一种换流变压器放电特征试验系统的制作方法

本实用新型涉及换流变压器故障诊断技术领域，具体涉及一种换流变压器放电特征试验系统。

背景技术：

随着中国社会经济的腾飞和科技的不断进步，整个社会对电能的需求越来越大，因此电网规模不断的扩大。然而中国能源分布和经济发展存在严重不对称的问题，东部和南部经济发达能源少，西部能源丰富但经济较落后，因此将西部能源有效的输送到东部和南部，有助于国家经济的可持续发展。高电压直流输电技术因其在远距离大容量输送中优势明显，在中国的大地上已有多交超特高压直流输电系统投入运行。

换流变压器是高电压直流输电技术中最主要的一次电力设备，主要作用是提供特殊要求的电源，其主要参数由直流系统的特殊要求以及所联结的交流系统参数而确定。在整流站，用换流变压器将交流系统和直流系统隔离，通过换流装置将交流网路的电能转换为高压直流电能，送到高压直流输电线路；在逆变站，通过换流装置将直流电能转换为交流电能，再通过换流变压器转换为正常交流正弦电压，送到交流电网；从而实现交流输电网路与高压直流输电线路的联络。因此，换流变磁场分析在换流变设计、运行和故障分析中起着重要的作用。近年来换流变压器内部频发内部放电故障，虽然变压器油中色谱法能够有效发现内部的过热或放电故障，但仅能给出换流变内部可能的故障位置，并不能给出内部具体的放电类型。传统交流变压器已在放电测量方面做了大量的研究，但换流变承受交直流复合电压，放电特征与交流电压呈完全不一样特性，其故障诊断的特征并不能完全应用于直流换流变的放电故障诊断。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种诊断精度高的换流变压器放电特征试验系统。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种换流变压器放电特征试验系统，包括换流变压器放电特征试验装置、第一放电仪、第二放电仪以及第三放电仪；其中，

所述换流变压器放电特征试验装置包括

箱体，其内部充满变压油，在箱体的两侧面中分别安装有直流套管和交流套管；在箱体中分别设置有变压油进油口和出油口，进油口和出油口之间通过油管相连通；

放电模型，其设置于箱体内；放电模型的直流电极端和直流套管相电连接，交流电极端和交流套管相电连接，用以承受交直流复合电压，模拟换流变变压器正常与故障下的工况；

直流电压发生器，其通过引线和直流套管相电连接，用于产生直流电压并施加在放电模型的直流电极端，实现换流变变压器直流工况的模拟；

交流耐压设备，其通过引线和交流套管相电连接，用于产生交流电压并施加在放电模型的交流电极端，实现换流变变压器交流工况的模拟；

油循环泵，其安装于油管中，用以实现变压油在箱体和油管中循环；

加热箱，其安装于油管中，用以加热油管中的变压油；

在直流套管和交流套管的末屏上均分别电连接有结构相同的第一放电仪和第二放电仪，用于测量放电模型在交直流复合电压下的放电信号；

第三放电仪和箱体内的变压油相连接，用于放电模型在交直流复合电压下的放电信号在变压油中的传播测量强度。

所述放电模型为可更换的模型，包括换流变本体绝缘件内部气隙放电模型，用于模拟绝缘纸在生产制造过程中工艺控制不良造成的缺陷；换流变悬浮导体放电模型，用于模拟电位连接线接触不良，悬浮于换流变压器中产生的放电问题；以及，换流变本体绝缘件内部放电模型，用于模拟绝缘纸内部放电的问题。

所述换流变本体绝缘件内部气隙放电模型包括直流电极、交流电极以及内部设置有空腔且和直流电极和交流电极相接触的绝缘纸；其中，所述直流电极和直流套管相电连接，以对绝缘纸施加直流电压；交流电极和交流套管相电连接，以对绝缘纸施加交流电压。

所述换流变悬浮导体放电模型包括直流电极、金属环、绝缘纸以及交流电极；其中，所述金属环放置于绝缘纸的上表面上，直流电极和金属环之间存在间隙，直流电极和直流套管相电连接，以对绝缘纸施加直流电压；交流电极和绝缘纸的下表面相接触，交流电极和交流套管相电连接，以对绝缘纸施加交流电压。

所述换流变本体绝缘件内部放电模型包括直流电极、交流电极以及和直流电极和交流电极相接触的绝缘纸；其中，所述直流电极和绝缘纸相接触的那一端为针形状，直流电极和直流套管相电连接，以对绝缘纸施加直流电压；交流电极和交流套管相电连接，以对绝缘纸施加交流电压。

