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基于功率变频器的高压测试系统用于电压互感器的局部放电测试

摘 要

本文介绍了基于高压变频器的高压（HV）测试系统的开发以及电压互感器（PT）的局部放电（PD）测试。带有适当滤波器的转换器在HV和PD测试中用作与HV变压器连接的低压源。该转换器由一个三相整流器和一个基于脉宽调制（PWM）并采用单极开关技术的功率转换器组成。HV和PD测试中的关键问题在于，电压开关的上升和下降速率很高的转换器始终会产生高噪声电平，从而影响PD测试中的背景噪声。在某些局部放电测试中，噪声水平高于高压设备（如PT和配电变压器）中局部放电测试要求的可接受水平。如果可以开发基于功率变频器的高效PD测试系统进行此类测试，将是有利的。本文对适当的滤波器进行了分析和开发，以满足以下要求：对测试对象施加的HV差（均方根电压和峰值电压/2）及其总谐波失真应小于5％，并且PD测试中的背景噪声水平应小于相关标准规定的此类HV设备的可接受PD水平的一半。在油型PT的情况下，可接受的PD水平仅为5pC，因此很难找到一种满足此要求的低成本商用变频器。为了验证开发的系统，已对开发的 转换器的性能特性进行了研究，包括PD测试中的背景噪声，HV测试变压器侧的输出电压 的总谐波失真以及输入功耗。分析了该系统的特点，实验结果与仿真结果吻合较好。开 发的系统可以产生满足标准要求的高质量输出电压。在40kV均方根的测试电压下，总谐波失真电压（THDv）小于2％，背景噪声小于2.5pC。此外，研究了合适的开关频率和振幅调制指数（ma），发现从1到20 kHz的开关频率以及ma为0.8和1不会影响背景噪声电平或噪声。自输入功率以来，从1到4 kHz的开关频率和ma为1是最佳条件而且消费是最低的。此外，已开发的系统已经在实际PT的部分测试中进行了测试，并且发现是可行的。凭借其令人鼓舞的性能，开发的系统是用于HV和PD测试的诱人选择。

关键词：低通滤波器；高压测试；电压互感器；PWM变频器

介绍

最重要的高压（HV）测试是验证HV设备在设计和施工过程中的性能。此类测试的示例包括绝缘耐压测试，功率损耗测量，介电损耗测量和局部放电（PD）测量。

根据IEC 60270：2000，(1)PD定义为局部放电，它们仅部分桥接导体之间的绝缘层，它们是由绝缘层或绝缘层表面的局部电应力集中引起的。通常，这种放电表现为持续时间小于1 micro;s的脉冲。PD测量是用于评估绝缘性能和寿命的最重要测试。PD分为三种主要类型。第一种PD，称为电晕放电，可能发生在具有锋利边缘和高电场应力的区域。第二种类型源自内部绝缘材料的缺陷，例如气泡和空隙。如果这些缺陷的绝缘水平低于主要绝缘材料，则在足够的电场应力下，可能会发生PD。最后一种PD类型，称为表面放电，发生在两种材料之间的边界处。作为生成用于HV测试的HV的最简单方法，将(2)与低压电网或发电机的电源相连的稳压器应用于低压侧的HV测试变压器。来自变压器的HV施加到测试对象。由于电力电子应用设备的非线性特性，会在电气系统中产生干扰，有时会引起电能质量问题。根据IEC 60060-1(3)，测试电压应为几乎纯正弦波形，其中

THDv，由等式定义。

（1）和不同的电压（DV;峰值电压除以电压）应小于5％

thd_v

 1

Vp

(1)

1

50

V 2

pi

i2

这里，Vp1是基频的峰值电压，Vpi是第i谐波频率的峰值电压。图1显示了在HV测试期间施加到电压互感器（PT）和PD模式的测试电压。发现DV和THDv高于5％。为避免电压失真并满足标准要求，系统上还安装了电压滤波器，仪器和设备应手动移动，组合，接线和断开多次，并应经常颁发证书等，从而消耗了人力和物力资源丰富，劳动强度高，工作效率低。针对手动验证方式的弊端，提出了一种多站式低压电流互感器自动验证系统的设计方案。

为了进行PT的HV测试并确认测试对象的绝缘性能，必须将电压升高到高于额定电压。如果在测试中使用具有额定频率的施加的测试电压，则可能会发生PT的磁芯饱和，并且施加的电压可能会失真。为了更好地理解，应举一个例子。

图1（在线显示颜色）HV测试期间测试电压波形和PD模式

图2（在线涂色）PT的PD测试的电压施加程序

对于额定电压（Ur）为24kV的PT的PD试验，将耐压（Ut）为80％的预应力条件施加到PT，然后将测试电压设为降低至1.2Ur（28.8kV）的水平以记录PD活性。PD测试中施加电压的过程如图2所示。因此，通过施加频率高于PT额定频率的电压可以避免PT铁芯的饱和。如果将功率频率为50 Hz的电压施加到PT的HV侧，则PT的饱和效应会影响所施加电压波形的失真，如图1所示。DV和THDv为高于5％。因此，为了避免磁芯饱和效应，在测试中必须使用频率高于电源频率两倍的测试电压。对于额定频率分别为50和60Hz的所有PT，200Hz的频率是一个很好的选择。

