利用碳化硅器件高電壓、大電流、高速開(kāi)斷等特性,能制造高功率密度、高效率的電力電子裝備。碳化硅電力電子變壓器能實(shí)現交直流等不同形式電能的靈活接入,提高新能源電量消納水平。使用碳化硅器件,電力電子變壓器能更加緊湊高效。
國網(wǎng)智研院電力電子所裝備室主任徐云飛介紹,碳化硅電力電子變壓器中的兩個(gè)核心裝備是驅動(dòng)器和高頻變壓器。其中,驅動(dòng)器是讓碳化硅器件可靠工作的控制器,是控制保護的“大腦”和功率器件的接口,也是強弱電連接的橋梁;高頻變壓器是起到隔離和變壓作用的關(guān)鍵設備,是實(shí)現高頻化和緊湊化的關(guān)鍵所在。
目前,高壓6.5千伏碳化硅器件并沒(méi)有可用的商業(yè)化驅動(dòng)器。碳化硅功率器件攻關(guān)團隊深入研究器件開(kāi)關(guān)過(guò)程,提出柵源電壓階梯驅動(dòng)控制技術(shù),解決了高速開(kāi)關(guān)過(guò)程中的過(guò)電壓及振蕩問(wèn)題,降低器件開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗6%~10%;研制出適用于1.2千伏~6.5千伏碳化硅器件的模擬-功率混合型驅動(dòng)保護芯片,有效提升了驅動(dòng)保護器集成度與電磁兼容性能。此外,攻關(guān)團隊還研制了10千赫茲/10千伏/243千伏安的全環(huán)氧固封干式高頻變壓器,效率為99.63%,達到先進(jìn)水平;研制出世界首臺35千伏/5兆瓦碳化硅電力電子變壓器,采用三相一體式結構,相比同等電壓和容量的變壓器,體積進(jìn)一步縮小。
概述(LYPCD-4000TEV在線(xiàn)局放儀測試速度大大提高)
系統介紹
可配合使用特高頻傳感器、TEV傳感器、聲電組合傳感器、超聲傳感器和寬頻帶電流互感器(HFCT)在線(xiàn)檢測變壓器、高壓開(kāi)關(guān)柜、GIS、電纜接頭等高壓設備的局部放電情況。攜帶方便、測量快速,抗干擾能力強,便于現場(chǎng)使用。
其配置軟件具有實(shí)時(shí)波形圖、*大峰值顯示、定位等功能,軟件也可以詳查分析某個(gè)相位波形,窗口隨意放大和縮小,也可以對該段數據進(jìn)行頻譜分析,分析放電波形的頻譜含量,使放電波形之間更具可比性,全方位統計分析試驗數據,減少試驗中非穩定性因素對試驗結果的影響。
本儀器采用自動(dòng)或手動(dòng)記錄保存試驗數據和瞬態(tài)放電波形,提供后期數據分析參考。
技術(shù)參數(LYPCD-4000TEV在線(xiàn)局放儀測試速度大大提高)
技術(shù)特性
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通道數
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2/4個(gè)電信號接口,1個(gè)外同步接口
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采樣率
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*大200MSa/s
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采樣精度
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12bit
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量程范圍
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100dB
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量程切換
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0-9共10檔
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頻帶范圍
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1Hz-60MHz
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本量程非線(xiàn)性誤差
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5%
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檢測靈敏度
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≥5pC(實(shí)驗室條件下);≥10pC(現場(chǎng)條件下)
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圖譜顯示方式
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二維PPRS顯示、三維PRPD顯示、正弦顯示、統計、頻譜(AE)5種顯示
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電源模式
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內置鋰電池/AC 220V
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顯示
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顯示屏
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6.5寸 TFT真彩色觸摸液晶顯示屏
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分辨率
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640×480
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存儲
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物理存儲
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4GB
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硬盤(pán)
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32G固態(tài)硬盤(pán) 用于存儲試驗記錄及試驗數據
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接口
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RS232*1
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用于與PC機同步傳輸接口
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USB*2
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可外接鼠標鍵盤(pán),以及外接移動(dòng)存儲設備
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電源模式
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電池供電(16.8V鋰電池)+外置電源(220V AC)
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電信號接口
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2/4路BNC接口,用于信號輸入
