串級式高壓試驗變壓器

如果出現(xiàn)單個變壓器的電壓在500kv以上，就會造成電壓費用的迅速上升及增加，并且對于機械結構方面的絕緣性能產(chǎn)生極大地影響，另外，也會造成安裝和運輸?shù)睦щy?；谶@樣的狀態(tài)，我國當前所使用的單個變壓器的額定功率一般情況下都不會超過750kv。所以在具體應用中，如果需要500kv、750kv以上的電壓要求時，就會通過變壓串接的方式來實現(xiàn)。通常的幾臺試驗器進行變壓器串接就是對幾臺變壓器進行繞組操作進而實現(xiàn)電壓的疊加，然后整體化的將單臺變壓器的絕緣結構進行最優(yōu)化的簡化處理。自耦式串級變壓器是最為常見的串級式變壓器。

由幾臺單臺試驗變壓器組成是串級式高壓試驗變壓器的主要運行特點，單臺試驗變壓器具有電壓低、容量小、重量輕的特點，所以極易于進行安裝和運輸，也造成了串級式高壓試驗變壓器自身的特點，而且其既可以實現(xiàn)單臺試驗變壓器通過串接之后形成高幾倍的狀態(tài)，進而實現(xiàn)電壓組合使用，同時也可以直接分離成幾套單臺試驗變壓器單獨進行使用。

1）試驗變壓器應和操作箱（臺）配套使用，操作箱（臺）的使用方法，請詳細參閱操作箱（臺）使用說明書。

2）變壓器外殼、高壓尾必須接地。為確保安全，試驗人員和其它被試驗設備與試驗變壓器之間必須保持足夠的距離。

3）試驗變壓器的輸出一般應串接限流電阻以保護設備安全。

如果在試驗變壓器中存在短路電抗大的現(xiàn)象，就會使試驗設備的短路容量出現(xiàn)嚴重的降低現(xiàn)象，進而會對絕緣子的污閃或濕閃電壓得到的測試結果產(chǎn)生影響。另外，如果試驗變壓器經(jīng)常性的接觸電容性負載，當電容性電流在試驗調(diào)壓器和變壓器的短路電抗流過時，就會使所輸出的電壓超過變電器的兩側定額數(shù)值要求。所以，試驗變壓器的短路電抗值不宜出現(xiàn)過大的狀態(tài)。

在具體的試驗中，為了保證試品不會在閃絡狀態(tài)下出現(xiàn)短路電流過小的問題，就需要有效的對試驗變壓器的短路電抗進行一定程度的降低。單高比套管試驗變壓器的電壓等級處于相對較低的狀態(tài)，所以對其的短路電抗進行降低時，可以通過鐵心的左右面桿對低壓繞組進行均繞，然后從兩低繞組開展并聯(lián)，以有效實現(xiàn)對于高低壓繞組之間閉合的加強。對雙高壓管的變壓器進行串級操作主要是為了有效節(jié)省絕緣，使二次側低壓繞組同二次測電壓繞組并不在同一個鐵心閥上進行套裝，并且如果不采取一些合理有效的方法和措施，就會造成變壓器的短路電抗加大，針對于此種狀態(tài)，通常可以在兩個鐵心柱上進行平衡繞組套裝的操作。

1、匝數(shù)

假定左右兩柱平衡繞做的組數(shù)各為NP₀和NP₁，且二者的匝數(shù)處于相同狀態(tài)，而且在具體的操作中同一次側低壓在繞組過程中所產(chǎn)生的匝數(shù)相同，假定該相同額為N₀，基于此，我們便可以得到NP₀=NP₁=N₀。

2、連接

可以通過極性端對左右兩柱的平衡繞組進行連接。如果存在兩柱在平衡繞組中出現(xiàn)繞向不同的問題時，應該進行更正，實現(xiàn)頭與頭、尾與尾的正常對接；但是繞向處于一致狀態(tài)時，則可以實現(xiàn)互相得到頭尾連接。以確保整體的規(guī)范性和合理有效性。

3、電流

可能會因為某種運行中的原因，會使平衡繞組內(nèi)出現(xiàn)某一種電流的通過。這主要是因為在整個鐵心回路中，該兩繞組在磁勢方面，存在著大小相等但方向相反的狀態(tài)，這就會造成整體鐵心回路中難以產(chǎn)生磁通。

4、磁通量

在左右兩側的平衡繞組對于所交鏈接收到的磁通量處于不相等的狀態(tài)時，二者所感應到的電動勢就會存在大小不等的現(xiàn)象，在這樣的基本條件下才會有電流流過。

1、串級試驗變壓器的優(yōu)點

（1）不會出現(xiàn)單個變壓器電壓過高的現(xiàn)象，且對于絕緣結構的制作相對簡單方便，材料用價極為便宜。另外，由于單件結構處于整體較輕的狀態(tài)，所以也不會造成試驗變壓器得到整體過重現(xiàn)象，安裝和運輸極為方便。

