一种用于电气设备局部放电试验的振荡波产生装置及方法

摘要

本发明提供了一种用于电气设备局部放电试验的振荡波产生装置，包括第一开关组、第二开关组、第五开关、电源、阻值可调的阻尼电阻以及LC振荡电路，第一开关组包括第一开关及第四开关，第二开关组包括第二开关及第三开关;第一开关与第二开关组成的串联电路、第三开关与第四开关组成的串联电路以及电源之间相互并联相连接;第一开关与第二开关之间的电路与第五开关的一端相连接，第三开关与第四开关之间的电路与第五开关的另一端相连接;LC振荡电路与阻尼电阻串联连接后与第五开关并联连接;本发明还提供了一种用于电气设备局部放电试验的振荡波产生方法。本发明可以通过低电压的直流激励电源和电子开关产生高电压试验振荡波。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于直流激励的振荡波的产生装置及方法，具体涉及一种用于电气设备局部放电试验的振荡波产生装置及方法。

背景技术

电气设备绝缘性能的基本检测方法对电气设备进行正弦波耐压及局部放电量测量，一般情况采用试验变压器直接加载试验电压的方法进行试验。但当被试品等效电容量很大和它的试验电压很高时，通过试验变压器加载试验电压的容量会很大，导致现场无法完成试验，使得这种简便易行方法失效。一种可行的技术方案就是采用振荡波对电气设备进行正弦波耐压及局部放电试验，可以减小试验设备的容量。

近年来，国内外用于检测的振荡波设备是采用直流激励的方式产生的。以电缆绝缘性能测试为例，可将其视为容性电气设备，其基本测试试验原理如图1所示。主要由直流充电电源DC、限流电阻R，电感L、阻尼电阻RP、被测试电气设备的等效电容C和电子开关k组成。电子开关k闭合前，直流电源DC通过限流电阻R，阻尼电阻RP和电感L向电缆等效电容C充电，当C充电到预定电压值时，迅速闭合电子开关k，由电子开关、电感L、阻尼电阻RP和C形成串联回路产生一个逐渐衰减的振荡波f(t)，该振荡波直接加在电气设备的等效电容C上，测量等效电容C上的电压信号就可以实现对被测试电缆(或电气设备)的正弦波耐压试验和局部放电量。

采用直流激励获得振荡波的突出特点是简单易行。但是，由于第一振荡波f(t)的最高峰值等于直流充电电源DC的电压值，当要求试验振荡波f(t)的电压很高时，直流充电电源DC的电压也要相应提到很高，在具体实现时，元器件的成本、体积和元件控制电路部会变得异常复杂。因此，提高试验电压等级变得困难。

基于上述存在的问题，采用直流激励的方式来获得振荡波，由于成本和技术的原因，目前只能做到200kV以下的振荡波产生装置。专利200810124755.7介绍德国SEBAKMT公司OWTSHV150型局部放电检测用直流激励振荡波产生装置的试验电压也只能做到150kV，在中国市场销售价高达600万人民币，非常昂贵。

截止目前为止，国内外至今还没有高于250kV甚至1000kV的振荡波产生装置，随着城市化进程的快速推进，对电网电压等级的要求也越来越高，如何提高用于电气设备局部放电试验用的振荡波产生装置的电压等级，成为电力检测部门迫切需要解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种可调直流激励的振荡波产生装置及方法，该装置及方法可以通过低电压的直流激励电源和电子开关产生高电压试验振荡波。

为达到上述目的，本发明所述的用于电气设备局部放电试验的振荡波产生装置包括第一开关组、第二开关组、第五开关、可输出直流激励电压的电源、阻值可调的阻尼电阻以及LC振荡电路，所述第一开关组包括第一开关及第四开关，第二开关组包括第二开关及第三开关;

所述第一开关与第二开关组成的串联电路、第三开关与第四开关组成的串联电路以及电源之间相互并联;第一开关与第二开关之间的电路与第五开关的一端相连接，第三开关与第四开关之间的电路与第五开关的另一端相连接;

当被测电气设备为感性负载时，所述LC振荡电路包括被测电气设备及电容，阻尼电阻、电容及被测电气设备依次串联连接后与第五开关并联连接;