所述第一放电仪和第二放电仪均包括阻抗、信号采集器、信号放大器、信号滤波器、电流转换器以及示波器组成；其中，阻抗的一端和直流套管或交流套管的末屏相电连接，另一端接地，用于测量换流变压器放电特征试验装置放电的适配阻抗，以获取放电电压信号；信号采集器并接在第一阻抗的两端，以采集阻抗输出的放电电压信号；信号放大器和信号采集器的输出端相连接，以对信号采集器输出的放电电压信号进行放大；信号滤波器和信号放大器的输出端相连接，以过滤放大后放电电压信号中的干扰信号；电流转换器和信号滤波器的输出端相连接，以将过滤后的放电电压信号转换为放电电流信号；示波器和电流转换器的输出端相连接，以显示放电电流信号的波形和数据，提取放电特征；

所述第三放电仪的结构基本和第一放电仪以及第二放电仪相同，不同之处在于，还包括天线以及互感器，所述天线和箱体内的变压油相连接，用于探测变压器放电特征试验装置在交直流复合电压下的放电信号在变压油中的传播；互感器的一次侧和天线相连接，用于测量天线所感应出的放电信号，互感器的二次侧和阻抗相连接，以将放电信号传送至阻抗中。

在所述油管中还安装有油速计和取油口，所述油速计用于测量油管中变压油循环的流速，所述取油口用于实现对油管中的变压油放出，控制变压油与外界的交互。

所述直流电压发生器、交流耐压设备、箱体及油管都与大地连接，保持零电位；在所述箱体的底部安装有绝缘支，用于支撑箱体的全部重量，并保持箱体与大地间的绝缘性能。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果在于：

本实用新型的换流变压器放电特征试验系统能够开展换流变压器不同故障模式下的放电特征试验，也能提取换流变压器在交直流复合电压下放电特征，克服油中色谱法无法精确给出换流变内部具体放电类型存在的不足，也能给出不同放电特征下的特征，克服交流变压器放电特征不能完全应用交直流复合电压作用下换流变内部放电故障诊断的不足，对有效提升换流变压器其放电故障诊断精度以及对电力系统的安全稳定运行有着重要的意义，对电力供给保障有着重要的技术支持，同时带来重大的经济效益。

附图说明

图1为本实用新型换流变压器放电特征试验系统的结构示意图；

图2为换流变本体绝缘件内部气隙放电模型的结构示意图；

图3为换流变悬浮导体放电模型的结构示意图；

图4为换流变本体绝缘件内部放电模型的结构示意图；

图5为第一放电仪和第二放电仪的结构示意图；

图6为第三放电仪的结构示意图；

图中：1、第一放电仪；2、第二放电仪；3、第三放电仪；4、箱体；5、变压油；6、直流套管；7、交流套管；8、直流电压发生器；9、交流耐压设备；10、放电模型；11、油管；12、油循环泵；13、油速计；14、取油口；15、绝缘支柱；16、加热箱；20、直流电极；30、交流电极；40、绝缘纸；41、空腔；50、金属环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1所示，为本实施例提供的换流变压器放电特征试验系统的结构示意图，该系统包括换流变压器放电特征试验装置、第一放电仪1、第二放电仪2以及第三放电仪3；其中，该换流变压器放电特征试验装置包括箱体4，箱体4的内部充满变压油5，在箱体4的两侧面中分别安装有直流套管6和交流套管7，其中，该直流套管6通过引线和直流电压发生器8相电连接，交流套管7通过引线和交流耐压设备9相电连接，同时，在箱体4内放置有放电模型10，该放电模型10的直流电极端和直流套管6相电连接，交流电极端和交流套管7相电连接，如此，当直流电压发生器8工作时，其产生的直流高压则会施加在放电模型10的直流电极端，实现换流变变压器直流工况的模拟，当交流耐压设备9工作时，其产生的交流交流电压则会施加在放电模型10的交流电极端，实现换流变变压器交流工况的模拟，也就是说，该放电模型10将会承受交直流复合电压，并模拟换流变变压器正常与故障下的工况；此外，上述的直流套管6和交流套管7和箱体4都保持绝缘安全，以防止对放电模型施10加直流电压和交流电压时，直流套管6和交流套管7对箱体2网络放电。

