第一章 緒論

1.1 課題研究的背景及意義
電力電抗器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，在線路中起到限流、無功補償、濾波等作用。隨著我國高壓輸電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)容量不斷增大，電壓等級不斷升高，造成了系統(tǒng)短路電流增大、功率因數(shù)偏低、諧波電流增加等問題，在輸電系統(tǒng)的適當(dāng)位置安裝合適的電抗器能夠有效解決上述問題。與鐵心電抗器相比，空心電抗器具有價格低廉、安裝靈活、電感線性度好、參數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點，因此獲得廣泛應(yīng)用[1] [2]。對于電抗器特別是大型超高壓電抗器, 其有功損耗是電氣特性的一項重要參數(shù)，有功損耗使電抗器在運行過程中消耗大量的電能, 并產(chǎn)生熱量, 導(dǎo)致電抗器溫度升高, 直接影響其運行特性及使用壽命。同時，隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展，電力系統(tǒng)負(fù)載增加，系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷及沖擊性、波動性負(fù)荷使得電網(wǎng)波形發(fā)生畸變，即實際電路中負(fù)載的電壓電流不是標(biāo)準(zhǔn)正弦波。因此,采取適當(dāng)方法， 測量電抗器在正弦信號和非正弦信號的有功損耗，驗證電抗器的溫升，評價其性能并改進設(shè)計，無論從經(jīng)濟效益還是從安全生產(chǎn)角度來看,都有十分重大的意義[3] [4]。
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1.2 電力電抗器損耗測量技術(shù)研究現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)專門針對空心電力電抗器損耗測量的研究不多，在工程實踐中，對于空心電力電抗器損耗的測量，主要是采用一些傳統(tǒng)方法或參照國外研究作適當(dāng)?shù)母倪M進行測量。國內(nèi)關(guān)于空心電力電抗器損耗測量研究性的文獻(xiàn)并不多，主要是一些操作方法上敘述性的資料。相比之下，國外在這方面的研究要深入得多，典型代表是加拿大國家研究院的研究，自上世紀(jì)七十年代起就專門針對超大容量超低損耗的電抗器損耗測試進行了研究，該研究院的思路主要是基于比較法并結(jié)合數(shù)字算法技術(shù)，經(jīng)過幾十年的努力也取得了重大研究成果，并建立起了該方向的計量標(biāo)準(zhǔn)[5]。總的來說，有關(guān)于電力電抗器損耗測量的方法及研究內(nèi)容主要包括傳統(tǒng)的電抗器損耗測量、非正弦波下有功功率（損耗）計量、低功率因數(shù)表的研制等幾個方面。熱計量法是在完全熱平衡狀況下, 比較電力電抗器冷卻器安裝處的流量、溫差, 以測量損耗。冷卻器一般采用油循環(huán)水冷式冷卻器, 由冷卻水或油的出入口的溫差和流量來推算出損耗值[6]。測量時電力電抗器要至于隔熱箱中，并要防止電力電抗器外殼配管等處的熱擴散, 同時對溫差和流量的測量精度要求較高。此種方法結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，操作麻煩，但卻是公認(rèn)的測量結(jié)果比較可靠的方法之一，因此熱計量法是在其他測量方法難于進行的情況下, 或者是為了驗證其他測量方法的準(zhǔn)確性時才采用，此種方法的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計及操作，國內(nèi)外沒有相關(guān)文獻(xiàn)具體報導(dǎo)。對于空心電力電抗器，由于結(jié)構(gòu)上的特殊性，該方法并不適用。
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第 2 章 空心電抗器的損耗構(gòu)成及分析