（2）可以進行接線改變，以為三相試驗提供方便。通過改接的實現(xiàn)，能夠使變壓器進行相互的并聯(lián)，進而進行大負荷電流的供給。實現(xiàn)三相試驗接線的改接時，能夠使相應的電壓進行降低。

（3）如果需要試驗變壓器的電壓處于較低狀態(tài)時，則可以只選用其中的某一兩臺變壓器進行，能夠有效的降低電壓且不至于出現(xiàn)電源發(fā)動機激磁過小的狀況，操作相對方便簡單。并且在串級變壓器臺數(shù)減少的基礎上，能夠使總試驗過程中回路短路的電抗有效降低。

（4）因為結構方式的問題，每一臺變壓器也可以單獨出來實現(xiàn)各自具體的使用，這就會造成工作地點和范圍的增多，并且如果其中的某一臺出現(xiàn)故障時，并不會影響整體的正常操作，能夠有效的實現(xiàn)損失的。

2、串級試驗變壓器的缺點

（1）自耦式變壓器是串級試驗變壓器的最常見裝置，所以在其運行狀態(tài)中，上一級的變壓器功率需要由下一級進行供給，這樣的狀態(tài)就會造成裝置整體的利用率低下。并且在進行絕緣運行和處理時，變壓器提供給各級激磁的裝置會因為絕緣的作用也使整體的利用率處于較低的狀態(tài)。

（2）低壓繞組和激磁繞組中出現(xiàn)的漏抗多是由絕緣變壓器中所出現(xiàn)的現(xiàn)象所造成的，如果出現(xiàn)級數(shù)增加的狀況時，則會使總的電抗不斷的增加甚至是加劇，所以一般情況下的串級數(shù)不應該大于四級，但是在具體的應用中并沒有有效的實現(xiàn)。

（3）在串級高壓試驗變壓器中，如果出現(xiàn)過電壓的現(xiàn)象時，就會使總級間的瞬態(tài)電壓存在分布不均勻的狀態(tài)，一定情況下甚是會發(fā)生激磁繞組或者套管閃絡中的絕緣故障。

十幾年前，串級調(diào)速作為一種高效率的交流無級調(diào)速曾經(jīng)盛行一時，隨著近代變頻調(diào)速的興起，串級調(diào)速日漸蕭條，被認為是落后的調(diào)速技術.如何評價交流調(diào)速技術的優(yōu)劣，不同的需求有不同的標準。但普遍的共識是：⑴ 效率高；⑵ 調(diào)速平滑即無級調(diào)速；⑶ 調(diào)速范圍寬；⑷調(diào)速產(chǎn)生的負面影響（如諧波、功率因數(shù)等）小；⑸成本低廉。

既然串級調(diào)速和變頻調(diào)速有一致的調(diào)速特性。特點和性能：1）串級調(diào)速的控制設備焦復雜，成本較高，控制困難。因為轉子回路串入了一個頻率與轉子電壓頻率相同的外加電壓，且要隨頻率變化是相當困難的。因此，在實際應用中，通常是將轉子外加電壓用整流器整流成可控的直流電壓來代替交變電壓。2）串級調(diào)速的機械特性較硬，調(diào)速平滑性好，轉差功率損耗小，效率較高。3）低速時，轉差功率損耗較大，功率因素較低，過載能力較弱。4）串級調(diào)速范圍一般為（2~4）：1，適用用于大容量的通風機，提升機等泵類負載。5）串級調(diào)速電機要求是滑環(huán)電機，電機滑環(huán)碳刷需要經(jīng)常更換維護，相比異步電機維護費用增加。6）串級調(diào)速裝置，為了順利啟動，會配合轉子串電阻啟動方式，拉到需要轉速之后，逆變器配合觸發(fā)實現(xiàn)調(diào)速。

首先串級控制對進入副回路的擾動有很強的克服能力。其次，由于副回路的存在，減小了控制對象的時間參數(shù)，從而提高了系統(tǒng)的響應速度。再者串級控制提高了系統(tǒng)的工作頻率，改善了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。最后，串級系統(tǒng)有一定的自適應能力。