如今，电力电子技术已应用于许多实际领域，例如家用电器，汽车和交易，可再生能源以及高压输配电系统。在用于测试的高压发电中，电力电子转换器是用于AC/DC，DC/AC和AC/AC电源转换的强大而有效的工具。但是，在PD测试中应用功率转换器的关键问题是源自功率电子设备快速切换的干扰信号。这会导致PD检测系统的背景噪声远高于可接受的水平。例如，在用油绝缘的PT的PD测试中，可接受的PD水平仅为5pC。

因此， 测试包括PD检测系统的系统的背景噪声水平应低于可接受的PD水平（2.5pC）的50％。大多数商用电源转换器都具有一个额外的滤波器，用于消除不希望的谐波电压并获得接近纯正弦波的电压波形。但是，滤波器无法完全消除PD测量中的干扰，导致PD测试中的背景噪声高于可接受水平。在本研究中，分析，设计，开发了由电力变频器，附加滤波器，高压变压器和局放检测系统组成的局放检测系统。测试以确认PT的PD测试的有效性。

用于开发PD测试的HV测试系统

具有图3所示等效电路的已开发系统由一个功率变频器，一个附加滤波器，一个HV测试变压器和一个PD检测系统组成。

电力变频器

如图4所示，开发了基于H桥配置的功率变频器。该转换器由整流器和通过单极性脉冲宽度调制（PWM）技术控制的H桥绝缘栅双极晶体管（IGBT）组成。

如表1所示，单极性PWM技术(4–7)基于四个控制开关S1，S2，S3和S4的操作。交流输出电压波形可以瞬时获取以下三个电压电平之一： V 直流电，-V直流电或0。

图3（在线彩色）PD测试系统

图4（在线彩色）HV源电源转换器发电机

受控和交流参考电压波形如图5（a）所示，输出信号如图5（b）所示。

PD检测系统

研发的PD检测系统由与测量阻抗[耦合设备（CD）]串联连接的耦合电容器（Ck）组成。选择电容Ck为1nF，并设计测量阻抗，使其具有图6所示等效电路的带通特性和低和高截止频率为30 kHz的传输阻抗特性和20 MHz，如图7所示。

表格1全桥单相电压源逆变器单极PWM中的开关状态。

• • 1. (b)

图5（在线显示颜色）从PWM转换器生成的PWM波形

（a）单极转换器中的PWM （b）功率转换器的输出波形

图6（在线彩色）被测阻抗或CD的等效电路

图7 在频域中测量阻抗的传输阻抗

带有HV测试变压器的PD检测系统的等效电路如图8所示。输出电压的传递函数（V出/ V在） 可以如图9所示计算。该传递函数具有低通滤波器的特性。截止频率约为1200 Hz。注意， 额定值为460 V / 75kV和40kVA的HV测试变压器的总阻抗被传输到变压器的HV侧。电路参数如图8所示，被测PT(8,9)或被测物体可以用高阻抗很好地表示，对测试电路没有影响。当将2.5pC的模拟脉冲注入系统时，在PD测量端口检测到的峰值电压为5mV，如图10所示。为了更好地理解与PWM变频器协作的问题，我们应该考虑以下情况：在没有附加滤波器 的情况下向系统提供100 kHz的200 Hz PWM电压（开关频率为3.2 kHz），如图2所示，被测物体两端的电压振荡很小，有必要设计一种低压电流互感器综合测试系统，以克服 上述缺点。对到达的低压电流互感器进行采样测试，并评估其综合性能，从而一方面确 保测量精度，另一方面提高了转换验证的工作效率。所有测试均配合使用标准电流互感 器，逆变器和升压变压器。工频电压信号采样板通过第一高压继电器驱动板和第二高压 继电器驱动板驱动第一高压继电板和第二高压继电板。提出了变压器自动检定系统设计 方案，以解决现有技术的弊端。通过变压器综合测试控制柜和变压器综合测试台，对低压电流互感器进行综合测试，使用方便，运行效率高。如图11所示，其THD为0.93％。PWM电压还会影响PD测量端口上的电压，如图12所示，该电压显示的峰值电压为570mV，远高于使用2.5pC模拟脉冲获得的峰值电压（5mV）。因此，在实际操作中，PD测试需要采用减轻PWM变频器干扰的方法。本文建议在HV测试变 压器的LV侧连接附加滤波器。(10)对附加滤波器的分析将在下一部分中介绍。

图8（在线彩色）PD测试系统的等效电路，不带附加滤波器

图9（在线彩色）不带附加滤波器的输出电压传递函数

图10 在向系统注入2.5pC模拟脉冲的情况下，PD测量端口的电压

图11（在线彩色）输入和输出电压波形 图12（在线彩色）在向系统提供100kV PWM电压

的情况下，PD测量端口的电压

附加过滤器

为了减少转换器切换产生的噪声信号，需要一个额外的滤波器。滤波器的目的是在不衰减基频电压的情况下消除不希望的谐波输出电压，并消除PD输出端口处的不希望的干扰。在这项工作中，附加滤波器由电阻器（R加），电感器（L加）和电容器（C加）组成。它连接到测试变压器的低压侧。在这项研究中，选择了这个额外的简单滤波器来降低噪声。该滤波器的性能足以将背景噪声降低到适合所有HV设备的PD测试的水平。等效电路和传输到测试变压器HV侧的电路参数如图13所示。请注意，LV侧的连接电容1和16micro;F相当于HV侧的连接电容0.038和0.6nF。计算出衰减率（V/ V在），其结果如图14所示。从图9和14可以看出，具有16micro;F附加电容（HV侧为0.6nF）的附加滤波器

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