高壓交流電的產生方法淺析

孫德杭 翁凱雷 徐海波

摘 ?要：本文旨在描述交流高壓的產生和應用。通常高壓由升壓變壓器產生，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，三相系統通常用于高壓輸電，這有助于電力線路的穩定性，并且更容易監控。此外，與高壓直流相比，如今的高壓交流具有幾個優點。例如，在設計高壓交流輸電系統時，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/配電端對交流電壓進行升/降，但高壓直流輸電更常用，因為它節省了建設成本并提高了穩定性。每個網格。

關鍵詞：交流高壓，發電，

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（傳輸的功率是恒定的，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。但暖通空調系統更便宜，安裝也更簡單。交流電流的升壓/降壓相對容易，因為變壓器結構簡單，工作效率高。

本文以高壓交流電的產生和應用為重點，對其進行簡要說明并分享其未來發展前景。

2. ?HVAC 產生和測試

2.1 產生方法

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

2.1.1 交流低壓通過升壓變壓器轉換為交流高壓

變壓器是電氣工程中常用的一種將交流電壓轉換為相同頻率的電氣設備。升壓變壓器是將低壓交流電轉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出電勢。在這兩種情況下，與線圈相交的磁通量的數量會發生變化，而磁通量的值不會發生變化。當初級線圈有交流電時，在鐵芯中產生交變磁通，在次級線圈中感應出電壓（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電路，使其電壓不斷變化，從而在輸出端產生交流高壓。根據電磁感應原理，導電物體可以在變化的磁場中產生感應電流。當變壓器連接到交流電網時，會在輸入到變壓器初級線圈的電流周圍產生磁場。隨著輸入交流電流的方向不斷變化，就會產生與電流同步變化的磁場，所產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呈正相關，匝數越高，電壓越高。

2.1.2 串聯諧振電路

串聯諧振是利用調諧電感和負載電容產生工頻串聯諧振，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。頻諧振升壓系統是根據工頻條件（現場測試50Hz）使電感和被測電容產生諧振，產生工頻高壓。工頻諧振升壓系統一般采用調整電感量的方法，使電抗器與被測電容器在激勵源的作用下發生諧振，通常稱為調制式;或在被測產品兩端接電容的方法。改變被測系統的電容，使其在激勵源的作用下與電抗器發生諧振，通常稱為調制型;它還可以改變電抗器的感抗和被測系統的電容，使系統達到諧振狀態，通常稱為調音。感應式通常采用調節鐵芯電抗器氣隙的方法，可以連續平穩地調節電感值，操作方便。電容不能連續調節，所以現場操作一般采用調制或調制音量的方法。

2.2 測試

產生HVAC的原因是因為測試電壓不適用于電力設備。前者為單相對地電壓，后者為交流三相。在構建暖通空調測試時，暖通空調的供應量可能高達2MV。要調節高輸出電壓，控制升壓系統的低電壓側是一種有效的方法。

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。 對于級聯變壓器，這種變壓器適用于電壓范圍為300～500 kV的場景。 級聯變壓器的優點是它的便攜性。 組件可以細分，便于運輸。 針對級聯變壓器的缺點，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，還需要添加調諧濾波器。

2.2.2 諧振補償法

絕緣的高壓測試是電力設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，這將導致更高的測試成本。降低電源 VA 要求的一種有效方法是提供串聯或并聯諧振測試。

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換到高壓側。 b） 部分顯示兩個或多個串聯的單元。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而被切斷。

串聯諧振電路的優點：

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，測試過程中發生故障時，不會產生電弧。

d、串聯機組簡單有效。

此外，還有一種并聯諧振交流測試單元：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. 結論

本文介紹了HVAC的產生和應用。 HVAC可由電網發電端的升壓變壓器產生，可用于測試絕緣材料的性能。此外，雖然HVDC相對于HVDC有一些優勢，但由于HVDC的結構非常簡單，因此在世界范圍內仍用于小距離傳輸電力以減少傳輸損耗。暖通空調的未來前景可能不會像上世紀那樣在電力傳輸中發揮重要作用，但在材料測試領域將具有重要意義。

參考文獻

[1] Halder， T.， 2013， February. Comparative study of HVDC and HVAC for a bulk power transmission. In 2013 International Conference on Power， Energy and Control （ICPEC） （pp. 139-144）. IEEE.

[2] I. Kind， D.， & Feser， K. 2001. High voltage test techniques. Elsevier.

[3] Liu， Z. 2014. Ultra-high voltage AC/DC grids. Academic Press.

[4]Jang， D.H. and Choe， G.H.， 1998. Step-up/down ac voltage regulator using transformer with tap changer and PWM ac chopper. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 45（6）， pp.905-911.

[5] “Step-up & Step-down Transformers.” Internet：https：//circuitglobe.com/step-up-and-step-down-transformers.html， [Nov. 16， 2019].

[6] “Transformer calculations.” Internet：http：//www.darvill.clara.net/multichoice/transform.htm， [Nov. 16， 2019].

[7] “Series Resonance Circuit.” Internet：https：//www.electronics-tutorials.ws/accircuits/series-resonance.html， [Nov. 16， 2019].

[8] “Resonant RLC Circuit.” Internet： http：//hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/serres.html， [Nov. 16， 2019].

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