高壓交流電的產(chǎn)生方法淺析

孫德杭 翁凱雷 徐海波

摘 ?要：本文旨在描述交流高壓的產(chǎn)生和應(yīng)用。通常高壓由升壓變壓器產(chǎn)生，用于遠距離傳輸電力。使用高電壓的原因是它可以大大降低傳輸損耗。然而，高壓也有需要更多絕緣的缺點，因此電力線的管理變得越來越重要。因此，三相系統(tǒng)通常用于高壓輸電，這有助于電力線路的穩(wěn)定性，并且更容易監(jiān)控。此外，與高壓直流相比，如今的高壓交流具有幾個優(yōu)點。例如，在設(shè)計高壓交流輸電系統(tǒng)時，線路電感和電容的影響必須沿線路平衡，因此線路成本會增加。因此，盡管高壓交流輸電的過程簡單得多，只是在發(fā)/配電端對交流電壓進行升/降，但高壓直流輸電更常用，因為它節(jié)省了建設(shè)成本并提高了穩(wěn)定性。每個網(wǎng)格。

關(guān)鍵詞：交流高壓，發(fā)電，

1.概述

與僅沿一個方向流動的直流電 （DC） 相比，交流電 （AC） 是一種周期性反轉(zhuǎn)其方向的電流。它在電源電路中的常見波形是正弦波。由于交流電壓可以通過變壓器增加/減少，因此電力能夠以交流的形式傳輸和分配。這實現(xiàn)了高壓功率通過電力線高效傳輸，大大降低了傳輸過程中的功率損耗，因為損耗與電流的大小密切相關(guān)（傳輸?shù)墓β适呛愣ǖ?，隨著電壓變越大，電流會越小）。

HVAC（高壓交流電）和HVDC（高壓直流電）是最常用的電力傳輸方法。盡管 HVDC 的傳輸損耗低于 HVAC，這就是為什么它更頻繁地用于長距離傳輸。但暖通空調(diào)系統(tǒng)更便宜，安裝也更簡單。交流電流的升壓/降壓相對容易，因為變壓器結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高。

本文以高壓交流電的產(chǎn)生和應(yīng)用為重點，對其進行簡要說明并分享其未來發(fā)展前景。

2. ?HVAC 產(chǎn)生和測試

2.1 產(chǎn)生方法

交流高壓的產(chǎn)生通常分為兩種，一種是由升壓變壓器產(chǎn)生的交流低壓，另一種是由串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生的。

2.1.1 交流低壓通過升壓變壓器轉(zhuǎn)換為交流高壓

變壓器是電氣工程中常用的一種將交流電壓轉(zhuǎn)換為相同頻率的電氣設(shè)備。升壓變壓器是將低壓交流電轉(zhuǎn)換為同頻高壓交流電的變壓器。

升壓變壓器原理：升壓變壓器是將小阻抗、大電流、低交流電壓轉(zhuǎn)換為大阻抗、小電流、高交流電壓的裝置。變壓器由線圈和鐵芯組成。線圈的匝數(shù)大于或等于兩組，其中初級線圈連接到電源，其余為次級線圈。在發(fā)電機中，磁場運動可以通過固定線圈和在磁場中移動的線圈在線圈中感應(yīng)出電勢。在這兩種情況下，與線圈相交的磁通量的數(shù)量會發(fā)生變化，而磁通量的值不會發(fā)生變化。當(dāng)初級線圈有交流電時，在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，在次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。變壓器的輸入必須是交流電壓，其輸出電壓將與輸入輸出線圈的匝數(shù)比成反比。如果使用直流輸入，則必須在輸入電路上施加開關(guān)電路，使其電壓不斷變化，從而在輸出端產(chǎn)生交流高壓。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)電物體可以在變化的磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)變壓器連接到交流電網(wǎng)時，會在輸入到變壓器初級線圈的電流周圍產(chǎn)生磁場。隨著輸入交流電流的方向不斷變化，就會產(chǎn)生與電流同步變化的磁場，所產(chǎn)生的磁場與變壓器鐵心形成閉合回路。由于磁場的大小和方向不斷變化，次級線圈中會感應(yīng)出電流。由于所有線圈上的電壓相等，次級線圈輸出電壓與次級線圈匝數(shù)呈正相關(guān)，匝數(shù)越高，電壓越高。