另外，在箱体2中分别设置有变压油进油口和出油口，进油口和出油口之间通过油管11相连通；在油管11中安装有油循环泵12，用以实现变压油5在箱体4和油管11中循环，模拟换流变压器中变压油循环的过程，防止箱体4因变压油体积变化而造成箱体4的变形；由于变压油5是填充于箱体4和油管11之中的，因此可以保持交流套管7和直流套管6及放电模型10与箱体4之间的绝缘性能，防止试验中交流套管7和直流套管6及放电模型10对箱体4干扰放电特性测量，防止放电损坏整套系统。同时，在油管11中还安装有加热箱16，以实现对箱体4和油管11路中的变压油5进行加热，模拟正常运行中换流变导体发热对升温的过程。

在直流套管6和交流套管7的末屏上均分别电连接有结构相同的第一放电仪1和第二放电仪2，用于对放电模型10在交直流复合电压下的放电信号(即放电特征)进行测量；第三放电仪3和箱体2内的变压油5相连接，用于对放电模型10在交直流复合电压下的放电信号在变压油5中的传播强度进行测量。

由此可知，本实用新型的换流变压器放电特征试验系统能够开展换流变压器不同故障模式下的放电特征试验，也能提取换流变压器(放电模型)交直流复合电压下放电特征，克服油中色谱法无法精确给出换流变内部具体放电类型存在的不足，也能给出不同放电特征下的特征，克服交流变压器放电特征不能完全应用交直流复合电压作用下换流变内部放电故障诊断的不足，对有效提升换流变压器其放电故障诊断精度有着重要的意义，对电力系统的安全稳定运行有着重要的意义，对电力供给保障有着重要的技术支持，同时可带来重大的经济效益。

在本实施例中，上述的直流电压发生器8、交流耐压设备9、箱体4及油管11都与大地连接，保持零电位，以保证试验的安全和准确性。具体地，上述的直流套管6和交流套管7均采用的是广东长牛电气股份有限公司的YJZCG4型套管，直流电压发生器8采用的是苏州工业园区海沃科技有限公司的Z-GW-300kV/4mA–0.05％高稳定直流电压发生器，交流耐压设备9采用的是苏州工业园区海沃科技有限公司的HVFRF型自动调频串联谐振试验系统，加热箱16采用的是上海思浙电气有限公司的ZX28-80型，油循环泵12采用的是昆山奥兰克泵业制造有限公司的WF系列(高精密)高温漩涡泵。

具体的，上述的放电模型10为可更换的模型，也就是说可以根据不同的故障诊断来更换不同的放电模型，具体地，在本实施例中，该放电模型10包括换流变本体绝缘件内部气隙放电模型、换流变悬浮导体放电模型以及换流变本体绝缘件内部放电模型。

其中，如图2所示，该换流变本体绝缘件内部气隙放电模型包括直流电极20、交流电极30以及内部设置有空腔41且和直流电极和交流电极相接触的绝缘纸40；该直流电极20和直流套管6相电连接，以对绝缘纸40施加直流电压；交流电极30和交流套管7相电连接，以对绝缘纸40施加交流电压。通过在绝缘纸40的内部设置有空腔41(空腔主要空气)来模拟生产制造过程中工艺控制不良造成缺陷。

如图3所示，该换流变悬浮导体放电模型包括直流电极20、金属环50、绝缘纸40以及交流电极30；其中，该金属环50放置于绝缘纸40的上表面上，直流电极20和金属环50之间保持微小的间隙，以模拟换流变压器中螺丝、等电位连接线接触不良，悬浮于换流变压器中产生的放电；而该直流电极20和直流套管6相电连接，以对绝缘纸40施加直流电压；交流电极30和绝缘纸40的下表面相接触，交流电极30和交流套管7相电连接，以对绝缘纸40施加交流电压。

如图4所示，该换流变本体绝缘件内部放电模型包括直流电极20、交流电极30以及和直流电极20和交流电极30相接触的绝缘纸40；其中，不同于上述的两种放电模型，在本放电模型中，直流电极20和绝缘纸40相接触的那一端为针形状，可充分模拟换流变器内部场强集中的问题，进而造成绝缘纸40内部放电，实现换流变本体绝缘件内部放电的模拟；直流电极20和直流套管6相电连接，以对绝缘纸40施加直流电压；交流电极30和交流套管7相电连接，以对绝缘纸4施加交流电压。

