一种测量高压自愈式电容器自愈能量的装置和方法与流程

本发明涉及电力检测技术领域,并且更具体地，涉及一种测量高压自愈式电容器自愈能量的装置和方法。

背景技术：

随着对环境保护的日益重视，风力、光伏等新能源发电方式在能源发展战略中的地位越来越重要，为满足新能源发展的需要，提供高质量稳定的电能，大力发展柔性直流输电技术势在必行。柔性直流输电技术具有抑制谐波、减少无功补偿容量、不会出现换相失败故障等优点，代表了输配电技术新的发展趋势。

直流支撑电容器，又称dc-link电容器，其应用于柔性直流输电中，主要是吸收来自于逆变器向dc-link索取的高幅值脉动电流，阻止其在dc-link的阻抗上产生高幅值脉动电压，使逆变器端的电源电压波动保持在允许范围；同时防止来自于dc-link的电压过冲和瞬时过电压对逆变器的影响。近年来，金属化薄膜的高压自愈式电容器以其优越的电性能在dc-link应用场合得到了广泛的应用。

高压自愈式电容器是由电容器芯子、外壳、套管、铜箔引线、绝缘灌封胶(如聚氨酯)和其他附属件组成。电容器芯子由若干电容元件组合而成，电容元件是构成电容器的核心单元。图1为高压自愈式电容器电容元件的结构示意图。如图1所示，所述电容元件由一定厚度和层数的金属化聚丙烯薄膜101围绕聚碳酸酯绝缘芯棒102卷绕而成，而金属化膜103是将纳米级厚度的金属电极采用真空蒸镀的方式附着到介质薄膜上形成的。在元件的端部采用喷金工艺生成喷金层104，以实现电容器电极的引出。多个电容元件通过焊接铜箔引线，串、并联起来从而形成整个电容器芯子。

高压自愈式电容器与常规的全膜电容器的主要区别在于其电极很薄，薄的金属化电极使其具有了自愈特性。高压自愈式电容器以有机薄膜作为储能介质，由于膜在生产过程中不可避免的带有缺陷或杂质，使得这些区域的耐电强度低于周围的耐电强度，这些区域被称之为电弱点。随着外施电压的升高，电弱点处的薄膜会首先击穿，形成短路点，与故障元件相并联的其他完好元件以及故障元件自身储存的能量都会经击穿点产生放电，形成放电通道。由于高压自愈式电容器电极很薄，短路击穿电流引起局部的高温使击穿点处的薄金属层迅速蒸发、向外扩散并使绝缘恢复，因此局部击穿不会影响到整个电容器，这一过程称为“自愈”。自愈成功后的电容器又能继续可靠工作。高压自愈式电容器的自愈特性在很大程度上防止了由于单个电弱点击穿引起的电容器失效，大大延长了电容器的使用寿命。

在高压自愈式电容器元件设计中，自愈能量是重要的技术指标，它与金属化电极的结构类型、材料的成分及元件的工作电压密切相关，选取合适的自愈能量是高压自愈式电容器是否具有优良自愈性能的关键步骤。由于自愈过程是在元件内部二层电极间完成的，流过自愈点的放电电流仅在电容器内部流通，难以通过测量该放电电流的方法测量自愈能量，因此目前在高压自愈式电容器元件设计中，一般采用仿真的方法对自愈能量进行计算，而在试验中无法进行校核验证，这就可能导致自愈能量的设计计算值与真实值之间存在偏差，从而无法保证高压自愈式电容器自愈性能，带来自愈失败的安全隐患。

技术实现要素：

为了解决现有技术中采用仿真的方法对高压自愈式电容器的自愈能量进行计算，容易导致自愈能量的计算值与真实值之间存在偏差，从而致使自愈失败的技术问题，本发明提供一种测量高压自愈式电容器自愈能量的装置，所述装置包括：

充电单元，其用于对储能单元进行充电，其通过第一高压开关与储能单元连接；

储能单元，其一端分别与第一高压开关和第二高压开关的一端连接，用于通过充电单元进行充电储能，并对高压自愈式电容器进行放电使其自愈；

第一高压开关，其位于充电单元和储能单元之间，用于控制充电单元对储能单元进行充电，其中，当所述充电单元对储能单元进行充电时，所述第一高压开关闭合，所述第二高压开关断开；

第二高压开关，其位于储能单元和接口单元之间，用于控制储能单元对高压自愈式电容器进行放电，其中，当所述储能单元对高压自愈式电容器进行放电时，所述第一高压开关断开，所述第二高压开关闭合。

