大式空心电力电抗器损耗测量技术问题的研究

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义
电力电抗器是电力系统的重要设备之一，在线路中起到限流、无功补偿、滤波等作用。随着我国高压输电系统的不断发展，电网容量不断增大，电压等级不断升高，造成了系统短路电流增大、功率因数偏低、谐波电流增加等问题，在输电系统的适当位置安装合适的电抗器能够有效解决上述问题。与铁心电抗器相比，空心电抗器具有价格低廉、安装灵活、电感线性度好、参数稳定等优点，因此获得广泛应用[1] [2]。对于电抗器特别是大型超高压电抗器, 其有功损耗是电气特性的一项重要参数，有功损耗使电抗器在运行过程中消耗大量的电能, 并产生热量, 导致电抗器温度升高, 直接影响其运行特性及使用寿命。同时，随着经济和科技的发展，电力系统负载增加，系统中的非线性负荷及冲击性、波动性负荷使得电网波形发生畸变，即实际电路中负载的电压电流不是标准正弦波。因此,采取适当方法， 测量电抗器在正弦信号和非正弦信号的有功损耗，验证电抗器的温升，评价其性能并改进设计，无论从经济效益还是从安全生产角度来看,都有十分重大的意义[3] [4]。
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1.2 电力电抗器损耗测量技术研究现状
目前，国内专门针对空心电力电抗器损耗测量的研究不多，在工程实践中，对于空心电力电抗器损耗的测量，主要是采用一些传统方法或参照国外研究作适当的改进进行测量。国内关于空心电力电抗器损耗测量研究性的文献并不多，主要是一些操作方法上叙述性的资料。相比之下，国外在这方面的研究要深入得多，典型代表是加拿大国家研究院的研究，自上世纪七十年代起就专门针对超大容量超低损耗的电抗器损耗测试进行了研究，该研究院的思路主要是基于比较法并结合数字算法技术，经过几十年的努力也取得了重大研究成果，并建立起了该方向的计量标准[5]。总的来说，有关于电力电抗器损耗测量的方法及研究内容主要包括传统的电抗器损耗测量、非正弦波下有功功率（损耗）计量、低功率因数表的研制等几个方面。热计量法是在完全热平衡状况下, 比较电力电抗器冷却器安装处的流量、温差, 以测量损耗。冷却器一般采用油循环水冷式冷却器, 由冷却水或油的出入口的温差和流量来推算出损耗值[6]。测量时电力电抗器要至于隔热箱中，并要防止电力电抗器外壳配管等处的热扩散, 同时对温差和流量的测量精度要求较高。此种方法结构比较复杂，操作麻烦，但却是公认的测量结果比较可靠的方法之一，因此热计量法是在其他测量方法难于进行的情况下, 或者是为了验证其他测量方法的准确性时才采用，此种方法的具体结构设计及操作，国内外没有相关文献具体报导。对于空心电力电抗器，由于结构上的特殊性，该方法并不适用。
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第 2 章 空心电抗器的损耗构成及分析

2.1 空心电抗器结构特点
干式空心电抗器由多个并联的同轴绕组包封组成，每个包封是由多层线圈并联组成，每层线圈是由数根小截面金属导线并绕而成，每根导线上包有玻璃丝或聚酯薄膜作为绝缘。采取多层线圈并联的结构，既可降低绕组涡流损耗，又可使各导线中的电流密度趋向平衡，使得层与层之间的环流很小。空心电抗的包封与包封之间用聚酯玻璃丝作为撑条，形成包封之间的绝缘和散热通道。包封导线焊接在铝制星形架上，星形架除作电气连接作用外，还起压紧线圈作用，从而使电抗器具有很高的机械强度以及整体稳定性。电抗器的安装通过非磁性金属底座和支柱绝缘子支撑绕组完成。其结构安装图见图 2-2。干式高压空心电抗器的特殊结构，使其具有如下特点：1)以空气为导磁介质，电感值不随电流变化而变化，不存在磁饱和现象；2)散热性好，热点温度低；3)绕组采用多股小截面圆导线平行绕制，有效的降低了涡流损耗 4)结构简单，价格低廉，外表面涂有抗老化、抗紫外线绝缘漆，能长期在户外运行，维护方便[27]。电抗器在运行过程中，绕组内电流主要为负载电流，此外，还存在着由交变磁场作用而产生的电流，即在每根导线内存在涡流和在并联支路间存在着环流，涡流和环流在绕组内闭合，不流出绕组。与之对应的，电抗器内的有功损耗主要包括电抗器绕组中电阻损耗、涡流损耗、环流损耗[28]。
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2.2 空心电力电抗器损耗构成分析
涡流损耗是漏磁通穿过绕组导体，在导体内部形成涡流而产生的损耗。涡流损耗与导线电导率、频率、导线在垂直漏磁场方向的尺寸平方以及漏磁感应强度成正比,与电流密度成反比[29]。因此，工业上采用小截面多股绝缘导线绕制电抗器绕组，减少导线在垂直磁场方向上的尺寸，达到减小涡流损耗的目的。由于绕制电抗器的圆导线线规通常很小，所以涡流损耗占总损耗的比例不大。由于涡流损耗与频率有关，因此，当流过电抗器的电流为非正弦波电流时，在电抗器中所产生的涡流损耗实际上是与电流的波形有直接关系。这也就是为什么在实际测量中，要尽量使流过电抗器的电流波形与电抗器实际工作时的电流波形一致的主要原因。从这个意义上讲，对于平波电抗器损耗测量而言，目前规范所规定的分别测量直流损耗和谐波损耗，然后综合给出电抗器总损耗的办法是不科学的。应该给平波电抗器施加与其工作电流波形一致的电流进行损耗的测量才是比较科学的。对于大电流大容量的空心电抗器，为了满足应用要求，必须增大绕组的层数及数圈匝数。由于空心电抗器在加工生产过程的任何环节都会不可避免地存在加工误差，而且，这些加工误差会逐级累积。对于空心电抗器而言，即便是对于技术非常高的生产人员而言，在绕制每一层线圈时不可能保证其实际绕制出的线圈与设计计算的完全相同，都会产生误差，而且，这种误差会随着已经绕制的线圈层数增多而逐层累积。因此，空心电抗器容量越大、匝数越多、层数越多，这种累积误差就会越大。就会造成各个层的安匝不平衡，造成这些层的感应电势不相等，从而在各个线圈之间形成较大的环流，而这些环流的存在不仅会形成额外的电阻性损耗，也会形成额外的涡流损耗，这些由于存在环流而额外产生的损耗统称为环流损耗。空心电抗器在设计时，为了减少环流损耗一般都要设法使各个绕组层安匝平衡。但是这只是理论，实际在制造中由于受绕组各层匝数的取舍、制造工艺误差等因素影响，完全消除环流是不可能的。