2.1 空心電抗器結(jié)構(gòu)特點
干式空心電抗器由多個并聯(lián)的同軸繞組包封組成，每個包封是由多層線圈并聯(lián)組成，每層線圈是由數(shù)根小截面金屬導(dǎo)線并繞而成，每根導(dǎo)線上包有玻璃絲或聚酯薄膜作為絕緣。采取多層線圈并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，既可降低繞組渦流損耗，又可使各導(dǎo)線中的電流密度趨向平衡，使得層與層之間的環(huán)流很小。空心電抗的包封與包封之間用聚酯玻璃絲作為撐條，形成包封之間的絕緣和散熱通道。包封導(dǎo)線焊接在鋁制星形架上，星形架除作電氣連接作用外，還起壓緊線圈作用，從而使電抗器具有很高的機械強度以及整體穩(wěn)定性。電抗器的安裝通過非磁性金屬底座和支柱絕緣子支撐繞組完成。其結(jié)構(gòu)安裝圖見圖 2-2。干式高壓空心電抗器的特殊結(jié)構(gòu)，使其具有如下特點：1)以空氣為導(dǎo)磁介質(zhì)，電感值不隨電流變化而變化，不存在磁飽和現(xiàn)象；2)散熱性好，熱點溫度低；3)繞組采用多股小截面圓導(dǎo)線平行繞制，有效的降低了渦流損耗 4)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，外表面涂有抗老化、抗紫外線絕緣漆，能長期在戶外運行，維護方便[27]。電抗器在運行過程中，繞組內(nèi)電流主要為負(fù)載電流，此外，還存在著由交變磁場作用而產(chǎn)生的電流，即在每根導(dǎo)線內(nèi)存在渦流和在并聯(lián)支路間存在著環(huán)流，渦流和環(huán)流在繞組內(nèi)閉合，不流出繞組。與之對應(yīng)的，電抗器內(nèi)的有功損耗主要包括電抗器繞組中電阻損耗、渦流損耗、環(huán)流損耗[28]。
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2.2 空心電力電抗器損耗構(gòu)成分析
渦流損耗是漏磁通穿過繞組導(dǎo)體，在導(dǎo)體內(nèi)部形成渦流而產(chǎn)生的損耗。渦流損耗與導(dǎo)線電導(dǎo)率、頻率、導(dǎo)線在垂直漏磁場方向的尺寸平方以及漏磁感應(yīng)強度成正比,與電流密度成反比[29]。因此，工業(yè)上采用小截面多股絕緣導(dǎo)線繞制電抗器繞組，減少導(dǎo)線在垂直磁場方向上的尺寸，達(dá)到減小渦流損耗的目的。由于繞制電抗器的圓導(dǎo)線線規(guī)通常很小，所以渦流損耗占總損耗的比例不大。由于渦流損耗與頻率有關(guān)，因此，當(dāng)流過電抗器的電流為非正弦波電流時，在電抗器中所產(chǎn)生的渦流損耗實際上是與電流的波形有直接關(guān)系。這也就是為什么在實際測量中，要盡量使流過電抗器的電流波形與電抗器實際工作時的電流波形一致的主要原因。從這個意義上講，對于平波電抗器損耗測量而言，目前規(guī)范所規(guī)定的分別測量直流損耗和諧波損耗，然后綜合給出電抗器總損耗的辦法是不科學(xué)的。應(yīng)該給平波電抗器施加與其工作電流波形一致的電流進行損耗的測量才是比較科學(xué)的。對于大電流大容量的空心電抗器，為了滿足應(yīng)用要求，必須增大繞組的層數(shù)及數(shù)圈匝數(shù)。由于空心電抗器在加工生產(chǎn)過程的任何環(huán)節(jié)都會不可避免地存在加工誤差，而且，這些加工誤差會逐級累積。對于空心電抗器而言，即便是對于技術(shù)非常高的生產(chǎn)人員而言，在繞制每一層線圈時不可能保證其實際繞制出的線圈與設(shè)計計算的完全相同，都會產(chǎn)生誤差，而且，這種誤差會隨著已經(jīng)繞制的線圈層數(shù)增多而逐層累積。因此，空心電抗器容量越大、匝數(shù)越多、層數(shù)越多，這種累積誤差就會越大。就會造成各個層的安匝不平衡，造成這些層的感應(yīng)電勢不相等，從而在各個線圈之間形成較大的環(huán)流，而這些環(huán)流的存在不僅會形成額外的電阻性損耗，也會形成額外的渦流損耗，這些由于存在環(huán)流而額外產(chǎn)生的損耗統(tǒng)稱為環(huán)流損耗�？招碾娍蛊髟谠O(shè)計時，為了減少環(huán)流損耗一般都要設(shè)法使各個繞組層安匝平衡。但是這只是理論，實際在制造中由于受繞組各層匝數(shù)的取舍、制造工藝誤差等因素影響，完全消除環(huán)流是不可能的。