2.1.2 串聯(lián)諧振電路

串聯(lián)諧振是利用調(diào)諧電感和負載電容產(chǎn)生工頻串聯(lián)諧振，從而獲得工頻測試電壓的裝置。諧振升壓法包括工頻諧振升壓法和變頻諧振升壓法。工頻諧振升壓法主要用于發(fā)電機、變壓器、電容式電壓互感器的測試。變頻共振升壓法主要用于交聯(lián)。頻諧振升壓系統(tǒng)是根據(jù)工頻條件（現(xiàn)場測試50Hz）使電感和被測電容產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生工頻高壓。工頻諧振升壓系統(tǒng)一般采用調(diào)整電感量的方法，使電抗器與被測電容器在激勵源的作用下發(fā)生諧振，通常稱為調(diào)制式;或在被測產(chǎn)品兩端接電容的方法。改變被測系統(tǒng)的電容，使其在激勵源的作用下與電抗器發(fā)生諧振，通常稱為調(diào)制型;它還可以改變電抗器的感抗和被測系統(tǒng)的電容，使系統(tǒng)達到諧振狀態(tài)，通常稱為調(diào)音。感應(yīng)式通常采用調(diào)節(jié)鐵芯電抗器氣隙的方法，可以連續(xù)平穩(wěn)地調(diào)節(jié)電感值，操作方便。電容不能連續(xù)調(diào)節(jié)，所以現(xiàn)場操作一般采用調(diào)制或調(diào)制音量的方法。

2.2 測試

產(chǎn)生HVAC的原因是因為測試電壓不適用于電力設(shè)備。前者為單相對地電壓，后者為交流三相。在構(gòu)建暖通空調(diào)測試時，暖通空調(diào)的供應(yīng)量可能高達2MV。要調(diào)節(jié)高輸出電壓，控制升壓系統(tǒng)的低電壓側(cè)是一種有效的方法。

通常，所有交流電壓測試都是在測試對象的標(biāo)稱電源頻率下進行的[9]。

2.2.1 測試變壓器：高頻單相和級聯(lián)變壓器

最常見的測試變壓器是高頻單相變壓器。下圖是電路圖，可以清楚地說明。這種變壓器的運行機理是：

從圖2.5中可以看出，‘2是初級繞組，附加繞組‘4a和‘4b作為補償繞組，‘5是勵磁繞組，處于變壓器的全輸出電位，需要變壓器級聯(lián)。 對于級聯(lián)變壓器，這種變壓器適用于電壓范圍為300～500 kV的場景。 級聯(lián)變壓器的優(yōu)點是它的便攜性。 組件可以細分，便于運輸。 針對級聯(lián)變壓器的缺點，初級繞組負載大。 為了消除這個問題，需要一個勵磁線圈。 此外，由于容性負載，與初級繞組并聯(lián)的低壓電抗器對于該容性負載很重要。 為了改善輸出電壓的波形，還需要添加調(diào)諧濾波器。

2.2.2 諧振補償法

絕緣的高壓測試是電力設(shè)備投入使用前驗收的一部分。適用于絕緣電容的電流取決于繞組的物理尺寸。這樣，獨立的發(fā)電機組測試單元是必要的，否則電源提供的電流可能大于本地服務(wù)，這將導(dǎo)致更高的測試成本。降低電源 VA 要求的一種有效方法是提供串聯(lián)或并聯(lián)諧振測試。

由上圖可知，a）段是一個單獨的變壓器電抗器，連接低壓繞組和額定滿試驗電壓的第二繞組，這樣電抗器阻抗就可以轉(zhuǎn)換到高壓側(cè)。 b） 部分顯示兩個或多個串聯(lián)的單元。在c）部分，這些升壓變壓器由于一種可以分裂鐵芯的新技術(shù)而被切斷。

串聯(lián)諧振電路的優(yōu)點：

a.諧振消除和諧波衰減都可以改善波形。

b. 所需電源比主電路低。

c. 由于負載電容放電，測試過程中發(fā)生故障時，不會產(chǎn)生電弧。

d、串聯(lián)機組簡單有效。

此外，還有一種并聯(lián)諧振交流測試單元：在開始時采用低壓電感進行補償。然后結(jié)合高壓電感和諧振變壓器。電感器和變壓器的特點是磁抗較低。然后電抗作用于發(fā)電機定子電容，使得絕緣的無功電流由磁化提供。這樣，這意味著電源只需要提供變壓器的實際功率損耗。

3. 結(jié)論

本文介紹了HVAC的產(chǎn)生和應(yīng)用。 HVAC可由電網(wǎng)發(fā)電端的升壓變壓器產(chǎn)生，可用于測試絕緣材料的性能。此外，雖然HVDC相對于HVDC有一些優(yōu)勢，但由于HVDC的結(jié)構(gòu)非常簡單，因此在世界范圍內(nèi)仍用于小距離傳輸電力以減少傳輸損耗。暖通空調(diào)的未來前景可能不會像上世紀(jì)那樣在電力傳輸中發(fā)揮重要作用，但在材料測試領(lǐng)域?qū)⒕哂兄匾饬x。

參考文獻

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[9] Kuffel， J.， & Kuffel， P. 2000. High voltage engineering fundamentals. Elsevier.