容性電流分開試驗(yàn)回路的研究

容性電流分開試驗(yàn)回路的研究

0容性電流愈合試驗(yàn)高壓裝置的開口電流是電氣系統(tǒng)的一般運(yùn)營(yíng)操作。開合容性負(fù)載電流時(shí),盡管電流通常不大,但可能會(huì)引起嚴(yán)重的過(guò)電壓和涌流,對(duì)電網(wǎng)造成威脅。110kV以下電網(wǎng),容性電流小,工作電壓低,而電網(wǎng)設(shè)備允許的操作過(guò)電壓水平又高,因此斷路器開合容性電流要求容易滿足。但隨著輸電電壓提高,輸電線路變長(zhǎng),加之制造超、特高壓輸變電設(shè)備的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,必須降低設(shè)備絕緣水平和操作過(guò)電壓水平,這使開合容性電流成了高壓斷路器的一項(xiàng)重要的、必須嚴(yán)格考核的試驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行容性電流開合試驗(yàn)通常采用直接試驗(yàn)或者合成試驗(yàn),國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室除西安高壓電器研究員有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱西高院)外,其他實(shí)驗(yàn)室目前容性電流試驗(yàn)大多采用直接試驗(yàn),試驗(yàn)?zāi)芰π∮?52kV電壓等級(jí)。西高院進(jìn)行容性電流開合試驗(yàn)時(shí),252kV及以下電壓等級(jí)采用直接試驗(yàn)回路,363kV及以上電壓等級(jí)采用合成試驗(yàn)回路,國(guó)外KEMA實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行550kV斷路器容性電流試驗(yàn)采用4臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)的直接試驗(yàn)回路,更高電壓等級(jí)的產(chǎn)品采用合成試驗(yàn)回路;CESI實(shí)驗(yàn)室對(duì)開斷容性電流的合成試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)大量的研究工作,很早就進(jìn)行了420kV斷路器開斷容性電流的合成試驗(yàn)。特高壓斷路器容性電流試驗(yàn)由于需要試驗(yàn)電源容量特別大,采用合成試驗(yàn)是唯一的試驗(yàn)方法。由于國(guó)內(nèi)外大容量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)回路設(shè)備情況不同,因此采用的合成試驗(yàn)回路也各不相同,但基本都是采用高壓斷路器合成試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)推薦的幾種合成試驗(yàn)回路或者是從這些回路演變的回路,筆者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)提出的幾種典型合成試驗(yàn)回路進(jìn)行研究和分析,給出各試驗(yàn)回路的優(yōu)缺點(diǎn),并結(jié)合西高院實(shí)際設(shè)備情況提出了一種用于UHV斷路器的容性電流開合合成試驗(yàn)回路。1高壓設(shè)備的高壓斷流試驗(yàn)1.1國(guó)外通道計(jì)算其它規(guī)格斷路器容性電流試驗(yàn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T1984—2003、GB/T4473—2008、IEC62271-100—2012、IEC62271-101—2012。