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第 3 章 测量系统的硬件设计......13 
3.1  功率测量的数学模型及定义..... 13 
3.1.1 功率测量的数学模型...... 13 
3.1.2 正弦电路有功功率定义....... 13 
3.1.3 非正弦电路有功功率定义....... 14 
3.2  测量系统的总体框架..... 15 
3.3  信号提取电路的设计..... 15
3.4 下位机硬件电路的设计...... 19
3.5 本章小结...... 22 

第 4 章 测量系统的软件设计......23 
4.1 下位机主程序设计...... 23 
4.2  上下位机串口通信软件设计..... 26 
4.2.1 下位机串口程序设计...... 26 
4.2.2 上位机串口通信程序设计....... 28 
4.3 上位机主程序设计...... 29
4.4 本章小结...... 32 
第 5 章 试验电源设计......33 
5.1  试验电源的设计的必要性..... 33 
5.2  变压器结构型式的选择..... 33 
5.3  整流电路联结型式..... 35
5.4  双机组并联联结十二脉整流试验电源设计..... 35
5.5  双机组并联联结十二脉整流试验电源仿真..... 39 
5.6  本章小结..... 43

第 6 章 小容量试验系统的实验研究

6.1 试验电源的设计与制作
根据实验室的实际情况，设计制作了一台小型的十二脉动试验电源，将试验电源输出直接加载在电抗器上，测量其有功损耗，验证本测量系统的准确性。被测电抗器额定电流为 41A，电感为 4.6mH，直流电阻为 0.1579 。根据被测电抗器参数，设计电源的额定直流输出为 45A，空载直流输出电压为12V，电路采用图 5-1（a）的单机组串联结构，变压器容量设计为 500VA，一次侧接三相调压器，整流器采用两个 SQL5010 整流桥，其整流输出直流可达50A。各参数的计算与 5.1.3.1 节类似，此处不再叙述，其电源实物如图 6-1 所示。测量系统原理框图及实物分别如图 6-2（a）、图 6-2（b）所示。功率分析仪能够直接测量 1000V 电压，因此不用外接传感器。其内部分流器能够测量30A 电流，当电流小于 30A 时刻直接串接在电路中，当电流大于 30A 时需要外部电流传感器才能进行测量。
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结论

空心电力电抗器作为电力系统的必要设备之一，其有功损耗与自身的性能、电力系统的安全稳定运行、经济效益密切相关。国内外对空心电力电抗器的损耗测量都有所研究，并取得一定的成果，但由于测量方法和和技术手段上的限制，并没有形成一整套完整的、有效的测量系统，导致工厂的测量结果往往与实际情况不一致。针对这一现状，本文从功率的定义出发，设计了一套包括信号采集、数据处理与结果显示、试验电源在内的空心电力电抗器损耗测量系统。论文主要结论如下：
1、针对国内外对电抗器损耗测量规范不够科学，导致测量值与实际值不一致的情况，本文采取了一种新的测量办法，即模拟出电抗器的实际运行环境，在此条件下结合合理的测量技术进行测量，得到的测量结果能够更真实的反应出电抗器实际运行时的损耗情况。
2、电源的设计是本系统的重要部分，需根据实际情况采取相应的设计原则。本文以某平波电抗器的参数为依据，设计其试验电源的结构及参数。通过仿真，验证该电源结构设计的合理性以及参数计算的正确性。
3、通过对一个小容量的试验系统进行研究，并与商用 PM3000A 功率分析仪进行对比，证明该系统是可行的，能够测量正弦和非正弦信号下空心电抗器的损耗，其测量精度达到 1%左右，整个系统操作起来简单方便。
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参考文献（略）