傳統(tǒng)理論的質(zhì)疑與商榷

認為串級調(diào)速從屬于變轉差率原理，是根據(jù)傳統(tǒng)電機學的異步機轉速公式（1）而得出的。但深入分析，這個表達式卻只是個人為的定義式，并非公式。不僅不能作為串級調(diào)速的理論依據(jù)，也不能成為其他交流調(diào)速的指導公式。公式是客觀規(guī)律的數(shù)學表達形式，它只能產(chǎn)生于科學分析和實踐，而不能產(chǎn)生于人為的定義。傳統(tǒng)電動機學的異步機轉速表達式是這樣建立的，首先定義轉差率s，令 （2），式中： n1為同步轉速；n 為機械轉速。由式（2），經(jīng)代數(shù)變換得（3）。由于初等變換不改變等式性質(zhì)，可見表達式（3）仍然是定義式，它是式（2）的另外一種表達形式。又，由于（4）將式（4）代入定義式（3），于是有表達式（1）。應該注意，式（3）與式（1）沒有本質(zhì)區(qū)別，盡管式（4）是公式，但它僅僅起到參數(shù)變換作用，并沒有改變式（1）、（3）的定義式性質(zhì)。因此轉速表達式（1）只是人為的定義式，并非公式，自然不能成為交流調(diào)速的理論依據(jù)，否則就犯了基本的邏輯錯誤。

另外，轉差率改變與否和調(diào)速性能的優(yōu)劣并沒有明確的關系，不能把轉差率當作效率。轉差功率定義為 ，系指電磁功率中沒有轉化為機械功率的部分，至于是否成為損耗，并未確定。在自然運行時，可以狹義地認為轉差功率就是損耗功率，而擴展到調(diào)速，例如串級調(diào)速，轉差功率可以以電能形式傳輸，并不成為損耗而降低調(diào)速效率。實際的交流調(diào)速也不能簡單地依照表達式（1）進行，例如單純地改變頻率而不改變定子電壓，當頻率低于額定值時，電機將劇烈發(fā)熱，不能正常運行；又如，只改變極數(shù)而不相應改變有效串聯(lián)匝數(shù)，電機同樣無法工作。以上兩例都是依循表達式（1）操作的，結果卻遭失敗，如果公式是科學的，絕不應該出現(xiàn)這樣例外。

交流調(diào)速的功率控制原理

為了探求異步機調(diào)速的實質(zhì)，以及便于深入分析，應首先建立異步機的物理模型。根據(jù)異步機的能量轉換與傳輸原理，異步機等效于圖1的功率圓模型。圖1A鼠籠轉子的異步機模型 圖1B 繞線轉子的異步機模型

電動機是將電能轉化為機械能的設備。異步機的定子與電源相聯(lián)，從中吸收電功率P1，同時吸收感性無功功率建立旋轉磁場。旋轉磁場的主要功能是將定子的電磁功率傳輸給轉子，轉子則將電磁功率轉化為機械功率，因此，旋轉磁場可等效為聯(lián)接定、轉子的功率傳輸通道，為與電傳導方式相區(qū)別，稱為感應通道。主磁通 是電磁感應中極為重要的參數(shù)，可以形象地認為是感應通道暢通與否的標志，為了保證感應通道暢通，應使主磁通保持設計伊始的常量，否則將使功率傳輸?shù)膿p耗增大，并且影響電機的轉矩性能。定、轉子之間傳輸?shù)碾姽β史Q為電磁功率，也是轉化為機械功率的源泉。定子的電磁功率為（5），即輸入功率與損耗功率之差，轉子的電磁功率則為（6），為機械功率與轉子損耗功率之和。應該注意，定、轉子的電磁功率相等，只是表達形式不同。對于鼠籠型異步機，轉子電壓和電流是短路、封閉的，不能為外界所控制，因此，鼠籠型異步機轉子只有一個械輸出端口。繞線型異步機的轉子則是開啟的，并受外部控制才能形成電氣回路，因此具有機械和電氣兩個輸出端口。轉速產(chǎn)生于轉子，因此是調(diào)速的主要分析對象。根據(jù)力學原理，異步機的角速度（7），其中：PM為異步機機械功率；T為輸出轉矩。根據(jù)異步機的能量轉換與守恒，轉子的功率方程為（8），其中：Pem為異步機轉子的電磁功率；為轉子的損耗功率。因此，異步機輸出角速度表為（9）。式中的 （10），稱為理想空載角速度；（11），稱為角速度降。量綱變換后，有（12），式中的 （13），即為理想空載轉速；（14），為轉速降。

異步機的理想空載轉速表達為電磁功率與電磁轉矩之比，其含義是：在假定轉子無損耗的理想狀態(tài)下，異步機的全部電磁功率都轉化為機械功率所能獲得的轉速。由于這種假設只有在理想空載的條件下才能實現(xiàn)，故稱理想空載轉速。理想空載轉速取決于電磁功率，是異步機調(diào)速非常重要的參量。轉速降即為轉速損失，取決于損耗功率。