1.1.1試驗(yàn)方式2lc2、cc2對(duì)電源回路的要求:①進(jìn)行開合試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)回路的特征應(yīng)是工頻電壓的變化,對(duì)試驗(yàn)方式1(LC1、CC1、BC1)小于2%,對(duì)試驗(yàn)方式2(LC2、CC2、BC2)小于5%,如果電壓變化超過(guò)規(guī)定值,允許使用規(guī)定的恢復(fù)電壓或合成試驗(yàn)來(lái)替代進(jìn)行試驗(yàn);②電源回路的阻抗不應(yīng)低至使其短路電流超過(guò)斷路器的額定短路開斷電流;③電源回路的預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓不應(yīng)比試驗(yàn)方式T100s規(guī)定的瞬態(tài)恢復(fù)電壓嚴(yán)酷。1.1.2負(fù)載電路的要求在電弧最終熄滅后300ms時(shí)斷路器斷口電壓的衰減不超過(guò)10%。1.2試驗(yàn)回路對(duì)比分析標(biāo)準(zhǔn)推薦的合成試驗(yàn)回路主要有以下4種:并聯(lián)模式、電流引入回路、感性電流回路與LC振蕩回路并聯(lián)、串聯(lián)回路等回路,下面通過(guò)對(duì)4種試驗(yàn)回路的工作原理進(jìn)行介紹和仿真計(jì)算,分析各種回路的優(yōu)缺點(diǎn),并進(jìn)行比較。1.2.1組合組合的串聯(lián)并聯(lián)模式試驗(yàn)回路由2個(gè)聯(lián)合的回路組成,1個(gè)電流回路和1個(gè)電壓回路,2個(gè)回路與被試斷路器并聯(lián),見圖1。電流回路由沖擊發(fā)電機(jī)和容性負(fù)載組成,它提供被試斷路器容性電流試驗(yàn)所需大部分電流,電壓回路同樣由交流電源和容性負(fù)載組成,提供小部分容性電流和斷路器開斷后的恢復(fù)電壓,電壓回路電源由電流源和升壓變組成或由與電流回路電源具有相同相位關(guān)系的電源提供,輔助開關(guān)的作用是隔離電流回路與電壓回路。1.2.2試驗(yàn)級(jí)工作原理電流引入回路的試驗(yàn)原理圖見圖2。該試驗(yàn)回路的工作原理與斷路器在大容量試驗(yàn)中電流引入合成試驗(yàn)回路的工作原理相同。電流回路為感性回路,它提供全部試驗(yàn)電流,在電流過(guò)零前投入電壓回路,在電流回路電流過(guò)零點(diǎn)輔助開關(guān)開斷,被試斷路器單獨(dú)處于電壓回路。在電壓回路電流過(guò)零點(diǎn)被試斷路器開斷,這時(shí),恢復(fù)電壓加在試品兩端,一端承受電容器上直流電壓,另一端承受電壓回路交流恢復(fù)電壓。1.2.3兩組振蕩回路的電流衰減比較該試驗(yàn)回路是一種并聯(lián)模式,見圖3。由電流回路提供大部分試驗(yàn)電流,LC振蕩回路提供被試斷路器燃弧期間的1個(gè)或2個(gè)半波電流,與并聯(lián)模式中的電流回路與電壓回路同時(shí)提供試驗(yàn)電流不同,原因是LC振蕩回路電流衰減較大?；謴?fù)電壓由電壓回路提供,由振蕩回路的交流恢復(fù)電壓與負(fù)載電容上的直流電壓疊加而成。1.2.4路試驗(yàn)電流串聯(lián)合成回路由電流回路和電壓回路串聯(lián)組成,見圖4。該回路試驗(yàn)電流由電流回路電流和電壓回路電流疊加而成,兩電流均為容性電流,恢復(fù)電壓加在被試斷路器兩端,一端為負(fù)載電容上直流電壓,另一端為電流回路和電壓回路電源電壓之和的交流電壓。2試驗(yàn)回路的優(yōu)缺點(diǎn)并聯(lián)模式的優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡(jiǎn)單,恢復(fù)電壓的衰減滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,試驗(yàn)電流畸變小,缺點(diǎn)是恢復(fù)電壓加在被試斷路器一端,不符合實(shí)際工況,對(duì)金屬封閉式斷路器需要在外殼加電壓來(lái)補(bǔ)償帶電端子對(duì)地電壓的要求。