無局放變頻電源在變壓器感應耐壓局放測試中的應用

【關鍵詞】無局放變頻電源；IGBT；SPWM；變壓器；感應耐壓局放測試

引言

變壓器作為電力系統核心設備，其絕緣性能直接影響電網穩定性。感應耐壓局放測試通過模擬運行電壓工況，檢測內部絕緣缺陷，是變壓器出廠試驗與狀態檢修的必需環節。傳統測試電源多采用工頻變壓器或普通變頻電源，存在波形失真大、局放背景噪聲高、頻率調節范圍窄等問題，難以滿足高電壓等級設備的精準測試需求。本文圍繞無局放變頻電源的核心技術原理、系統設計及在變壓器測試中的應用展開研究，通過硬件架構優化、控制算法設計與實驗驗證，闡明該技術在電力設備絕緣檢測中的實際應用價值，為行業提供兼具先進性與工程實用性的測試解決方案。

一、無局放變頻電源核心技術原理

（一）IGBT與SPWM技術基礎

IGBT作為核心開關器件，兼具金屬-氧化物-半導體型場效應管的高輸入阻抗和門極可關斷晶閘管的低導通壓降特性，能夠實現高頻開關動作（10～20 kHz），為電源的高效轉換和精準控制提供硬件基礎。SPWM技術通過將正弦波分解為一系列等幅不等寬的矩形脈沖，利用面積等效原理合成目標波形，其調制過程可有效抑制高次諧波，提升輸出電壓的正弦度[1]。

（二）低局放設計關鍵技術

低局放設計需從硬件架構與材料選型兩方面入手。在硬件層面，采用全封閉金屬屏蔽殼體、低局放絕緣材料減少放電隱患，優化印刷電路板布局以降低寄生電容和電感，避免高頻開關過程中產生局部放電。在接地與屏蔽設計中，采用單點接地技術和多層屏蔽結構，抑制電磁干擾對檢測信號的影響?？刂扑惴▽用?，通過優化SPWM調制策略，降低開關過程中的電壓/電流變化率，減少開關暫態噪聲，同時結合脈沖電流法實時監測局放信號，動態調整控制參數以抑制背景噪聲，確保局部放電量控制在5 pC以下[2]。

（三）輸出波形質量控制方法

為實現高精度波形輸出，電源采用電壓電流雙閉環控制策略。電壓外環實時采集輸出電壓信號，通過比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）算法調整SPWM調制波幅值，確保輸出電壓穩定度小于等于±1%。電流內環監測輸入電流波形，抑制諧波電流注入電網，提升功率因數。同時，在輸出端配置電感電容濾波器，濾除高頻開關噪聲，進一步優化波形正弦度。針對變壓器測試中頻率調節需求，設計高精度數字鎖相環（PhaseLocked Loop，PLL），實現頻率步幅0.1 Hz[3]。

二、無局放變頻電源系統設計

（一）硬件系統架構設計

無局放變頻電源的硬件系統架構圍繞高可靠性、低局放目標構建，主要包括輸入整流模塊、直流母線單元、IGBT逆變橋、輸出濾波電路及保護單元。輸入整流模塊將工頻交流電轉換為直流電，經大容量低局放濾波電容穩定直流母線電壓，為后續逆變環節提供純凈的直流電源。核心逆變部分采用IGBT模塊構成三相全橋電路，通過SPWM調制策略實現高頻開關動作，將直流電壓轉換為高頻脈沖序列。

（二）控制算法與軟件實現

控制算法采用電壓電流雙閉環策略實現精準輸出控制。電壓外環采集輸出電壓信號，通過PID算法動態調整SPWM調制波幅值，確保輸出電壓穩定度滿足小于等于±1%的要求。電流內環對輸入電流進行實時監測與諧波抑制，提升功率因數并降低電網污染。針對頻率調節需求，PLL實現0.1 Hz級的高精度頻率控制，結合頻率電壓協調控制算法，避免頻率變化對輸出電壓幅值的影響。軟件層面基于數字信號處理器或ARM（Advanced RISC Machine）處理器構建控制平臺，集成實時數據采集、SPWM信號生成、故障診斷等功能模塊，通過人機交互界面實現測試參數（電壓、頻率、時間）的輸入與狀態監控[45]。

（三）抗干擾與絕緣優化設計

抗干擾設計從電磁屏蔽與接地策略兩方面展開：采用全金屬屏蔽殼體包裹核心電路，殼體接縫處進行導電密封處理，抑制高頻電磁輻射對外部環境及檢測信號的干擾；接地系統采用單點接地與分層接地結合的方式，將功率地、信號地、保護地嚴格分離，避免地環路噪聲耦合。絕緣優化方面，選用聚四氟乙烯、環氧樹脂等低局放絕緣材料制作支撐件與接線端子，減少絕緣介質內部的氣隙缺陷。合理設計高壓部件的爬電距離與電氣間隙，確保在35 kV及以下測試電壓下不發生沿面放電或擊穿現象[6]。

