雙級(jí)智能磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u12066雙級(jí)智能磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置案例分析 1102471.1雙級(jí)智能磁控諧振變壓器的基本原理 15911圖3-1雙級(jí)試驗(yàn)變壓器方案一和方案二接線示意圖 29499圖3-2雙級(jí)智能磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖 328714圖3-3雙級(jí)智能磁控諧振變壓器等效電路圖 3234531.2雙級(jí)磁控變壓器的短路電抗計(jì)算 528559圖3-4三繞組試驗(yàn)變壓器的短路試驗(yàn)示意圖 615430圖3-5雙級(jí)智能磁控諧振變壓器等效回路 6230851.3雙級(jí)磁控變壓器的等效電路 7233611.1.1空載時(shí)的等效電路 7212111.1.2帶負(fù)載時(shí)的等效電路 866541.4雙級(jí)智能磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置的仿真 980481.4.1仿真模型分析 942141.4.2空載仿真分析 11172781.4.3帶負(fù)載仿真分析 13隨著社會(huì)的進(jìn)步，特高壓輸電技術(shù)迅猛發(fā)展，生產(chǎn)生活中所需的電壓等級(jí)提高，但若對(duì)單極的磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置提出過高的電壓要求，絕緣成本也會(huì)隨著電壓的升高而劇增，因此為了即滿足生產(chǎn)的需要，又盡量降低生產(chǎn)成本，可以考慮將磁控變壓器進(jìn)行串聯(lián)，從而得到的總輸出電壓就為串聯(lián)變壓器的輸出電壓的疊加，使整個(gè)試驗(yàn)裝置的總造價(jià)、體積及重量減少，就可以實(shí)現(xiàn)既降低成本便于運(yùn)輸又實(shí)現(xiàn)較高電壓等級(jí)的要求。1.1雙級(jí)智能磁控諧振變壓器的基本原理本文研究了兩種雙級(jí)智能磁控諧振變壓器試驗(yàn)方案，方案一為只有第一級(jí)變壓器采用智能磁控諧振變壓器，第二級(jí)變壓器則采用普通變壓器，該方案的變壓器串接方式示意圖如圖3-1(a)所示，在第一級(jí)磁控諧振變壓器的原有基礎(chǔ)上再增添一個(gè)繞組，通過這個(gè)繞組去為第二級(jí)變壓器提供功率。該試驗(yàn)方案只有第一級(jí)磁控變壓器可以通過控制直流勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電抗，第二級(jí)普通變壓器不可調(diào)，所以方案一的缺點(diǎn)是勵(lì)磁電抗可調(diào)節(jié)范圍小，但優(yōu)點(diǎn)是接線更簡(jiǎn)單，裝置的體積和重量會(huì)更小。方案二為兩級(jí)變壓器都采用智能磁控諧振變壓器，該方案的接線示意圖如圖3-2(b)所示，第一級(jí)磁控變壓器新增的三次繞組與第二級(jí)磁控變壓器的一次繞組并聯(lián)，為第二級(jí)變壓器提供功率，第一級(jí)的二次繞組與第二級(jí)磁控變壓器的二次繞組串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)高壓輸出電壓的疊加，整個(gè)雙級(jí)磁控變壓器試驗(yàn)裝置的輸出電壓近似于各級(jí)變壓器輸出電壓之和。由于第二級(jí)變壓器也為磁控諧振變壓器，所以第二級(jí)變壓器的勵(lì)磁電抗也可調(diào)，當(dāng)?shù)诙?jí)變壓器的補(bǔ)償增加時(shí)，第一級(jí)與第二級(jí)變壓器的勵(lì)磁電流將大幅減小，因此第一級(jí)對(duì)第二級(jí)的勵(lì)磁容量也會(huì)變得很小，也就減小了第一級(jí)磁控變壓器的容量。經(jīng)過綜合比較，本文選擇方案二進(jìn)行雙級(jí)試驗(yàn)，由兩臺(tái)350kV的磁控變壓器串聯(lián)形成一臺(tái)700kV的雙級(jí)磁控變壓器。