1、本科毕业论文（20 届）交流叠加极性反转设备研制所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文I交流叠加极性反转设备研制摘 要随着我国电网的高速发展，直流输电将在西电东送以及全国联网中占有非常重要的地位。换流变压器是特高压直流输电系统中的重要设备，它是连接交流网络和直流网络的枢纽，其稳定性直接影响了整个网络的安全与可靠性。运行中的换流变压器要承受交流电压与直流电压叠加的作用，并且直流侧极性反转，交流叠加极性反转试验也是换流变压器油纸绝缘试验中的重要组成部分，因此，开发一套交流叠加极性反转设备对换流变压器油纸绝缘试验有重大的意
2、义。本文设计了试验用试样的结构，并通过计算确定其参数。设计了电极系统，使电极能够与试样充分连接，保证试验的准确性。结合相关文献和电路知识设计试验电路，通过仿真技术观察各个元件的电压、功率波形，通过比对确定各个元件的参数。通过模拟试验观察电路输出电压波形，通过理论分析验证该波形的合理性，证明该设备的合理可行性。关键词：换流变压器；极性反转；油-纸绝缘哈尔滨理工大学学士学位论文IIThe research of AC superimposed polarity reversal deviceAbstractWith the rapid development of Chinas power gri
3、d, DC transmission occupies a very important position in the west to east as well as national network. Converter transformers is the important equipment of UHV DC transmission system, it is a hub to connect the AC network and DC network, and its stability directly impact on the the entire of network
4、 security and reliability. the operating of the converter transformers not only withstand AC voltage and DC voltage overlay, and the DC side of the polarity reversal, AC superimposed on the polarity reversal test is also an important part of the converter transformer oil-paper insulation test, there
5、fore, to develop a AC superimposed polarity reversal device is a great significance for the converter transformer oil-paper insulation test.The paper designed the structure of the test specimen and determined the parameters by calculation . The design of the electrode system makes the electrode can
6、be fully connected with the specimen to ensure the accuracy of the test. Related to information of literature and circuit design test,through circuit simulation technology to observe the various components of voltage, power, waveform, and by comparison to determine the parameters of each component.
7、observing circuit output voltage waveform by simulating the experimental ,Verifing the waveform reasonable by a theoretical analysis proves the reasonable feasibility of the device.哈尔滨理工大学学士学位论文IIIKeywords: converter transformers; polarity reversal; oil - paper insulation哈尔滨理工大学学士学位论文IV目 录摘 要 .IAbst
8、ract .II第 1 章 绪论 .- 1 -1.1 课题研究背景 .- 1 -1.1.1 直流输电、交流输电的起源和发展 .- 1 -1.1.2 换流变压器在直流输电系统中的地位和作用 .- 3 -1.2 换流变压器实际耐受电压与试验方法 .- 3 -1.3 交流叠加极性反转试验的重要性 .- 5 -1.4 课题研究内容、目的及意义 .- 6 -第 2 章 试验系统设计 .- 7 -2.1 电极设计 .- 7 -2.2 试样结构及参数 .- 8 -2.3 试验电路及元件 .- 10 -2.3.1 现有的相关设备原理分析 .- 10 -2.3.2 试验电路分析 .- 12 -2.3.3 直流源