具体地，如图5所示，上述的第一放电仪1和第二放电仪2均包括阻抗、信号采集器、信号放大器、信号滤波器、电流转换器以及示波器组成；其中，阻抗的一端和直流套管或交流套管的末屏相电连接，另一端接地，用于测量换流变压器放电特征试验装置放电的适配阻抗，以获取放电电压信号，采用的是采用南通江海电容器股份有限公司的CBB131型；信号采集器并接在第一阻抗的两端，以采集阻抗输出的放电电压信号；信号放大器和信号采集器的输出端相连接，以对信号采集器输出的放电电压信号进行放大，信号放大器采用的是深圳市鹏通电讯技术有限公司的PT-26信号放大器；信号滤波器和信号放大器的输出端相连接，以过滤放大后放电电压信号中的干扰信号，采用的是采用深圳市兴泰隆电子有限公司的ACH3218-103-TD01共模滤波器；电流转换器和信号滤波器的输出端相连接，以将过滤后的放电电压信号转换为放电电流信号，采用的是采用东芝半导体公司的TC75S54F运算放大器；示波器和电流转换器的输出端相连接，以显示放电电流信号的波形和电流值数据，用于提取放电特征，采用的是北京普源精电科技有限公司的DS6000数字示波器。由此，第一放电仪和第二放电仪能达到如下的性能指标：

检测灵敏度：≤0.1pC；

线性度误差：≤±3％；

采样速率：65MS/s；

量程换挡误差：≤±3％；

采样精度：12Bit；

脉冲分辨时间：1μs；

测量频带：下限10～80kHz，上限100～1000kHz；

检测阻抗：6pF～250μF；

增益：－20～40dB；

校准器：2～50000pC，上升沿＜60ns，下降沿＞100μs；

同步：方式有线、无线，频率30～300Hz，电压AC10～220V，精度0.01°，无线距离≥75m。

其中，如图6所示，上述第三放电仪3的结构基本和第一放电仪1以及第二放电仪2相同，不同之处在于，第三放电仪3还包括天线以及互感器。其中，该天线和箱体内的变压油相连接，用于探测变压器放电特征试验装置在交直流复合电压下的放电信号在变压油中的传播，当放电模型在交直流复合电压下放电在变压油中有放电时，天线上会感应出电压信号，该天线采用的是咏业科技股份有限公司的Combo Antenna型微型天线。而互感器的一次侧和天线相连接，用于测量天线所感应出的放电信号，互感器的二次侧和阻抗相连接，以将放电信号传送至阻抗中，互感器采用的是莱芜市科惠电子有限公司的KHCV3P1C测量用精密电流型电压互感器。

作为上述换流变压器放电特征试验系统的一种优选，在上述油管11中还安装有油速计13和取油口14；其中，该油速计用于测量油管中变压油循环的流速，以防止变压油循坏过快在放电模型中油流带电，采用的是江苏通达仪表有限公司的TD-F3L多普勒流速仪；该取油口用于实现对油管中的变压油放出，控制变压油与外界的交互。

作为上述换流变压器放电特征试验系统的另一种优选，在箱体4的底部安装有绝缘支柱15，用于支撑箱4体的全部重量，并保持箱体4与大地间的绝缘性能，以保证试验的安全以及试验结果的准确性。

下面结合一个实例来详细说明具体是如何运用本系统来诊断出换流变压器的故障位置以及类型：

(1)获得换流变本体绝缘件内部气隙放电模型的放电矩阵P

通过制作换流变本体绝缘件内部气隙放电模型150个，放入换流变压器放电特征试验装置的放电模型安装位置处中，通过直流电压发生器和交流耐压设备对流变本体绝缘件内部气隙放电模型进行交直流复合电压，通过第一放电仪、第二放电仪、第三放电仪测量放电信号，从放电仪11、放电仪12、放电仪13上的信号为每隔一毫秒获取一个电流值，第一放电仪、第二放电仪以及第三放电仪各自采集到3000个电流值，共计9000个电流值，将单个换流变本体绝缘件内部气隙放电模型第一放电仪、第二放电仪、第三放电仪的放电电流值依次写入矩阵P，P的大小为150×9000，该矩阵只有一列，该列中的1-3000个电流值为第一放电仪依次测量到的电流值；该列中的3001-6000个电流值为第二放电仪依次测量到的电流值；该列中的3001-6000个电流值为第二放电仪依次测量到的电流值；该列中的6001-9000个电流值为第三放电仪依次测量到的电流值。

(2)获得换流变悬浮导体放电模型的放电矩阵P1

通过制作换流变本体绝缘件内部放电模型150个，放入换流变压器放电特征试验装置的放电模型安装位置处中，通过直流电压发生器和交流耐压设备对换流变悬浮导体放电模型进行交直流复合电压，通过第一放电仪、第二放电仪、第三放电仪测量放电信号，从放电仪11、放电仪12、放电仪13上的信号为每隔一毫秒获取一个电流值，第一放电仪、第二放电仪以及第三放电仪各自采集到3000个电流值，共计9000个电流值，将单个换流变悬浮导体放电模型第一放电仪、第二放电仪、第三放电仪的放电电流值依次写入矩阵P1，P1的大小为150×9000，该矩阵只有一列，该列中的1-3000个电流值为第一放电仪依次测量到的电流值；该列中的3001-6000个电流值为第二放电仪依次测量到的电流值；该列中的3001-6000个电流值为第二放电仪依次测量到的电流值；该列中的6001-9000个电流值为第三放电仪依次测量到的电流值。