圖3-1雙級(jí)試驗(yàn)變壓器方案一和方案二接線示意圖雙級(jí)智能磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-2所示，此時(shí)直流勵(lì)磁回路采用自勵(lì)方式，即通過控制光控晶閘管的脈沖觸發(fā)信號(hào)來改變晶閘管的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電抗的調(diào)節(jié)。圖3-2雙級(jí)智能磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖雙級(jí)智能磁控諧振變壓器的等效電路圖如圖3-3所示：圖3-3雙級(jí)智能磁控諧振變壓器等效電路圖由變壓器的磁動(dòng)勢(shì)平衡可得到等式：(1.1)其中是低壓側(cè)繞組匝數(shù)，是高壓側(cè)繞組匝數(shù)，是第三繞組匝數(shù)。按照?qǐng)D3-3中所規(guī)定的正方向，由基爾霍夫第二定律，列出各級(jí)變壓器一次側(cè)和二次側(cè)各個(gè)回路的電壓方程式：(1.2)其中、、、、分別是各繞組上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，、分別為兩級(jí)變壓器各自的勵(lì)磁電流。兩級(jí)變壓器各繞組上的電壓存在變比關(guān)系：，，。根據(jù)設(shè)計(jì)，本文使第二級(jí)磁控諧振變壓器的一次繞組與第一級(jí)磁控諧振變壓器的三次繞組保持相同匝數(shù)，從而保證加到第二級(jí)磁控變壓器上的輸入電壓與第一級(jí)磁控變壓器相同，所以電壓變比K=1，所以根據(jù)等效電路圖3-3可求得電源側(cè)的輸入阻抗為(1.3)式中X2，X3的值由如下等式構(gòu)成：(1.4)XL1和XL2分別是兩級(jí)磁控諧振變壓器的低壓側(cè)電抗，XH1和XH2分別是兩級(jí)磁控諧振變壓器的高壓側(cè)電抗，XK1是第一級(jí)磁控諧振變壓器的三次繞組，XM是等效勵(lì)磁電抗，ZC是分壓電容及試品電容的并聯(lián)值。所以當(dāng)雙級(jí)磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置的等效勵(lì)磁電抗與等效電容達(dá)到并聯(lián)諧振條件時(shí)，可得等式：(1.5)由式1.5可推算出勵(lì)磁電抗XM的調(diào)節(jié)范圍，進(jìn)而可以推出該雙級(jí)智能磁控諧振變壓器裝置做耐壓絕緣試驗(yàn)時(shí)的容性高壓設(shè)備范圍。若之后需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)更多級(jí)的串級(jí)磁控變壓器系統(tǒng)，同樣可以利用相同類型的N級(jí)串級(jí)磁控變壓器等效電路及計(jì)算方法來得到相應(yīng)的并聯(lián)諧振條件，從而得到勵(lì)磁電抗XM的調(diào)節(jié)范圍。1.2雙級(jí)磁控變壓器的短路電抗計(jì)算因?yàn)檫M(jìn)行耐壓絕緣試驗(yàn)的裝置大多數(shù)為呈容性，故高壓試驗(yàn)系統(tǒng)的輸出側(cè)一般接容性負(fù)載，所以會(huì)出現(xiàn)雙級(jí)試驗(yàn)裝置中各級(jí)變壓器的短路電抗上流過電容性電流時(shí)，雙級(jí)試驗(yàn)裝置的高壓側(cè)輸出電壓大于試驗(yàn)變壓器的額定輸出電壓的現(xiàn)象。同時(shí)若變壓器的短路電抗過大，試驗(yàn)裝置的短路容量就會(huì)隨之急劇下降，這會(huì)對(duì)絕緣子污閃電壓和濕閃電壓的測(cè)試結(jié)果造成較大影響。因此結(jié)合以上所述，可以得出結(jié)論：變壓器的短路電抗不能特別大。通常來說當(dāng)單極變壓器輸出側(cè)發(fā)生短路時(shí)，一次測(cè)電流達(dá)到額定值所對(duì)應(yīng)的阻抗電壓應(yīng)在10%～15%的范圍內(nèi)。以本文研究的雙級(jí)磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置為例，分析推導(dǎo)串級(jí)磁控變壓器試驗(yàn)裝置的等效短路電抗以及各級(jí)磁控變壓短路電抗之間的關(guān)系。