9、 .- 13 -2.4 小结 .- 14 -第 3 章 试验电路仿真及分析 .- 15 -3.1 仿真软件简介 .- 15 -3.2 直流源的设计及仿真电路的确定 .- 16 -3.3 电路输出波形的仿真结果 .- 17 -3.3.1 仅交流源作用 .- 17 -3.3.2 仅极性反转作用 .- 18 -3.3.3 交流叠加极性反转 .- 19 -3.4 元件参数的确定 .- 20 -3.5 小结 .- 27 -第 4 章 模拟实验 .- 28 -4.1 试验方案 .- 28 -4.1.1 直流源及电阻分压器的设计 .- 28 -4.1.2 试验方案实施 .- 29 -4.2 试验电路图及试验
10、设备 .- 29 -4.3 试验结果及分析 .- 31 -4.4 小结 .- 32 -结论 .- 33 -致谢 .- 34 -参考文献 .- 35 -哈尔滨理工大学学士学位论文V附录 .- 36 -哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题研究背景1.1.1 直流输电、交流输电的起源和发展电能的形式分为两种：直流电和交流电。所谓的直流电是指方向和时间不做周期性变化的电流，但电流大小不固定，而产生波形。又称恒定电流。交流电是指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电。它的最基本形式是正弦电流。自从有了发电和用电之后，电能的传输一直是电力部门研究的重点课题之一。直流输电和交流输
11、电的优缺点也倍受争论。在电能利用的早期，主要以直流发电为主。无论是发电还是用电。均为直流发电。此时的发电站的供电范围很有限，而且主要用于照明，还未用作工业动力。1875 年法国建立了第一座发电站，该厂采用直流发电，通过低压配电线直接对直流电动机和弧光灯供电。这是世界上第一条输电线路。也是直流输电的早期形态。但是早期的直流输电缺点十分明显：供电范围小，电压很低且调节困难。但随着科学技术的发展和工业发展的需要，电力在许多部门得到了广泛的应用。社会对电力的需求也急剧增加。由于用户用电的电压不能太高，因此要输送一定功率的电能就要增加电流。而输电线路存在电阻，电流越大其损耗越大；而且电流大损失在导线上的
12、电压也相应增多，导致用户端的电压比所需电压低，远离发电站的地区其现象更加明显。直流输电的弊端大大的影响了电力的发展和应用，促使人们考虑交流输电的可能性。 【1】1888 年，由费朗蒂设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输电，将 10kV 的交流电输送到相距 10 公里的市区变电站，在那里降为2.5kV，再分送到各个街区的二级变压器，将为 100V 供用户使用。一年后，俄国的多利沃多布罗沃斯基研制出了功率为 100W 的三相交流发电机，并在全世界得到了广泛的推广，并得到世界大部分地区的使用和认可。与直流输电相比，交流电利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便的把机械能（水流能、风
13、能等） 、化学能等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价更为低廉；而且交流电可以方便的通过变压器升压和降压，这给配送电能带来了极大地方便。随着交流电的不断发展，许多大型的发电站也纷纷建立，至此，交流输电方式开始迅速取代直流输电。哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -【2】尽管交流输电在发电、用电、电压转换等方面有着直流输电无法比拟的优势，但随着着电力的不断发展，各个领域用电量的加强，它自身的缺陷和不足也愈加明显。在远距离、大功率输电的输电线路中，交流电遇到了一些难以克服的困难。如果采用直流输电，这些困难将会随之消失。因此，20 世纪以来，直流输电重新
14、成为了电气领域的重点研究对象。中国的自然条件以及能源和负荷中心的分布特点使得超远距离输电传输成为必然，为了减少电能的损耗和集约有限的土地资源，需要一种经济高效的输电方式。高压直流输电技术恰好符合了这些要求。我国的水能、煤炭资源较为丰富，石油、天然气资源匮乏，且电能资源的分布和有点符合的分布极不均衡。全国可开发的水资源的 2/3 分布在四川、云南、西藏等地，煤炭则主要分布在山西、陕西、内蒙古等地，而东部沿海地区经济较为发达，用电负荷约占全国的 2/3，发电能源却严重不足。【5】 水能资源和煤炭作为我国发电能源供应的两大支柱，决定了我国今后的开发多集中在西南西北地区，并逐渐向西部和北部地区转移，而
15、东部沿海地区和中南地区的国民经济的持续发展导致能源产地与能源消费地区之间的距离越来越大，使得我国能源配置的距离、特点和方式都发生了巨大的变化，并决定了能源和电力跨区域大规模流动的必然性。 【6】目前我国的电力工业已经进入大电网、高电压、高自动化的发展时期。根据我国的能源战略，国家能源领导小组办公室将特高压电网建设列为能源工作的要点。2005 年 2 月，国家发改委正式发表了关于“特高压1000kV 交流和800kV 直流输电技术”的报告，标志着我国特高压输电计划的启动。目前国家电网公司已制定了长期目标：在煤炭资源丰富的地区建成 1000kV 特高压交流输电网络；在输电资源丰富的地区将建成三条8