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第 3 章 測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計......13 
3.1  功率測量的數(shù)學(xué)模型及定義..... 13 
3.1.1 功率測量的數(shù)學(xué)模型...... 13 
3.1.2 正弦電路有功功率定義....... 13 
3.1.3 非正弦電路有功功率定義....... 14 
3.2  測量系統(tǒng)的總體框架..... 15 
3.3  信號提取電路的設(shè)計..... 15
3.4 下位機硬件電路的設(shè)計...... 19
3.5 本章小結(jié)...... 22 

第 4 章 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計......23 
4.1 下位機主程序設(shè)計...... 23 
4.2  上下位機串口通信軟件設(shè)計..... 26 
4.2.1 下位機串口程序設(shè)計...... 26 
4.2.2 上位機串口通信程序設(shè)計....... 28 
4.3 上位機主程序設(shè)計...... 29
4.4 本章小結(jié)...... 32 
第 5 章 試驗電源設(shè)計......33 
5.1  試驗電源的設(shè)計的必要性..... 33 
5.2  變壓器結(jié)構(gòu)型式的選擇..... 33 
5.3  整流電路聯(lián)結(jié)型式..... 35
5.4  雙機組并聯(lián)聯(lián)結(jié)十二脈整流試驗電源設(shè)計..... 35
5.5  雙機組并聯(lián)聯(lián)結(jié)十二脈整流試驗電源仿真..... 39 
5.6  本章小結(jié)..... 43

第 6 章 小容量試驗系統(tǒng)的實驗研究

6.1 試驗電源的設(shè)計與制作
根據(jù)實驗室的實際情況，設(shè)計制作了一臺小型的十二脈動試驗電源，將試驗電源輸出直接加載在電抗器上，測量其有功損耗，驗證本測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。被測電抗器額定電流為 41A，電感為 4.6mH，直流電阻為 0.1579 。根據(jù)被測電抗器參數(shù)，設(shè)計電源的額定直流輸出為 45A，空載直流輸出電壓為12V，電路采用圖 5-1（a）的單機組串聯(lián)結(jié)構(gòu)，變壓器容量設(shè)計為 500VA，一次側(cè)接三相調(diào)壓器，整流器采用兩個 SQL5010 整流橋，其整流輸出直流可達(dá)50A。各參數(shù)的計算與 5.1.3.1 節(jié)類似，此處不再敘述，其電源實物如圖 6-1 所示。測量系統(tǒng)原理框圖及實物分別如圖 6-2（a）、圖 6-2（b）所示。功率分析儀能夠直接測量 1000V 電壓，因此不用外接傳感器。其內(nèi)部分流器能夠測量30A 電流，當(dāng)電流小于 30A 時刻直接串接在電路中，當(dāng)電流大于 30A 時需要外部電流傳感器才能進行測量。
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結(jié)論

空心電力電抗器作為電力系統(tǒng)的必要設(shè)備之一，其有功損耗與自身的性能、電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行、經(jīng)濟效益密切相關(guān)。國內(nèi)外對空心電力電抗器的損耗測量都有所研究，并取得一定的成果，但由于測量方法和和技術(shù)手段上的限制，并沒有形成一整套完整的、有效的測量系統(tǒng)，導(dǎo)致工廠的測量結(jié)果往往與實際情況不一致。針對這一現(xiàn)狀，本文從功率的定義出發(fā)，設(shè)計了一套包括信號采集、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果顯示、試驗電源在內(nèi)的空心電力電抗器損耗測量系統(tǒng)。論文主要結(jié)論如下：
1、針對國內(nèi)外對電抗器損耗測量規(guī)范不夠科學(xué)，導(dǎo)致測量值與實際值不一致的情況，本文采取了一種新的測量辦法，即模擬出電抗器的實際運行環(huán)境，在此條件下結(jié)合合理的測量技術(shù)進行測量，得到的測量結(jié)果能夠更真實的反應(yīng)出電抗器實際運行時的損耗情況。
2、電源的設(shè)計是本系統(tǒng)的重要部分，需根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的設(shè)計原則。本文以某平波電抗器的參數(shù)為依據(jù)，設(shè)計其試驗電源的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。通過仿真，驗證該電源結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性以及參數(shù)計算的正確性。
3、通過對一個小容量的試驗系統(tǒng)進行研究，并與商用 PM3000A 功率分析儀進行對比，證明該系統(tǒng)是可行的，能夠測量正弦和非正弦信號下空心電抗器的損耗，其測量精度達(dá)到 1%左右，整個系統(tǒng)操作起來簡單方便。
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參考文獻(xiàn)（略）