由前一章對(duì)雙級(jí)磁控變壓器的工作原理分析可知，第一級(jí)變壓器總共具有三個(gè)繞組，分別為一次側(cè)繞組、二次側(cè)繞組及給下一級(jí)變壓器提供輸入功率的三次繞組，第二級(jí)變壓器則僅有一次側(cè)繞組及二次測(cè)繞組。分別用符號(hào)L代表一次側(cè)，H代表二次測(cè)，K代表三次繞組勵(lì)磁側(cè)。為了得到各級(jí)磁控變壓器的短路電抗值，利用圖3-4所示的三繞組試驗(yàn)變壓器短路試驗(yàn)測(cè)量法，通過該短路試驗(yàn)方案，可以得到各側(cè)短路阻抗值，又因?yàn)殡娮柚迪鄬?duì)于電抗值較小，所以可以忽略不計(jì)，故此時(shí)所得到的短路阻抗即為短路電抗。由圖3-4(a)的接線方式可得，由圖3-4(b)的接線方式可得，由圖3-4(c)的接線方式可得。根據(jù)上述的數(shù)學(xué)表達(dá)式中各量的符號(hào)可知，所求的短路電抗都是折算到二次測(cè)的，經(jīng)過整理可得：(1.6)圖3-4三繞組試驗(yàn)變壓器的短路試驗(yàn)示意圖雙級(jí)智能磁控諧振變壓器等效回路如圖3-5所示，若忽略勵(lì)磁電流，則各級(jí)變壓器都可看作理想變壓器與各繞組側(cè)短路電抗的疊加。圖中各參數(shù)都為折算到變壓器二次測(cè)的折算參數(shù)。圖3-5雙級(jí)智能磁控諧振變壓器等效回路將圖3-5進(jìn)一步化簡(jiǎn)，得到如圖3-6所示的等效電路圖。圖3-6雙級(jí)變壓器簡(jiǎn)化后的等效電路圖其中為該雙級(jí)變壓器的等效短路電抗。因?yàn)殡娐穲D等效前后該雙級(jí)變壓器上的短路電抗消耗的無(wú)功功率是不變的，所以可以根據(jù)等效前后的兩個(gè)電路圖列寫出雙級(jí)變壓器的短路電抗無(wú)功損耗方程：(1.7)式中，，，，其中，，分別為L(zhǎng)1，L2，K1繞組上的電流向二次測(cè)折算后的值。將以上的關(guān)系式代回式(1.7)?；?jiǎn)后就可得到雙級(jí)磁控變壓器折算到二次側(cè)后的等效短路電抗大小為：(1.8)聯(lián)立式(1.6)及式(1.8)，可推出：(1.9)若兩級(jí)串聯(lián)的磁控變壓器參數(shù)與結(jié)構(gòu)完全相同，則有，，。結(jié)合式(1.8)可得折算到高壓側(cè)的等效短路電抗為：(1.10)可見雙級(jí)磁控變壓器的等效短路電抗值比大眾慣性認(rèn)知的要大很多。若想計(jì)算更多級(jí)的串聯(lián)磁控變壓器折算到高壓側(cè)后的等效短路電抗值，可用同樣的推導(dǎo)方法。結(jié)合式(1.9)，得到n級(jí)串聯(lián)變壓器的等效短路電抗計(jì)算公式：(1.11)由此可看出，級(jí)聯(lián)變壓器的級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)越多，則等效短路電抗增大得越快，所以級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)不宜過多。1.3雙級(jí)磁控變壓器的等效電路1.1.1空載時(shí)的等效電路空載時(shí)高壓輸出側(cè)開路，則第一級(jí)與第二級(jí)變壓器的高壓側(cè)折算到低壓側(cè)的阻抗都為無(wú)窮大，都視為開路，此時(shí)只有低壓繞組和三次繞組中有電流流過，故可得到雙級(jí)磁控變壓器的空載等效電路圖如圖3-7所示：圖3-7雙級(jí)智能磁控諧振變壓器空載等效電路圖由電路圖可列出電路方程及磁動(dòng)勢(shì)方程：(1.12)可推出空載時(shí)雙級(jí)磁控變壓器試驗(yàn)裝置的輸入阻抗為：(1.13)分析式(1.13)的結(jié)構(gòu)可推斷在空載狀態(tài)時(shí)，雙級(jí)磁控變壓器的勵(lì)磁阻抗相當(dāng)于并聯(lián)狀態(tài)。1.1.2帶負(fù)載時(shí)的等效電路帶負(fù)載時(shí)，試驗(yàn)裝置正常運(yùn)行，各級(jí)磁控變壓器各側(cè)繞組均有電流通過，將勵(lì)磁阻抗折算到二次測(cè)時(shí)，可以得到等效電路圖如圖3-8所示：圖3-8雙級(jí)智能磁控諧振變壓器帶負(fù)載等效電路圖此時(shí)輸入阻抗為：(1.13)此時(shí)，從雙級(jí)磁控變壓器的高壓側(cè)看進(jìn)去，兩臺(tái)變壓器的勵(lì)磁電抗相當(dāng)于串聯(lián)，去與試品電容發(fā)生并聯(lián)諧振。