16、00kV 的特高压直流输电线路，将电能输送到经济发达的东部地区，这一计划将于 2020 年完成。而南方电网公司也在近期建设了两条特高压输电线路，预计到 2030 年，南方电网公司将建成 6 条 1000kV 交流和 2条800kV 直流的特高压输电线路。其中在直流输电工程方面，有云广800kV 直流输电工程；2020 年前后西部水电的大部分电力通过直流他高压通道向华中和华东地区输送，其中金沙江一期溪洛渡和向家坝水电站、二期乌东德和白鹤滩水电站向华东、华中地区送电，锦屏水电站向华东地区送电，宁夏和关中煤电基地向华东地区送电，呼伦贝尔盟的煤电基地向京津地区送电大约需要 9 条输电容量为 6GW 的
17、800kV 级特高压直流输电线路。根据十年发展规划，特高压直流输电工程的建设进度如下：2008-2011 年溪洛渡、向家坝水电站向华东地区送电的第一回哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -800kV 级直流输电工程将进入建设设施阶段，计划于 2011 年底投入运行。2013 年将建成溪洛渡、向家坝水电站向华中地区送电的第二回800kV 级直流输电工程。2014 年将建成锦屏一、二级电站向华东地区送电的800kV 级直流输电工程。2015 年将建成溪洛渡、向家坝水电站向华东地区送电的第三回800kV 级直流输电工程。 【9】 【11】1.1.2 换流变压器在直流输电系统中的地位和作用 直流输电与交
18、流输电相互配合构成现代电力传输系统。目前电力系统中的发电和用电绝大部分均为交流电，要采用直流输电必须进行换流。也就是说，在送端需要将交流电变换为直流电(整流)，经过直流输电线路将电能送往受断；而在受断又必须将直流电变换为交流电（逆变） ，然后才能送往到受端的交流系统中去，供用户使用。实现整流和逆变的装置分别称为整流器和逆变器，他们统称为换流器。由此可见，换流器在高压直流输电系统中充当着重要的角色。它既是高压直流输电系统的关键设备，也是交、直流输电系统连接两端换流站和逆变站的核心设备，又是高压直流输电系统的技术难点所在。目前全世界范围正式投入运行的换流变压器的电压等级为500kV 及以下，800
19、kV 及以上的特高压换流变压器还没有正式挂网运行。上世纪九十年代以前，我国的换流变压器主要靠进口，九十年代后靠引进和消化吸收国外生产技术，缩小了我国与世界先进水平的差距。但换流变压器在制造中仍有许多关键技术为得到充分解决。在电气领域内，针对换流变压器的制造研究也越来越多。由于我国的直流输电系统应用比较晚，所以对换流变压器的研究也比较晚。在上个世纪 90 年代至本世纪初，西安交通大学、沈阳工业大学等单位，开始针对换流变压器内部电场分布开展研究；西安变压器厂、沈阳变压器厂和湖北电力研究所等单位针对换流变压器实验方法的研究。直至今日，换流变压器的研究已成为各大高校、各大研究所的重点研究课题。这些研究
20、内容主要集中于换流变压器的内电场分布分析、换流变压器的实验方法、换流变压器的谐波损耗与发热、换流变压器噪声及抑制等方面。1.2 换流变压器实际耐受电压与试验方法由于换流变压器处于交直流转换的核心位置，其所承受的电压与普通电力变压器也有所不同，如表 1-1 所示：哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -表 1-1 换流变压器与电力变压器所受电压对比表由于所受电压不同，其试验方法与电力变压器也有所不同，对换流变压器的实验方法可分为如下几类：（1）负载损耗试验测量。负载实验要用正弦波电流，为了建立运行条件下的损耗，要求进行二种损耗测量，一种是额定频率，另一种是频率不低于 150Hz，以此作为计算（2）介
21、质试验。介质实验的目的是证明换流变压器按规定的线、阀绕组绝缘要求，完成了设计和制造。包括如下实验内容：试验温度。当进行外施电压试验时，油温应为（2010）。操作冲击。当规定做操作冲击电压试验时，应按 IEC 763 第 14节加到峰值。绕组试验要加外施电压，绕组末端要练在一起，操作冲击加在绕组和地之间，其他绕组非被试端都要接地。操作冲击不施加于跨阀绕组。雷电冲击。雷电冲击试验如 IEC 763 第十二节所述，试验施加于绕组各端。直流耐压试验。直流电压试验为出场试验。需用正极性。非 被试端子均要牢固接地，所有套管在试验前最少接地 2 小时，并且换流变压器绝缘结构加标准电压是许可的，电压 1min
22、 内升到试验电压，停留120min，然后在不大于 1min 内降到零，在整个直流耐压试验中测局放，局放的检测按 IEC 763 附录 A 的推荐采用。局放测量按 IEC 763 附录 A，测量仪器在 IEC 270 中作了规定。极性反转试验。套管试验前最少接地 2h，并且换流变压器的绝缘结构加较低电压时许可的。试验要做二次极性反转，试验程序为负极性90min 接着正极性 90min 及最后负极性 45min。从一个极性到另一个极性反转完成时间在 2min 内。整个试验期间要监视局方量，局放的声测按所受电压类型交流电压 雷电冲击电压操作冲击电压直流电压 极性反转电压电力变压器有 有 有 无 无换流变压器有 有 有 有 有