電流引入回路的優(yōu)點(diǎn)是輔助開關(guān)上的恢復(fù)電壓低,恢復(fù)電壓加在被試斷路器兩端,符合實(shí)際工況。缺點(diǎn)是輔助開關(guān)需要兩臺(tái);進(jìn)行罐式和GIS斷路器1/2極試驗(yàn)時(shí),因外殼在高電位,控制不方便;試驗(yàn)電流測(cè)量需要高電位測(cè)量系統(tǒng);電壓源對(duì)地電壓高;恢復(fù)電壓衰減大。感性電流回路與LC振蕩回路并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是恢復(fù)電壓衰減大。串聯(lián)回路優(yōu)點(diǎn)是恢復(fù)電壓加在被試斷路器兩端,符合實(shí)際工況,恢復(fù)電壓的衰減滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。缺點(diǎn)是進(jìn)行罐式和GIS斷路器1/2極試驗(yàn)時(shí),因外殼在高電位,控制不方便;電流測(cè)量需要高電位測(cè)量系統(tǒng);電流回路電容器對(duì)地耐壓高;電流源對(duì)地耐壓高。西高院采用上述幾種試驗(yàn)回路進(jìn)行特高壓容性電流開合試驗(yàn)時(shí),存在以下幾個(gè)問(wèn)題:1)短路升壓變最高輸出電壓和輸出套管對(duì)地電壓均為252kV,電源輸出電壓比特高壓斷路器1/2極容性電流開合試驗(yàn)電壓低;2)感性電流回路與LC振蕩回路并聯(lián)及電流引入回路恢復(fù)電壓衰減大。針對(duì)上述問(wèn)題,西高院根據(jù)文的要求,自行開發(fā)了一種新的合成試驗(yàn)回路用于特高壓斷路器容性電流開合試驗(yàn)。3直流電式兩網(wǎng)融合試驗(yàn)西高院開發(fā)的特高壓斷路器開合容性電流合成試驗(yàn)回路屬于并聯(lián)模式回路,其恢復(fù)電壓加在被試斷路器兩端,與實(shí)際工況中的斷路器一端加交流電壓,一端加直流電壓不同,它兩端的電壓均為直流加交流,試驗(yàn)原理圖見圖5。3.1特高壓公司關(guān)合試驗(yàn)電流源由沖擊發(fā)電機(jī)、各種開關(guān)、變壓器、高壓電抗器等設(shè)備組成,為被試斷路器提供感性電流,2臺(tái)輔助開關(guān)隔離電流源與電壓源;電壓源由發(fā)電機(jī)、變壓器、負(fù)載電容、負(fù)載電阻、避雷器等設(shè)備組成,為被試斷路器提供部分工頻電流和全部恢復(fù)電壓。由于西高院升壓變壓器輸出套管耐壓水平達(dá)不到特高壓試驗(yàn)要求,因此將兩組變壓器高壓側(cè)連接點(diǎn)接地,電流源和電壓源變壓器低壓側(cè)進(jìn)線反接,使通過(guò)被試斷路器的電流為電流源與電壓源電流相加。另外,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定容性電流試驗(yàn)的操作方式為合分和單分試驗(yàn),由于特高壓產(chǎn)品均帶有合閘電阻,關(guān)合涌流因合閘電阻的限制,涌流值都不大,因此特高壓斷路器開合線路充電電流和電纜充電電流合分試驗(yàn)可用空載合分試驗(yàn)代替。對(duì)電容器組關(guān)合試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的兩種線路,見圖6、7,關(guān)合試驗(yàn)回路圖7符合實(shí)際運(yùn)行工況,但需要用關(guān)合裝置,線路復(fù)雜,試驗(yàn)效率低。圖6為涌流關(guān)合電流試驗(yàn)回路,該試驗(yàn)回路考核了試品通流起始關(guān)合涌流通過(guò)斷路器的情況,未施加額定容性電流。由于關(guān)合電流是上述2種電流的疊加,因此考核不全面,但關(guān)合試驗(yàn)斷路器觸頭間流過(guò)的起始瞬態(tài)電流主要是涌流關(guān)合電流,容性電流與其相比非常小,因此西高院采用該回路進(jìn)行關(guān)合試驗(yàn)。