进一步地，所述装置还包括电流测量单元，其用于在储能单元放电时，测量记录放电电流。

进一步地，所述装置还包括分压器，其与储能单元连接，用于测量储能单元的直流电压。

进一步地，所述装置还包括接口单元，其用于在测量高压自愈式电容器自愈能量时，接入所述高压自愈式电容器试品。

进一步地，所述充电单元包括：

调压器和变压器，其用于根据储能单元的产品参数调节输出电压以产生交流电能；

整流元件，其用于将变压器输出的交流电能转换为直流电能以提供给储能单元。

进一步地，所述接口单元接入的高压自愈式电容器试品采用单个电容元件结构。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种利用本发明所述的测量高压自愈式电容器的自愈能量的装置测量高压自愈式电容器自愈能量的方法，所述方法包括：

闭合第一高压开关，断开第二高压开关后，通过充电单元为储能单元进行充电储能，并根据所述储能单元电压u1确定储能单元放电前的能量w1；

断开第一高压开关，闭合第二高压开关后，通过储能单元对高压自愈式电容器放电使其发生自愈；

根据高压自愈式电容器自愈完成，击穿点被完全隔离后储能单元的电压u2确定储能单元放电后剩余的能量w2；

根据预先确定的回路等效串联电阻阻值和储能单元对高压自愈式电容器放电时测量的放电电流波形确定回路等效串联电阻消耗的能量w3，其中，所述回路是储能单元、第二高压开关和接口单元构成的测量高压自愈式电容器自愈能量的回路；

计算储能单元放电前的能量w1减去放电后的剩余能量w2和回路等效串联电阻消耗的能量w3的差值wz，所述差值wz即为高压自愈式电容器自愈能量。

进一步地，所述方法在闭合第一高压开关，断开第二高压开关后，通过充电单元为储能单元进行充电储能之前还包括确定回路等效串联电阻阻值，其中：

将接口单元的接入点短接，闭合第一高压开关，由充电单元给储能单元充电，充电完成后，断开第一高压开关，并测量储能单元的电压，则所述储能单元存储的能量w0的计算公式为：

式中，c0是储能单元的电容量，u0是储能单元上的电压；

闭合第二高压开关，将储能单元通过外接线路放电，直至储能单元上的电压降为0，此时储能单元所存储的能量w0全部由回路等效串联电阻消耗，在放电过程中测量记录放电电流i0(t)波形，则回路等效串联电阻所消耗的能量w0的计算公式为：

式中，r0是回路等效串联电阻阻值；

回路等效串联电阻阻值r0的计算公式为：

进一步地，所述计算储能单元放电前的能量w1减去放电后的剩余能量w2和回路等效串联电阻消耗的能量w3的差值wz的计算公式为：

wz＝w1-w2-w3

式中，c0是储能单元的电容量，i1(t)是储能单元对高压自愈式电容器放电时的放电电流波形,u1是放电前储能单元上的电压，u2是放电后储能单元上的剩余电压。

进一步地，所述方法中的高压自愈式电容器试品采用单个电容元件结构，并在所述电容元件上预先设置短路点。

本发明技术方案提供的测量高压自愈式电容器自愈能量的装置和方法通过短路试验确定所述装置的回路等效串联电阻，然后在接口单元接入高压自愈式电容器试品后，通过充电单元对储能单元充电储能确定储能单元放电前的能量，再通过储能单元对高压自愈式电容器放电使其发生自愈，并在自愈完成后计算储能单元放电后剩余能量以及回路等效串联电阻消耗的能量来确定高压自愈式电容器的自愈能量。所述测量高压自愈式电容器自愈能量的装置和方法能实现试验条件下对高压自愈式电容器自愈能量的测量，从而通过测量值对高压自愈式电容器的参数设计值进行校核，以改进和优化设计参数，提高产品的运行可靠性。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明优选实施方式的高压自愈式电容器电容元件的结构示意图；

图2为根据本发明优选实施方式的测量高压自愈式电容器自愈能量的装置的结构示意图；

图3为根据本发明优选实施方式的测量高压自愈式电容器自愈能量的方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图2为根据本发明优选实施方式的测量高压自愈式电容器自愈能量的装置的结构示意图。如图2所示，本优选实施方式所述的测量高压自愈式电容器自愈能量的装置200包括：

充电单元201，其用于对储能单元202进行充电，其通过第一高压开关203与储能单元202连接。

储能单元202，其一端分别与第一高压开关203和第二高压开关204的一端连接，用于通过充电单元201进行充电储能，并对高压自愈式电容器进行放电使其自愈。

由于储能单元的放电是快速脉冲放电过程，为满足要求，储能单元为电容器，为保证高压自愈式电容器试品产生完全自愈，电容器电容量应尽可能大，以储存足够的放电能量，同时应该能承受试验时的充电电压。