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E-Trig接口
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外同步接口
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網(wǎng)口*1
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用于連接網(wǎng)絡(luò )
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接地鈕
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外部接地用
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通用說(shuō)明
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CPU
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主頻1.6GHz
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系統
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WIN7
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使用環(huán)境溫度
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-20℃至60℃
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存儲環(huán)境溫度
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-20℃至85℃
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尺寸
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280*190*80 mm
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重量
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3.5kg
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配置清單
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主機
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用于信號采集、波形顯示、數據處理、存儲
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超聲波傳感器
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用于測量局部放電產(chǎn)生的超聲波信號
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檢測頻帶
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20~200kHz
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靈敏度
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≤10 pC
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增益
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100dB
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超高頻傳感器(UHF)
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用于測量GIS中局部放電產(chǎn)生的超高頻信號
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檢測頻率
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300~1500MHz
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HFCT(高頻電流互感器)
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用于測量設備接地線(xiàn)中通過(guò)的局部放電信號
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檢測波段
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500kHz~30MHz
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檢測靈敏度
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-100dB/10pC
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TEV傳感器
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用于測量開(kāi)關(guān)柜等高壓設備局部放電、定位
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信號采集
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電容式
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檢測頻率
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3~100MHz
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測量范圍
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-20~60dB/mV
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聲電組合探測器
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用于測量電纜接頭局部放電
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超聲波傳感器
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用于測量電纜接頭局部放電產(chǎn)生的超聲波信號
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中心頻率
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40kHz
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靈敏度
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≤10 pC
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電信號傳感器
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用于測量電纜接頭局部放電產(chǎn)生的電磁波信號