1.4雙級(jí)智能磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置的仿真本節(jié)搭建的仿真采用了1.1節(jié)中的方案二接線方式，由兩臺(tái)智能磁控變壓器進(jìn)行串接，每臺(tái)磁控變壓器的額定輸出電壓為350kV，因此該雙級(jí)試驗(yàn)系統(tǒng)的額定輸出電壓為700kV。運(yùn)用仿真模型分別進(jìn)行了空載試驗(yàn)及帶負(fù)載試驗(yàn)，從而通過仿真結(jié)果來對(duì)雙級(jí)智能磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置的可行性進(jìn)行分析。1.4.1仿真模型分析雙級(jí)智能磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置的仿真模型如圖3-9所示，雙級(jí)均采用磁控變壓器，第一級(jí)磁控變壓器為第二級(jí)磁控變壓器的輸入側(cè)充當(dāng)交流電源，兩級(jí)磁控變壓器的高壓輸出端口串接，共同為試品電容提供試驗(yàn)電壓。圖3-9雙級(jí)智能磁控諧振變壓器試驗(yàn)裝置仿真模型雙級(jí)智能磁控諧振變壓器的主要參數(shù)如下表3-1所示：表3-1智雙級(jí)能磁控諧振變壓器主要參數(shù)參數(shù)值第一級(jí)變壓器/第二級(jí)變壓器額定容量350kVA/350kVA第一級(jí)變壓器/第二級(jí)變壓器額定電壓350kV/350kV鐵心磁化曲線[0,0;0.01,1.0;1.01,2.0]圖3-10為雙級(jí)磁控變壓器試驗(yàn)裝置中第一級(jí)磁控諧振變壓器的子模型，與單極的磁控諧振變壓器相似，采用兩臺(tái)飽和多繞組變壓器來等效代替變壓器的兩鐵心，直流勵(lì)磁繞組采用交叉連接的方式，不同的是多出了一組三次繞組去給下一級(jí)磁控變壓器提供輸入電壓。圖3-10第一級(jí)磁控變壓器內(nèi)部電路仿真模型圖3-11第一級(jí)磁控變壓器仿真模型參數(shù)設(shè)置第二級(jí)磁控變壓器的內(nèi)部電路與2.3節(jié)中搭建的單極智能磁控諧振變壓器完全一致，在這不予重復(fù)展示。1.4.2空載仿真分析進(jìn)行雙級(jí)磁控變壓器空載仿真試驗(yàn)時(shí)，保持交流電源輸入側(cè)電壓大小為380V不變，兩級(jí)磁控變壓器的直流勵(lì)磁電源電壓大小設(shè)置為30V。將高壓輸出側(cè)連接的負(fù)載設(shè)置為一極大的電阻，電阻值設(shè)為45000MΩ，使輸出側(cè)相當(dāng)于開路，可得輸入電壓電流的波形及有效值如圖3-12所示：圖3-12雙級(jí)智能磁控諧振變壓器空載試驗(yàn)輸入電壓、電流兩級(jí)變壓器的直流勵(lì)磁電流波形相同，都如圖3-13所示，結(jié)合圖3-12可看出，兩級(jí)磁控變壓器的鐵心均在3秒左右達(dá)到飽和，勵(lì)磁電流呈線性增大，輸入電流保持不變。圖3-13直流勵(lì)磁電流雙級(jí)磁控變壓器的高壓輸出側(cè)電壓、電流波形及有效值如圖3-14所示，電流值有效值為15μs，電流值極小，故可判定輸出回路達(dá)到開路狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓有效值為700kV，此時(shí)電壓變比為380V：700kV，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且波形無(wú)畸變。圖3-14雙級(jí)磁控變壓器空載試驗(yàn)高壓輸出側(cè)電壓、電流1.4.3帶負(fù)載仿真分析經(jīng)計(jì)算，雙級(jí)磁控變壓器試驗(yàn)裝置高壓側(cè)輸出電壓達(dá)700kV時(shí)，若要使輸出電流為1A，則所加試品電容值為4550pF，故用4500pF的電容進(jìn)行仿真試驗(yàn)。設(shè)置交流電源側(cè)的電壓有效值在0-0.5秒時(shí)為19V，在0.5-1.5秒時(shí)逐漸線性上升至380V，后保持380V大小不變，同時(shí)在直流勵(lì)磁繞組加入30V的直流勵(lì)磁電壓，可得到相應(yīng)的