当被测电气设备为容性负载时，所述LC振荡电路包括被测电气设备及电感，阻尼电阻、电感及被测电气设备依次串联连接后与第五开关并联连接。

当被测电气设备为感性负载时，所述电容的容量值依据满足LC谐振电路的品质因数Q要求、以及LC谐振电路的电流小于第五开关额定工作电流来选择;

当被测电气设备为容性负载时，所述电感的感抗值依据满足LC谐振电路的品质因数Q要求、以及LC谐振电路的电流小于第五开关额定工作电流来选择。

所述电源包括与市电相连接晶闸管、驱动电路及单片机，单片机通过驱动电路控制晶闸管将市电转换为可调节直流电压源。

所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关均为IGBT，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关的控制端均与单片机相连接。

所述第五开关设有两个单向可控硅，所述两个单向可控硅反向并联连接，两个单向可控硅的控制端与单片机相连接。

相应的，本发明还提供了一种用于电气设备局部放电试验的振荡波产生方法。

当被测电气设备为感性负载时，包括以下步骤:

1)断开第五开关，并闭合第一开关组或者闭合第二开关组，通过电源为LC振荡电路施加直流激励电压V，并测量LC振荡电路的响应过程;

2)当t＝tp时，根据$>\sigma \%=e^{-\mathrm{\pi \xi }/\sqrt{1-{\xi }^2}}\times 100\%$>可得到LC振荡电路的阻尼比ξ，又根据可得到LC振荡电路的谐振角频率ω_n，其中，tp为LC振荡电路达到第一个峰值时所用的时间，σ为LC振荡电路的超调量;

3)根据f＝ω_n/2π、周期T＝1/f以及得到被测电气设备的电感值L，再根据得到LC振荡电路的品质因数Q，其中R为阻尼电阻的电阻值，C为电容的电容值;

4)当LC振荡回路的品质因数Q不满足电气设备局部放电试验的电压要求时，调整阻尼电阻的电阻值，并重复步骤1)、2)、3)，直至LC振荡电路的品质因数Q满足电气设备局部放电试验的电压为止，当LC振荡电路的品质因数Q满足电气设备局部放电试验的电压时，调整电源输出的直流激励电压V，使施加在被测电气设备两端的测量试验电压Vs满足Vs＝1.273×Q×V，然后再以周期T＝1/(2f)为时间间隔交替闭合第一开关组及第二开关组，使LC振荡电路产生谐振高电压，当所述谐振高电压达到稳定状态后，断开第一开关组及第二开关组，同时闭合第五开关，即可在被测电气设备上获得用于电气设备局部放电试验的振荡波。

当被测电气设备为容性负载时，包括以下步骤:

a)断开第五开关，并闭合第一开关组或者闭合第二开关组，通过电源为LC振荡电路施加直流激励电压V，并测量LC振荡电路的响应过程;

b)当t＝tp时，根据式$>\sigma \%=e^{-\mathrm{\pi \xi }/\sqrt{1-{\xi }^2}}\times 100\%$>可得到LC振荡电路的阻尼比ξ，又根据可得到LC振荡电路的谐振角频率ω_n，其中，tp为LC振荡电路达到第一个峰值时所用的时间，σ为LC振荡电路的超调量;

c)根据f＝ω_n/2π、周期T＝1/f以及得到被测电气设备的电容值C，再根据得到LC振荡电路的品质因数Q，其中，R为阻尼电阻的电阻值，L为电感的电感值;

d)当LC振荡电路的品质因数Q不满足电气设备局部放电试验的电压要求时，调整阻尼电阻的电阻值，并重复步骤a)、b)、c)，直至LC振荡电路的品质因数Q满足电气设备局部放电试验的电压为止，当LC振荡电路的品质因数Q满足电气设备局部放电试验的电压时，调整电源输出的直流激励电压V，使施加在被测电气设备两端的测量试验电压Vs满足Vs＝1.273×Q×V，然后再以周期T＝1/(2f)为时间间隔交替闭合第一开关组及第二开关组，使LC振荡电路产生谐振高电压，当所述谐振高电压达到稳定状态后，断开第一开关组及第二开关组，同时闭合第五开关，即可在被测电气设备上测获取用于电气设备局部放电试验的振荡波。

步骤4)及步骤d)中LC振荡电路的品质因数Q为100时，LC振荡电路的品质因数满足电气设备局部放电试验的电压要求。

本发明具有以下有益效果:

本发明所述的用于电气设备局部放电试验的振荡波产生装置及方法采用直流激励电压较低的电源，通过第一开关组、第二开关组、阻尼电阻及LC振荡电路获得电气设备局部放电试验用的谐振高电压，具体的，根据电工学原理得到LC振荡电路的品质因数Q，同时通过调节阻值可调的阻尼电阻使LC振荡电路的品质因数Q满足电气设备局部放电试验的电压要求，再通过交替闭合第一开关组及第二开关组得到稳定的谐振高电压后，然后再打开第一开关组及第二开关组，并闭合第五开关，即可在被测电气设备上得到用于电气设备局部放电试验的振荡波，整个操作过程中，由于电源输出的直流激励电压的电压值低，从而极大的降低了转换第一开关组、第二开关组及第五开关的工作电压，也简化了激励电源的设计。

附图说明

图1为传统的用于电气设备局部放电试验的振荡波产生装置及方法的原理图;

图2为当被测电气设备为容性负载时，本发明的原理图;

图3为当被测电气设备为感性负载时，本发明的原理图;

图4为本发明中LC振荡电路的响应图;

图5为本发明的实施例一的结构示意图;

图6为实施例一中对电气设备做局部放电量测量的应用示意图。

其中，K1为第一开关、K2为第二开关、K3为第三开关、K4为第四开关、K5为第五开关、DC为电源、L1为电感、C1为电容、RP为阻尼电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述:

参考图2及图3，图2及图3中的左边的图为本发明的电路原理图，右边的图为原理图中LC振荡电路的响应图。本发明所述的用于电气设备局部放电试验的振荡波产生装置包括第一开关组、第二开关组、第五开关K5、可输出直流激励电压的电源DC、阻值可调的阻尼电阻RP以及LC振荡电路，所述第一开关组包括第一开关K1及第四开关K4，第二开关组包括第二开关K2及第三开关K3;所述电源DC包括与市电相连接晶闸管、驱动电路及单片机，单片机通过驱动电路控制晶闸管将市电转换为可调节直流电压源。所述第五开关K5设有两个单向可控硅，所述两个单向可控硅反向并联连接，两个单向可控硅的控制端与单片机相连接。

所述第一开关K1与第二开关K2组成的串联电路、第三开关K3与第四开关K4组成的串联电路以及电源DC之间相互并联;第一开关K1与第二开关K2之间的电路与第五开关K5的一端相连接，第三开关K3与第四开关K4之间的电路与第五开关K5的另一端相连接，所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4均为的IGBT，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4的控制端均与单片机相连接。

当被测电气设备为感性负载时，所述LC振荡电路包括被测电气设备及电容C1，阻尼电阻RP、电容C1及被测电气设备依次串联连接后与第五开关K5并联连接，所述电容C1的容量值依据满足LC谐振电路的品质因数Q要求、以及LC谐振电路的电流小于第五开关额定工作电流来选择。

当被测电气设备为容性负载时，所述LC振荡电路包括被测电气设备及电感L1，阻尼电阻RP、电感L1及被测电气设备依次串联连接后与第五开关K5并联连接，所述电感L1的感抗值依据满足LC谐振电路的品质因数Q要求、以及LC谐振电路的电流小于第五开关额定工作电流来选择。

本发明还提供了一种用于电气设备局部放电试验的振荡波产生方法，包括以下两种情况:

当被测电气设备为感性负载时，本发明所述的方法包括以下步骤:

1)断开第五开关K5，并闭合第一开关组或者闭合第二开关组，通过电源DC为LC振荡电路施加直流激励电压V，并测量LC振荡电路的响应过程;

2)参考图4，当t＝tp时，根据$>\sigma \%=e^{-\mathrm{\pi \xi }/\sqrt{1-{\xi }^2}}\times 100\%$>可得到LC振荡电路的阻尼比ξ，再根据可得到LC振荡电路的谐振角频率ω_n，其中，tp为LC振荡电路达到第一个峰值时所用的时间，σ为LC振荡电路的超调量;

3)根据f＝ω_n/2π、周期T＝1/f以及得到被测电气设备的电感值L，再根据得到LC振荡电路的品质因数Q，其中R为阻尼电阻RP的电阻值，C为电容C1的电容值;

