高压交流电的产生方法浅析

孙德杭 翁凯雷 徐海波

摘  要：本文旨在描述交流高压的产生和应用。通常高压由升压变压器产生，用于远距离传输电力。使用高电压的原因是它可以大大降低传输损耗。然而，高压也有需要更多绝缘的缺点，因此电力线的管理变得越来越重要。因此，三相系统通常用于高压输电，这有助于电力线路的稳定性，并且更容易监控。此外，与高压直流相比，如今的高压交流具有几个优点。例如，在设计高压交流输电系统时，线路电感和电容的影響必须沿线路平衡，因此线路成本会增加。因此，尽管高压交流输电的过程简单得多，只是在发/配电端对交流电压进行升/降，但高压直流输电更常用，因为它节省了建设成本并提高了稳定性。每个网格。

关键词：交流高压，发电，

1.概述

与仅沿一个方向流动的直流电 （DC） 相比，交流电 （AC） 是一种周期性反转其方向的电流。它在电源电路中的常见波形是正弦波。由于交流电压可以通过变压器增加/减少，因此电力能够以交流的形式传输和分配。这实现了高压功率通过电力线高效传输，大大降低了传输过程中的功率损耗，因为损耗与电流的大小密切相关（传输的功率是恒定的，随着电压变越大，电流会越小）。

HVAC（高压交流电）和HVDC（高压直流电）是最常用的电力传输方法。尽管 HVDC 的传输损耗低于 HVAC，这就是为什么它更频繁地用于长距离传输。但暖通空调系统更便宜，安装也更简单。交流电流的升压/降压相对容易，因为变压器结构简单，工作效率高。

本文以高压交流电的产生和应用为重点，对其进行简要说明并分享其未来发展前景。

2.  HVAC 产生和测试

2.1 产生方法

交流高压的产生通常分为两种，一种是由升压变压器产生的交流低压，另一种是由串联谐振电路产生的。

2.1.1 交流低压通过升压变压器转换为交流高压

变压器是电气工程中常用的一种将交流电压转换为相同频率的电气设备。升压变压器是将低压交流电转换为同频高压交流电的变压器。

升压变压器原理：升压变压器是将小阻抗、大电流、低交流电压转换为大阻抗、小电流、高交流电压的装置。变压器由线圈和铁芯组成。线圈的匝数大于或等于两组，其中初级线圈连接到电源，其余为次级线圈。在发电机中，磁场运动可以通过固定线圈和在磁场中移动的线圈在线圈中感应出电势。在这两种情况下，与线圈相交的磁通量的数量会发生变化，而磁通量的值不会发生变化。当初级线圈有交流电时，在铁芯中产生交变磁通，在次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器的输入必须是交流电压，其输出电压将与输入输出线圈的匝数比成反比。如果使用直流输入，则必须在输入电路上施加开关电路，使其电压不断变化，从而在输出端产生交流高压。根据电磁感应原理，导电物体可以在变化的磁场中产生感应电流。当变压器连接到交流电网时，会在输入到变压器初级线圈的电流周围产生磁场。随着输入交流电流的方向不断变化，就会产生与电流同步变化的磁场，所产生的磁场与变压器铁心形成闭合回路。由于磁场的大小和方向不断变化，次级线圈中会感应出电流。由于所有线圈上的电压相等，次级线圈输出电压与次级线圈匝数呈正相关，匝数越高，电压越高。

2.1.2 串联谐振电路

串联谐振是利用调谐电感和负载电容产生工频串联谐振，从而获得工频测试电压的装置。谐振升压法包括工频谐振升压法和变频谐振升压法。工频谐振升压法主要用于发电机、变压器、电容式电压互感器的测试。变频共振升压法主要用于交联。频谐振升压系统是根据工频条件（现场测试50Hz）使电感和被测电容产生谐振，产生工频高压。工频谐振升压系统一般采用调整电感量的方法，使电抗器与被测电容器在激励源的作用下发生谐振，通常称为调制式;或在被测产品两端接电容的方法。改变被测系统的电容，使其在激励源的作用下与电抗器发生谐振，通常称为调制型;它还可以改变电抗器的感抗和被测系统的电容，使系统达到谐振状态，通常称为调音。感应式通常采用调节铁芯电抗器气隙的方法，可以连续平稳地调节电感值，操作方便。电容不能连续调节，所以现场操作一般采用调制或调制音量的方法。

2.2 测试

产生HVAC的原因是因为测试电压不适用于电力设备。前者为单相对地电压，后者为交流三相。在构建暖通空调测试时，暖通空调的供应量可能高达2MV。要调节高输出电压，控制升压系统的低电压侧是一种有效的方法。

通常，所有交流电压测试都是在测试对象的标称电源频率下进行的[9]。

2.2.1 测试变压器：高频单相和级联变压器

最常见的测试变压器是高频单相变压器。下图是电路图，可以清楚地说明。这种变压器的运行机理是：

从图2.5中可以看出，‘2是初级绕组，附加绕组‘4a和‘4b作为补偿绕组，‘5是励磁绕组，处于变压器的全输出电位，需要变压器级联。 对于级联变压器，这种变压器适用于电压范围为300～500 kV的场景。 级联变压器的优点是它的便携性。 组件可以细分，便于运输。 针对级联变压器的缺点，初级绕组负载大。 为了消除这个问题，需要一个励磁线圈。 此外，由于容性负载，与初级绕组并联的低压电抗器对于该容性负载很重要。 为了改善输出电压的波形，还需要添加调谐滤波器。

2.2.2 谐振补偿法

绝缘的高压测试是电力设备投入使用前验收的一部分。适用于绝缘电容的电流取决于绕组的物理尺寸。这样，独立的发电机组测试单元是必要的，否则电源提供的电流可能大于本地服务，这将导致更高的测试成本。降低电源 VA 要求的一种有效方法是提供串联或并联谐振测试。

由上图可知，a）段是一个单独的变压器电抗器，连接低压绕组和额定满试验电压的第二绕组，这样电抗器阻抗就可以转换到高压侧。 b） 部分显示两个或多个串联的单元。在c）部分，这些升压变压器由于一种可以分裂铁芯的新技术而被切断。

串聯谐振电路的优点：

a.谐振消除和谐波衰减都可以改善波形。

b. 所需电源比主电路低。

c. 由于负载电容放电，测试过程中发生故障时，不会产生电弧。

d、串联机组简单有效。

此外，还有一种并联谐振交流测试单元：在开始时采用低压电感进行补偿。然后结合高压电感和谐振变压器。电感器和变压器的特点是磁抗较低。然后电抗作用于发电机定子电容，使得绝缘的无功电流由磁化提供。这样，这意味着电源只需要提供变压器的实际功率损耗。

3. 结论

本文介绍了HVAC的产生和应用。 HVAC可由电网发电端的升压变压器产生，可用于测试绝缘材料的性能。此外，虽然HVDC相对于HVDC有一些优势，但由于HVDC的结构非常简单，因此在世界范围内仍用于小距离传输电力以减少传输损耗。暖通空调的未来前景可能不会像上世纪那样在电力传输中发挥重要作用，但在材料测试领域将具有重要意义。

参考文献

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[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.

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[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.