在本优选实施方式中，所述储能单元是储能电容器，其电压可根据高压自愈式电容器的参数进行调整。另外，为了保证储能电容器提供足够的放电能量是高压自愈式电容器试品发生完整的自愈过程，储能电容器的容量应该远远大于高压自愈式电容器试品的容量。

第一高压开关203，其位于充电单元201和储能单元202之间，用于控制充电单元201对储能单元202进行充电，其中，当所述充电单元201对储能单元202进行充电时，所述第一高压开关203闭合，所述第二高压开关204断开。

第二高压开关204，其位于储能单元202和接口单元205之间，用于控制储能单元202对高压自愈式电容器进行放电，其中，当所述储能单元202对高压自愈式电容器进行放电时，所述第一高压开关203断开，所述第二高压开关204闭合。

在本优选实施方式中，所述第一高压开关和第二高压开关可以试高压断路器，或者高压接触器。

接口单元205，其用于在测量高压自愈式电容器自愈能量时，接入所述高压自愈式电容器试品。所述接口单元包括接线端子和引出导线。

电流测量单元206，其用于在储能单元202放电时，测量记录放电电流。所述电流测量单元可以试带有波形记录功能的记录仪或者示波器。

分压器207，其与储能单元202连接，用于直流202的电压。分压器的类型可以是电阻式，也可以是阻容式。

优选地，所述充电单元201包括：

调压器211和变压器212，其用于根据储能单元202的产品参数调节输出电压以产生交流电能；

整流元件213，其用于将变压器输出的交流电能转换为直流电能以提供给储能单元。

根据高压自愈式电容器试品参数的不同，所需的自愈能量也不同，因此，需要调节充电单元的充电电压来控制储能单元上储能的大小，因此，充电单元可进一步包括变压器、调压器和整流元件打三个部分。所述变压器可以是工频试验变压器，整流元件可以是整流二极管或者桥式整流电路。其中，调压器接在变压器的输入端，通过其调节变压器输出的工频电压，经过整流元件整流后变成直流电压，从而实现对充电电压的控制。

优选地，所述接口单元205接入的高压自愈式电容器试品采用单个电容元件结构。高压自愈式电容器试品采用单个电容元件结构是为了避免发生多点自愈，从而影响测量结果。

图3为根据本发明优选实施方式的测量高压自愈式电容器自愈能量的方法的流程图。如图3所示，本优选实施方式所述的测量高压自愈式电容器自愈能量的方法300从步骤301开始。

在步骤301，确定回路等效串联电阻阻值，其中：

将接口单元的接入点短接，闭合第一高压开关，由充电单元给储能单元充电，充电完成后，断开第一高压开关，并测量储能单元的电压，则所述储能单元存储的能量w0的计算公式为：

式中，c0是储能单元的电容量，u0是储能单元上的电压；

闭合第二高压开关，将储能单元通过外接线路放电，直至储能单元上的电压降为0，此时储能单元所存储的能量w0全部由回路等效串联电阻消耗，在放电过程中测量记录放电电流i0(t)波形，则回路等效串联电阻所消耗的能量w0的计算公式为：

式中，r0是回路等效串联电阻阻值；

回路等效串联电阻阻值r0的计算公式为：

在步骤302，闭合第一高压开关，断开第二高压开关后，通过充电单元为储能单元进行充电储能，并根据所述储能单元电压u1确定储能单元放电前的能量w1；

在步骤303，断开第一高压开关，闭合第二高压开关后，通过储能单元对高压自愈式电容器放电使其发生自愈；

在步骤304，根据高压自愈式电容器自愈完成，击穿点被完全隔离后储能单元的电压u2确定储能单元放电后剩余的能量w2；

在步骤305，根据回路等效串联电阻阻值和储能单元对高压自愈式电容器放电时测量的放电电流波形确定回路等效串联电阻消耗的能量w3，其中，所述回路是储能单元、第二高压开关和接口单元构成的测量高压自愈式电容器自愈能量的回路；

在步骤306，计算储能单元放电前的能量w1减去放电后的剩余能量w2和回路等效串联电阻消耗的能量w3的差值wz，所述差值wz即为高压自愈式电容器自愈能量。

优选地，所述计算储能单元放电前的能量w1减去放电后的剩余能量w2和回路等效串联电阻消耗的能量w3的差值wz的计算公式为：

wz＝w1-w2-w3

式中，c0是储能单元的电容量，i1(t)是储能单元对高压自愈式电容器放电时的放电电流波形。

优选地，所述方法中的高压自愈式电容器试品采用单个电容元件结构，并在所述电容元件上预先设置短路点。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。