(3)获得换流变本体绝缘件内部放电模型的放电矩阵P2

通过制作换流变本体绝缘件内部放电模型150个，放入换流变压器放电特征试验装置的放电模型安装位置处中，通过直流电压发生器和交流耐压设备对换流变本体绝缘件内部放电模型进行交直流复合电压，通过第一放电仪、第二放电仪、第三放电仪测量放电信号，从放电仪11、放电仪12、放电仪13上的信号为每隔一毫秒获取一个电流值，第一放电仪、第二放电仪以及第三放电仪各自采集到3000个电流值，共计9000个电流值，将单个换流变本体绝缘件内部放电模型第一放电仪、第二放电仪、第三放电仪的放电电流值依次写入矩阵P2，P2的大小为150×9000，该矩阵只有一列，该列中的1-3000个电流值为第一放电仪依次测量到的电流值；该列中的3001-6000个电流值为第二放电仪依次测量到的电流值；该列中的3001-6000个电流值为第二放电仪依次测量到的电流值；该列中的6001-9000个电流值为第三放电仪依次测量到的电流值。

(4)计算放电特征提取的中心向量P4

依据换流变本体绝缘件内部气隙放电模型得到的放电矩阵P、换流变悬浮导体放电模型的放电矩阵P1、换流变本体绝缘件内部放电模型的放电矩阵P2，采用如下的公式来计算的放电矩阵放电特征提取的中心向量P4，P4向量的大小为1×9000。

P4_j为中心向量P4中第j列的数值，P_ij为矩阵P中第i行第j列的数值，

P1_ij为矩阵P中第i行第j列的数值，P2_ij为矩阵P中第i行第j列的数值。

(5)计算换流变压器试验装置放电特征的极距向量D

通过计算换流变本体绝缘件内部气隙放电模型的放电矩阵P、换流变悬浮导体放电模型的放电矩阵P1、换流变本体绝缘件内部放电模型的放电矩阵P2的每行数据分别与中心向量P4的几何极距，形成极距向量D，D的大小为1×3N，D_j为极距向量D第j列的数值；

其中，换流变本体绝缘件内部气隙放电模型的放电矩阵P的每行数据与中心向量P4的几何极距：

换流变悬浮导体放电模型的放电矩阵P1的每行数据与中心向量P4的几何极距：

换流变本体绝缘件内部放电模型的放电矩阵P2的每行数据分别与中心向量P4的几何极距：

通过比较发现：

当极距向量D的元素D_j的数值在数值在大于0且小于3.4时，数值特征为换流变本体绝缘件内部气隙放电，则表示换流变压器故障位置为绝缘纸；

当极距向量D的元素D_j的数值在大于3.4且小于9.8时，数值特征为换流变悬浮导体放电模型的放电，则表示换流变压器故障位置为电位连接线接触不良；

当极距向量D的元素D_j的数值在大于9.8时，数值特征为换流变本体绝缘件内部放电模型的放电，则表示换流变压器故障位置为绝缘纸内部放电。

如此，通过利用第一放电仪、第二放电仪以及第三放电仪对实际运行的换流变压器进行诊断测量，同样一共获得9000个电流值，并将第一放电仪、第二放电仪以及第三放电仪的放电电流值依次写入矩阵P5，矩阵P5的大小同样为1×9000，然后计算矩阵P5与中心向量P4的极距d：

式中，P5_j为中P5第j列的数据值

也就是说，只要d的值落入上述的对应的数值范围值时则表示对应的故障位置及类型，比如，当d的值为2.14时，则表示换流变压器故障位置为绝缘纸；当d的值为4时，则表示换流变压器中螺丝、等电位连接线接触不良；当d值为8.21时，则表示换流变压器的故障为内部场强集中。

由此可知，通过利用本系统可以精确地诊断出换流变压器的故障位置以及故障类型。

另外，为了保障诊断结果的准确性，上述放电模型的个数不少于150，每一放电仪获取电流值的频率为一毫秒、所采集到的电流值不低于3000个。

上述实施例只是为了说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本

技术实现要素：
的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。