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檢測頻帶
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20k~1MHz
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靈敏度
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≤10 pC
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引用標準(LYPCD-4000TEV在線(xiàn)局放儀測試速度大大提高)
高壓開(kāi)關(guān)設備和控制設備標準的共用技術(shù)要求 DL/T 593
3.6kV~~40.5kV 交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設備和控制設備 DL/T 404
3.6kV~~40.5kV 交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設備和控制設備 GB 3906
局部放電測量GB/T 7354
電力設備局部放電現場(chǎng)測量導則 DL/T 417
高電壓試驗技術(shù) 第1部分:一般試驗要求 GB/T 16927.1
高電壓試驗技術(shù) 第2部分:測量系統 GB/T 16927.2
高電壓試驗技術(shù) 第3 部分: 現場(chǎng)試驗的定義及要求 GB/T 16927.3
各種高壓設備測量
變壓器測量(LYPCD-4000TEV在線(xiàn)局放儀測試速度大大提高)
1、超聲波法檢測原理
當變壓器內部產(chǎn)生放電信號時(shí),除產(chǎn)生放電脈沖電流沿容性回路傳輸外,同時(shí)還會(huì )激發(fā)出機械波(超聲波)信號通過(guò)變壓器油向四周輻射傳播。雖然電力變壓器的結構較為復雜,但是變壓器的整個(gè)器身內充滿(mǎn)了變壓器油,而繞組、絕緣材料、支撐、夾件、引線(xiàn)等部件均浸在油中,由于變壓器油為超聲波的良好傳播媒介,這為在箱壁外側檢測局放產(chǎn)生的超聲信號提供了有力條件。所以,在變壓器的箱壁外側安放超聲波傳感器可以接收到內部較大的放電信號。
2、 脈沖電流法檢測原理(HFCT)
由電力變壓器的結構所決定,其繞組除匝間電容外還與鐵心之間存在幾百甚至幾千皮法的分布電容,同時(shí)繞組與油箱間也存在上百皮法的分布電容。當變壓器的繞組等主絕緣回路中發(fā)生局部放電時(shí),其產(chǎn)生的高頻信號覆蓋了從幾十千赫茲到幾十兆赫茲,甚至到千兆赫茲,由于幾百皮法電容對于幾百千赫茲以上的高頻信號相當于通路,所以放電信號就會(huì )向所有與放電點(diǎn)有容性關(guān)系的回路中傳播,其中一條回路必然包括鐵心接地回路。所以在鐵心接地線(xiàn)上安裝高頻電流互感器可有效接收變壓器內放電信號。
開(kāi)關(guān)柜測量(LYPCD-4000TEV在線(xiàn)局放儀測試速度大大提高)
1、開(kāi)關(guān)柜超聲波法檢測原理
局部放電現象存在多樣性特征,發(fā)生放電時(shí),不僅輻射出電磁波信號,也會(huì )出現聲波發(fā)射現象,局部放電部分能量會(huì )以聲波的形式向周?chē)鷤鞑?。利用超聲波傳感器即可測試這些聲脈沖,從而也可反映局部放電的狀況。通過(guò)測試局部放電信號中聲波特征的方法稱(chēng)為超聲波法。開(kāi)關(guān)柜內部放電過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生聲波。放電產(chǎn)生的聲波的頻譜很寬,可以從幾十赫茲到幾十兆赫茲,其中頻率低于20 kHz 的信號能夠被人耳聽(tīng)到,而高于這一頻率的超聲波信號必須用超聲波傳感器才能接收到。
2、 地電波法檢測原理(開(kāi)關(guān)柜專(zhuān)用)
當開(kāi)關(guān)柜的對地絕緣部分發(fā)生局部放電時(shí),高壓帶電導體對接地金屬殼之間就有少量電容性放電電量,這種電容性放電電量的特點(diǎn)是電量很?。◣渍追种粠靷悾?,持續時(shí)間很短(幾納秒)。由于放電點(diǎn)在開(kāi)關(guān)柜內部,電磁波產(chǎn)生的電壓脈沖在金屬外殼內表面傳播,被金屬外殼所屏蔽。如果屏蔽層是連續的,則無(wú)法在外部檢測到放電信號。實(shí)際上,屏蔽層通常在金屬箱體的接縫處、氣體開(kāi)關(guān)的絕緣襯墊、墊圈的連接處、電纜絕緣終端等部位因破損而導致不連續。當電壓脈沖通過(guò)這些不連續處時(shí),將通過(guò)這些通道傳播出去,然后沿著(zhù)金屬殼外表傳到大地,同時(shí)在開(kāi)關(guān)柜的金屬箱體上產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)對地電壓(一般在幾十毫伏到幾伏,而且時(shí)間只能維持幾納秒),可以在運行中的開(kāi)關(guān)柜金屬外箱殼上放置電容耦合式傳感器來(lái)檢測這個(gè)信號。
暫態(tài)對地電壓法檢測部位主要是母排(連接處、穿墻套管,支撐絕緣件等)、斷路器,CT、PT、電纜接頭等部件所對應到開(kāi)關(guān)柜柜壁的位置,這些部件大部分位于開(kāi)關(guān)柜前面板中部及下部,后面板上部、中部及下部、側面板的上部、中部及下部。開(kāi)關(guān)柜暫態(tài)對地電壓法檢測部位可參考圖 5進(jìn)行測試。
電纜及附件測量
1、聲電組合探測器檢測原理
電纜發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生超聲波和電磁波,并以故障點(diǎn)為中心向四周輻射,其中電磁波傳播速度遠大于超聲波,在距離故障點(diǎn)一定距離測量時(shí),電磁波信號與超聲波信號有時(shí)間差,根據時(shí)間差計算放電位置,組合探測器利用這一原理,同時(shí)測量電磁波信號和超聲波信號,根據信號時(shí)間差計算當前故障點(diǎn)所處位置。
2、脈沖電流法檢測原理(HFCT)
在電纜中,導線(xiàn)和金屬屏蔽之間由絕緣材料隔開(kāi)形成分布電容,該電容只有幾百皮法,對高頻信號為良導體。因此,高頻的局放信號由分布電容對接地引線(xiàn)構成回路傳輸,在電纜接頭屏蔽接地線(xiàn)上安裝寬頻帶電流互感器(HFCT)可檢測到放電脈沖信號,并能夠確定局部放電的量值。
6月28日,在雄安新區容易線(xiàn)公路上,一輛輛電動(dòng)重型卡車(chē)將砂石骨料運往施工現場(chǎng),用于城市建設。南水北調雄安調蓄庫是服務(wù)雄安新區的重大水利工程,調蓄庫開(kāi)挖山體產(chǎn)生的棄渣經(jīng)加工轉化為建筑骨料,并運輸至施工現場(chǎng)使用。如果全部使用柴油重卡運輸,會(huì )造成巨大環(huán)境污染。為落實(shí)“雙碳”目標,基于雄安新區建設需求和零碳交通發(fā)展需要,國網(wǎng)河北電力在建材運輸通道智慧驛站內建設了35千伏碳化硅柔性變電站科技示范工程,為電動(dòng)重卡換電站提供清潔、高效、可靠的直流電能,國網(wǎng)智研院研制的碳化硅器件和核心裝備也從實(shí)驗室走向了生產(chǎn)一線(xiàn)。
35千伏碳化硅柔性變電站的核心設備是交直流變換的三端口碳化硅電力電子變壓器,兩路電源進(jìn)線(xiàn)分別為交流35千伏、交流10千伏,輸出電壓為直流750伏,相較于傳統變電站,增加了直流接入、潮流優(yōu)化控制等功能,實(shí)現了在分布式光伏發(fā)電、直流充換電、儲能和數據中心等場(chǎng)景的示范應用。碳化硅功率器件攻關(guān)團隊研制的核心裝備在該變電站應用,實(shí)現了碳化硅器件材料、封裝、測試、裝備全鏈條自主研發(fā)制造。
“35千伏碳化硅柔性變電站的投運,將有力支撐國產(chǎn)芯片在新能源發(fā)電、電動(dòng)重卡充換電、新型儲能等領(lǐng)域的應用,也為新型電力系統建設提供可復制推廣柔性的交直流輸配電網(wǎng)示范工程經(jīng)驗。此外,清潔電能與低碳交通的融合,也是對‘雙碳’目標實(shí)現路徑的有益探索。”
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