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(wú)功補(bǔ)償、濾波等作用。隨著我國(guó)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(jí)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(wèn)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(wèn)題。與鐵心電抗器相比，空心電抗器具有價(jià)格低廉、安裝靈活、電感線性度好、參數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此獲得廣泛應(yīng)用[1] [2]。對(duì)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(xiàng)重要參數(shù)，有功損耗使電抗器在運(yùn)行過(guò)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(yùn)行特性及使用壽命。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)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(dòng)性負(fù)荷使得電網(wǎng)波形發(fā)生畸變，即實(shí)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(cè)量電抗器在正弦信號(hào)和非正弦信號(hào)的有功損耗，驗(yàn)證電抗器的溫升，評(píng)價(jià)其性能并改進(jìn)設(shè)計(jì)，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益還是從安全生產(chǎn)角度來(lái)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(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)專門針對(duì)空心電力電抗器損耗測(cè)量的研究不多，在工程實(shí)踐中，對(duì)于空心電力電抗器損耗的測(cè)量，主要是采用一些傳統(tǒng)方法或參照國(guó)外研究作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)進(jìn)行測(cè)量。國(guó)內(nèi)關(guān)于空心電力電抗器損耗測(cè)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(guó)外在這方面的研究要深入得多，典型代表是加拿大國(guó)家研究院的研究，自上世紀(jì)七十年代起就專門針對(duì)超大容量超低損耗的電抗器損耗測(cè)試進(jìn)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(guò)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)[5]�？偟膩�(lái)說(shuō)，有關(guān)于電力電抗器損耗測(cè)量的方法及研究?jī)?nèi)容主要包括傳統(tǒng)的電抗器損耗測(cè)量、非正弦波下有功功率（損耗）計(jì)量、低功率因數(shù)表的研制等幾個(gè)方面。熱計(jì)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(cè)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(lái)推算出損耗值[6]。測(cè)量時(shí)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(kuò)散, 同時(shí)對(duì)溫差和流量的測(cè)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(cè)量結(jié)果比較可靠的方法之一，因此熱計(jì)量法是在其他測(cè)量方法難于進(jìn)行的情況下, 或者是為了驗(yàn)證其他測(cè)量方法的準(zhǔn)確性時(shí)才采用，此種方法的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及操作，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)具體報(bào)導(dǎo)。對(duì)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(diǎn)
干式空心電抗器由多個(gè)并聯(lián)的同軸繞組包封組成，每個(gè)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�？招碾娍沟陌�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(jī)械強(qiáng)度以及整體穩(wěn)定性。電抗器的安裝通過(guò)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(jiàn)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(diǎn)：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(diǎn)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(jiǎn)單，價(jià)格低廉，外表面涂有抗老化、抗紫外線絕緣漆，能長(zhǎng)期在戶外運(yùn)行，維護(hù)方便[27]。電抗器在運(yùn)行過(guò)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(chǎng)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(duì)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(guò)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(chǎng)方向的尺寸平方以及漏磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)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(guò)電抗器的電流為非正弦波電流時(shí)，在電抗器中所產(chǎn)生的渦流損耗實(shí)際上是與電流的波形有直接關(guān)系。這也就是為什么在實(shí)際測(cè)量中，要盡量使流過(guò)電抗器的電流波形與電抗器實(shí)際工作時(shí)的電流波形一致的主要原因。從這個(gè)意義上講，對(duì)于平波電抗器損耗測(cè)量而言，目前規(guī)范所規(guī)定的分別測(cè)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(jìn)行損耗的測(cè)量才是比較科學(xué)的。對(duì)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(guò)程的任何環(huán)節(jié)都會(huì)不可避免地存在加工誤差，而且，這些加工誤差會(huì)逐級(jí)累積。對(duì)于空心電抗器而言，即便是對(duì)于技術(shù)非常高的生產(chǎn)人員而言，在繞制每一層線圈時(shí)不可能保證其實(shí)際繞制出的線圈與設(shè)計(jì)計(jì)算的完全相同，都會(huì)產(chǎn)生誤差，而且，這種誤差會(huì)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(huì)越大。就會(huì)造成各個(gè)層的安匝不平衡，造成這些層的感應(yīng)電勢(shì)不相等，從而在各個(gè)線圈之間形成較大的環(huán)流，而這些環(huán)流的存在不僅會(huì)形成額外的電阻性損耗，也會(huì)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(jì)時(shí)，為了減少環(huán)流損耗一般都要設(shè)法使各個(gè)繞組層安匝平衡。但是這只是理論，實(shí)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(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)......13 
3.1  功率測(cè)量的數(shù)學(xué)模型及定義..... 13 
3.1.1 功率測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的總體框架..... 15 
3.3  信號(hào)提取電路的設(shè)計(jì)..... 15
3.4 下位機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)...... 19
3.5 本章小結(jié)...... 22 