三、基于IGBT/SPWM的電源應用方案

（一）變壓器感應耐壓測試

變壓器感應耐壓測試需根據其電壓等級制定差異化參數，以模擬實際運行工況并精準暴露絕緣缺陷。不同等級變壓器的測試電壓、頻率、持續時間等參數需與設備絕緣特性匹配，例如，高電壓等級設備通常需更高測試電壓與特定倍頻設置，表1為具體測試參數配置[7]。

從表1測試參數數據可看出，隨著變壓器電壓等級升高，所需測試電壓呈倍數增長，從10 kV級的28 kV升至500 kV級的460 kV，這對電源的輸出能力提出極高要求。頻率方面，35 kV及以上等級變壓器測試采用倍頻（150～200 Hz）方案，以降低鐵芯飽和效應，縮短測試時間。

（二）局放信號檢測與分析

局部放電信號的特征參數是判斷變壓器絕緣缺陷的核心依據，不同位置與類型的放電會呈現獨特的幅值、相位分布及頻次特征。通過對這些參數的監測與分析，可定位故障點性質并制定針對性處理方案。

表2局放檢測數據揭示不同放電類型具有獨特的相位分布和頻次特征。電暈放電集中在電壓峰值附近（75°～95°），頻次與工頻一致。懸浮放電因金屬部件電位懸浮，在相位上滯后約45°，頻次呈倍頻特性。放電幅值與絕緣缺陷嚴重程度直接相關，如分接開關觸頭的22.3 pC放電遠超允許值，表明存在接觸不良故障。

（三）電源參數匹配與調試

電源參數匹配需綜合考慮變壓器容量、測試電壓及頻率要求，確保電源輸出能力與負載特性相匹配。調試過程中通過空載試驗校準電源輸出電壓與頻率精度，調整SPWM調制深度使波形失真度小于等于1%。帶載測試時，根據變壓器容量逐步增加負載，監測輸出電壓穩定性與局放水平，當負載率超過80%時，需重點觀察波形畸變情況并動態調整PID參數。

四、實驗驗證與結果分析

（一）實驗平臺搭建與測試條件

實驗平臺以濟南航進電子科技HJJF型無局放程控變頻電源為核心，搭建包含電源系統、被測變壓器、信號檢測設備及負載裝置的閉環測試環境。核心設備包括HJJF30K、HJJF100K、HJJF200K三種容量的無局放變頻電源，配套Tektronix DPO4054示波器、TEK3000局部放電檢測儀及可編程負載箱。平臺架構分為電源輸入模塊、被測變壓器、輸出控制模塊（電壓頻率調節單元）及數據采集系統（局放信號傳感器、功率分析儀）。

（二）實驗分析

不同容量的無局放變頻電源在輸出性能上存在差異，這些差異直接影響其對不同規格變壓器的適配能力。通過測試電壓穩定度、局部放電量、波形失真度等關鍵指標，可明確各容量電源的適用場景，具體性能數據如表3。

由表3可知，隨著電源容量增大，電壓穩定度呈現優化趨勢，300 kVA機型穩定度達±0.5%，滿足高精度測試需求。局部放電量隨容量增加逐漸降低，300 kVA機型低至3.0 pC，優于行業標準小于等于5 pC，表明大容量電源在絕緣設計和電磁屏蔽上更優。波形失真度與效率呈正相關，200 kVA以上機型失真度控制在0.8%以內，效率突破89%，驗證了IGBT/SPWM技術在大功率場景下的可靠性。

不同負載類型會對電源輸出特性產生顯著影響，阻性、感性、整流性等負載的阻抗特性差異會導致電源在電壓穩定性、波形質量等方面表現不同。測試不同負載下的電源性能，可驗證其在復雜工況中的適應性，具體數據如表4。

阻性負載下電源性能最優，失真度1.1%、效率88%，體現純電阻負載對波形影響最小。感性負載因無功分量影響，失真度上升至1.3%，局放量略有增加，動態響應時間延長至18 ms，但仍滿足小于等于20 ms的行業要求。整流性負載由于諧波干擾，失真度達1.5%，效率降至85%，表明非線性負載對電源輸出質量有顯著影響。

結語

本文以變壓器感應耐壓局放測試的實際需求為導向，系統研究基于IGBT/SPWM技術的無局放變頻電源。通過理論分析、系統設計與實驗驗證，構建了兼具高精度與高穩定性的測試電源方案。實驗數據表明，研究所設計的HJJF系列電源在關鍵性能指標上表現優異，30 kVA機型局部放電量低至4.2 pC，300 kVA機型效率可達90%，電壓穩定度隨容量提升優化至±0.5%，頻率調節步幅精準控制在0.1 Hz，波形失真度在線性負載下低至0.7%，為電力設備的絕緣狀況評估提供了一種高效且可靠的檢測技術方案。

參考文獻：

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