按照公式（7），轉矩T似乎也應該成為調(diào)速的控制參量，實際上是不可能的。電機穩(wěn)定運行必須遵循轉矩平衡方程式，即電磁轉矩與負載轉矩相等（15）。負載轉矩是由機械負載本身性質(zhì)決定的，既不取決于電機性能也不取決于調(diào)速與否，電磁轉矩只能服從客觀存在的負載轉矩，不能隨意改變，否則，破壞了轉矩平衡方程式，電機將無法穩(wěn)定運行。由此可見，交流調(diào)速的實質(zhì)在于控制其機械功率，電氣上有電磁功率控制和損耗功率控制兩種原則。電磁功率控制改變的是理想空載轉速，機械特性為平行曲線，是高效率節(jié)能型調(diào)速；而損耗功率控制則是增大轉速降，機械特性為匯交曲線，是低效率的耗能型調(diào)速。調(diào)速性能取決于調(diào)速原理，選擇定子控制還是轉子控制，僅僅是對象的不同，并沒有本質(zhì)的區(qū)別。以上就是交流調(diào)速的功率控制原理，為了便于稱謂，簡稱為P理論。根據(jù)電機學原理，異步機轉子的電磁功率和電磁轉矩方程為（16）；（17）。其中，轉矩系數(shù) （18）。根據(jù)功率控制原理所得出的公式（10），異步機的理想空載角速度為（19），其中的電勢系數(shù)： （20）。換算成每分鐘轉速，同乘以 ，有（21），其中的轉子電勢系數(shù) （22）。表明異步機的理想空載轉速與轉子開路電勢E2成正比，與主磁通量 成反比。至于電勢系數(shù)，在電機設計制造已確定，可以當作常量，改變理想空載轉速可以通過1) 恒磁調(diào)壓方法。即，使主磁通 不變，調(diào)節(jié)轉子電壓（電勢）。2) 恒壓弱磁方法。即，使轉子電壓不變，減小主磁通。改變轉子電勢有電傳導和磁感應兩種方法，電傳導方法用于轉子控制調(diào)速，其理想空載轉速為（23）；感應法用于定子控制調(diào)速，理想空載轉速則為（24）。公式（23）（24）物理意義鮮明，具有普遍性，實際上，變頻調(diào)速、串級調(diào)速、以及將介紹的內(nèi)饋調(diào)速等高效率交流調(diào)都是依據(jù)該公式實現(xiàn)的。

串級調(diào)速的功率控制原理

串級調(diào)速是基于轉子的電磁功率控制調(diào)速。串級調(diào)速的功率控制原理是：從轉子入手控制異步機的電磁功率，從而改變理想空載轉速。當轉子的部分功率被移出，總的電磁功率減小，理想空載轉速降低，是一種低同步調(diào)速系統(tǒng)。如果轉子通過電傳導另外得到的部分功率，總的電磁功率增加，理想空載轉速將超過同步轉速，實現(xiàn)超同步調(diào)速。這種能夠?qū)崿F(xiàn)兩個方向功率控制的系統(tǒng)，即可實現(xiàn)低同步和超同步兩種調(diào)速，稱為雙饋調(diào)速。利用功率控制原理推導出的公式(23) ，可以使串級調(diào)速得到簡明、量化的分析。通過電傳導的方法在轉子回路串聯(lián)附加電勢Ef，可以改變轉子的合電勢，從而改變理想空載轉速。而磁通由定子電勢和頻率決定，故不改變。于是串級調(diào)速實現(xiàn)恒磁通（即恒轉矩）的高效率的無級調(diào)速。應該指出，改變理想空載轉速才是調(diào)速的關鍵所在，至于同步轉速改變與否并不重要。在串級調(diào)速中，理想空載轉速可調(diào)，而同步轉速不變，事實證明了理想空載轉速與同步轉速沒有必然的聯(lián)系。

與高壓交流調(diào)速的定子控制（變壓變頻）對比，作為轉子控制的串級調(diào)速具有以下優(yōu)點：高壓調(diào)速，低壓控制。經(jīng)濟、可靠。控制裝置功率小于電機功率，可以在調(diào)速范圍滿足需求的前提下，減小控制裝置的容量。一元控制，技術簡單。主磁通自然恒定，只需單一控制附加電勢。調(diào)速控制與機械輸出成并聯(lián)關系，故障時可以短路轉子，旁路控制裝置，使異步機自然運行，提高系統(tǒng)運行可靠性。諧波畸變小。由于轉子與定子的氣隙隔離作用，定子電流的畸變較小。當然，轉子控制也存在明顯的缺點，就是滑環(huán)和電刷問題。一方面使電機成本增高（約比鼠籠機高出10—15%），另外增加了電機維護量（大約每運行一年左右需要更換電刷）。要實現(xiàn)轉子無刷控制，技術難度較大。但可以改進電刷和滑環(huán)的工藝和材料，減小維護，提高壽命，這一目的已經(jīng)實現(xiàn)。