室的多次试验和调试研制出一台样机,并进行了相关试验。试验结果表明,该样机性能满足设计要求。虽然课题确立的初衷只是为串补用火花间隙在离线条件下进行自放电测试提供一种接近实际运行状态的试验技术手段,但是通过编程,可使这种试验电源产生任意波形的高电压,以满足各种电气设备的测试要求,因此本课题具有普遍意义。
【作者】杨勇；
【导师】李国富；刘之方；
【作者基本信息】中国电力科学研究院，高电压与绝缘技术，2014，硕士
【关键词】火花间隙；误动作；IEC60143-2；平顶正弦波；样机；

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