第 4 章 測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)......23 
4.1 下位機(jī)主程序設(shè)計(jì)...... 23 
4.2  上下位機(jī)串口通信軟件設(shè)計(jì)..... 26 
4.2.1 下位機(jī)串口程序設(shè)計(jì)...... 26 
4.2.2 上位機(jī)串口通信程序設(shè)計(jì)....... 28 
4.3 上位機(jī)主程序設(shè)計(jì)...... 29
4.4 本章小結(jié)...... 32 
第 5 章 試驗(yàn)電源設(shè)計(jì)......33 
5.1  試驗(yàn)電源的設(shè)計(jì)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(jī)組并聯(lián)聯(lián)結(jié)十二脈整流試驗(yàn)電源設(shè)計(jì)..... 35
5.5  雙機(jī)組并聯(lián)聯(lián)結(jié)十二脈整流試驗(yàn)電源仿真..... 39 
5.6  本章小結(jié)..... 43

第 6 章 小容量試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

6.1 試驗(yàn)電源的設(shè)計(jì)與制作
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)小型的十二脈動(dòng)試驗(yàn)電源，將試驗(yàn)電源輸出直接加載在電抗器上，測(cè)量其有功損耗，驗(yàn)證本測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。被測(cè)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(cè)電抗器參數(shù)，設(shè)計(jì)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(jī)組串聯(lián)結(jié)構(gòu)，變壓器容量設(shè)計(jì)為 500VA，一次側(cè)接三相調(diào)壓器，整流器采用兩個(gè) SQL5010 整流橋，其整流輸出直流可達(dá)50A。各參數(shù)的計(jì)算與 5.1.3.1 節(jié)類似，此處不再敘述，其電源實(shí)物如圖 6-1 所示。測(cè)量系統(tǒng)原理框圖及實(shí)物分別如圖 6-2（a）、圖 6-2（b）所示。功率分析儀能夠直接測(cè)量 1000V 電壓，因此不用外接傳感器。其內(nèi)部分流器能夠測(cè)量30A 電流，當(dāng)電流小于 30A 時(shí)刻直接串接在電路中，當(dāng)電流大于 30A 時(shí)需要外部電流傳感器才能進(jìn)行測(cè)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(yùn)行、經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。國(guó)內(nèi)外對(duì)空心電力電抗器的損耗測(cè)量都有所研究，并取得一定的成果，但由于測(cè)量方法和和技術(shù)手段上的限制，并沒(méi)有形成一整套完整的、有效的測(cè)量系統(tǒng)，導(dǎo)致工廠的測(cè)量結(jié)果往往與實(shí)際情況不一致。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文從功率的定義出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果顯示、試驗(yàn)電源在內(nèi)的空心電力電抗器損耗測(cè)量系統(tǒng)。論文主要結(jié)論如下：
1、針對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)電抗器損耗測(cè)量規(guī)范不夠科學(xué)，導(dǎo)致測(cè)量值與實(shí)際值不一致的情況，本文采取了一種新的測(cè)量辦法，即模擬出電抗器的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，在此條件下結(jié)合合理的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，得到的測(cè)量結(jié)果能夠更真實(shí)的反應(yīng)出電抗器實(shí)際運(yùn)行時(shí)的損耗情況。
2、電源的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的重要部分，需根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則。本文以某平波電抗器的參數(shù)為依據(jù)，設(shè)計(jì)其試驗(yàn)電源的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。通過(guò)仿真，驗(yàn)證該電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及參數(shù)計(jì)算的正確性。
3、通過(guò)對(duì)一個(gè)小容量的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，并與商用 PM3000A 功率分析儀進(jìn)行對(duì)比，證明該系統(tǒng)是可行的，能夠測(cè)量正弦和非正弦信號(hào)下空心電抗器的損耗，其測(cè)量精度達(dá)到 1%左右，整個(gè)系統(tǒng)操作起來(lái)簡(jiǎn)單方便。
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參考文獻(xiàn)（略）