4)当LC振荡回路的品质因数Q不满足电气设备局部放电试验的电压要求时，调整阻尼电阻RP的电阻值，并重复步骤1)、2)、3)，直至LC振荡电路的品质因数Q满足电气设备局部放电试验的电压为止，其中LC振荡电路的品质因数Q为100时，LC振荡电路的品质因数满足电气设备局部放电试验的电压要求，当LC振荡电路的品质因数Q满足电气设备局部放电试验的电压时，调整电源DC输出的直流激励电压V，使施加在被测电气设备两端的测量试验电压Vs满足Vs＝1.273×Q×V，然后再以周期T＝1/(2f)为时间间隔交替闭合第一开关组及第二开关组，使LC振荡电路产生谐振高电压，当所述谐振高电压达到稳定状态后，断开第一开关组及第二开关组，同时闭合第五开关K5，即可在被测电气设备上获得用于电气设备局部放电试验的振荡波。

当被测电气设备为容性负载时，包括以下步骤:

a)断开第五开关K5，并闭合第一开关组或者闭合第二开关组，通过电源DC为LC振荡电路施加直流激励电压V，并测量LC振荡电路的响应过程;

b)参考图4，当t＝tp时，根据$>\sigma \%=e^{-\mathrm{\pi \xi }/\sqrt{1-{\xi }^2}}\times 100\%$>可得到LC振荡电路的阻尼比ξ，根据可得到LC振荡电路的谐振角频率ω_n，其中，tp为LC振荡电路达到第一个峰值时所用的时间，σ为LC振荡电路的超调量;

c)根据f＝ω_n/2π、周期T＝1/f以及得到被测电气设备的电容值C，再根据得到LC振荡电路的品质因数Q，其中，R为阻尼电阻RP的电阻值，L为电感L1的电感值;

d)当LC振荡电路的品质因数Q不满足电气设备局部放电试验的电压要求时，调整阻尼电阻RP的电阻值，并重复步骤a)、b)、c)，直至LC振荡电路的品质因数Q满足电气设备局部放电试验的电压为止，其中，LC振荡电路的品质因数Q为100时，LC振荡电路的品质因数满足电气设备局部放电试验的电压要求，当LC振荡电路的品质因数Q满足电气设备局部放电试验的电压时，调整电源DC输出的直流激励电压V，使施加在被测电气设备两端的测量试验电压Vs满足Vs＝1.273×Q×V，然后再以周期T＝1/(2f)为时间间隔交替闭合第一开关组及第二开关组，使LC振荡电路产生谐振高电压，当所述谐振高电压达到稳定状态后，断开第一开关组及第二开关组，同时闭合第五开关K5，即可在被测电气设备上测获取用于电气设备局部放电试验的振荡波。

本发明采用直流激励电压较低的电源DC，通过第一开关组、第二开关组及LC串联回路的谐振获得试验用谐振高电压。根据电工学原理，该测量试验电压Vs的大小近似为正负对称直流激励电源电压V的倍，即Vs＝1.273QV。其中为RLC串联谐振回路的品质因数，阻尼电阻RP采用可变电阻，方便调整Q值，以获得需要的试验电压。由于电源DC输出的电压较低，所以转换第一开关组及第二开关组的工作电压也可以较低。

实施例一

参考图5，本实施例中被测电气设备为容性负载，电源DC包括整流晶闸管Q1～Q6组成的三相全桥可控整流电路、整流后接滤波电容C1，H桥电压换向回路由内带续流二极管IGBT组成，IGBT的驱动单元电路DR1～DR2由单片机MCU控制。

参考图6，使用中，局部放电信号藕合传感器CG串联在被测试电气设备C的回路中，CG输出的局部放电信号送给局部放电测量仪单片机MCU的输入端，它与MCU端口10～11的k5短路触发信号是同步的，该信号控制局部放电仪在振荡波开始时，采集并记录局部放电信号，只要被测设备C上前3～10个振荡波电压的幅值符合局部放电测量的技术规范，对局部放电信号采集、记录与分析，就可以计算出该电气设备C的局部放电量的大小，借以衡量判断该电气设备的绝缘状态。

对于包括电力电缆、气体绝缘组合电气GIS、电力变压器和发电机等电气设备，可以利用本发明涉及的装置进行正弦波耐压及局部放电量测量;调整试验元件参数使Q＝100时，本发明装置产生5000kV的振荡波需要的直流电压为39.3kV，这个电压等级现有元器件比较容易实现，这表明本发明装置可以产生1kV～5000kV试验电压。