試驗(yàn)回路主設(shè)備參數(shù):1)發(fā)電機(jī)輸出電壓14kV,容量6500MV·A;3)電壓源兩組變壓器參數(shù)變比分別為14kV/252kV和14kV/168kV,對(duì)地耐壓均為252kV;4)負(fù)載電容0.1~3.4μF可調(diào)(2套),耐壓1560kV;5)4臺(tái)避雷器參數(shù)。避雷器有2種型號(hào),每種型號(hào)有2臺(tái),額定電壓分別為220kVr.m.s和325kVr.m.s,直流1mA參考電壓分別為315kV和468kV。3.2仿真波形的建立為了更好了解該回路的工作過(guò)程,筆者對(duì)回路進(jìn)行了仿真計(jì)算,得到了以下仿真波形。圖8展示了容性電流分閘操作的仿真結(jié)果,試品開斷電流為2100A,電流源變壓器高壓端輸出電壓為21kV,電壓源變壓器輸出電壓為420kV,試品恢復(fù)電壓為1202kV。3.3為發(fā)揮試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提供了空白co試驗(yàn)和方案優(yōu)點(diǎn):①恢復(fù)電壓加在試品兩端,試品開斷后的電壓負(fù)荷與實(shí)際工況等價(jià);②輔助開關(guān)上的恢復(fù)電壓比一端加壓回路低;③恢復(fù)電壓持壓0.3s階段中的衰減小,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;④變壓器輸出電壓低,負(fù)載電容耐壓和對(duì)地電壓低,實(shí)驗(yàn)室容易實(shí)現(xiàn);⑤對(duì)有高壓電抗器的實(shí)驗(yàn)室,電流源采用感性電流,減小了設(shè)備投入。缺點(diǎn):①與標(biāo)準(zhǔn)推薦的并聯(lián)回路一樣,合分試驗(yàn)按照一系列的關(guān)合試驗(yàn)緊隨著一系列空載CO試驗(yàn)進(jìn)行,不能直接進(jìn)行CO試驗(yàn);②試品兩端的恢復(fù)電壓為直流加交流,不是實(shí)際的試品一端加直流,一端加交流。3.4試驗(yàn)條件分析當(dāng)輔助斷路器切斷電流源電流IL,試品開斷Iv1后,Iv1和Iv2在Lb和Lc上的壓升將消失,電壓源高壓側(cè)電壓將下降,其下降值即為一般意義上的電壓跳躍ΔU。式(1)中:Lb為T2高壓側(cè)等效電感和線路電感之和;Lc為T3高壓側(cè)等效電感和線路電感之和;La為電源阻抗;K2和K3分別是T2和T3的變比;U2和U3分別是T2和T3高壓側(cè)輸出電壓;Us是試驗(yàn)電壓。利用感性電流線路開斷后工頻電壓上升補(bǔ)償容性電流線路開斷后的工頻電壓下降,從而可達(dá)到用較少試驗(yàn)容量進(jìn)行較大電源容量要求的試驗(yàn)條件。假設(shè)IL與Iv1、Iv2同相,令I(lǐng)v1=I/K,其中I為試驗(yàn)電流,K為電流源和電壓源電流比。試品開斷前后變壓器T2和T3副邊電壓的變化為分子的第1項(xiàng)是容性電流折合到電壓回路變壓器高壓側(cè)的總阻抗上的壓升,第2項(xiàng)是折合到低壓側(cè)的感性電流在電源阻抗ωLa壓降,再折合到電壓回路變壓器高壓側(cè)的值。將電流Iv1=I/K=UsωCv1帶入式(2)分子的第1項(xiàng),即為ΔU。由于IL和Iv1的相位相差180°,IL在ωLa上的壓降抵消了一部分Iv1的壓升,使ΔU′<ΔU,起到了一定的補(bǔ)償作用?？梢钥闯?要使補(bǔ)償度大,則要增大K和K1,即要增大折合到原邊的IL和減小折合到原邊的Iv1值,K1是不容易變,K值可變,但K值變大,試品單獨(dú)處于電壓回路的電流變小,試品容易出現(xiàn)截流現(xiàn)象,且小,因此K不能小太多。另外,增大La也可以增大補(bǔ)償度,這時(shí)壓升壓降均大了,而且需要IL和Iv1同時(shí)過(guò)零,如果IL先過(guò)零,電壓回路變壓器原邊電壓將升高,由于電壓回路接有阻尼電阻,使得試驗(yàn)電壓按指數(shù)形式上升,試品開斷前電壓值與IL和Iv1之間的時(shí)間差有關(guān),時(shí)間差越大,電壓值越高。因此靠增大La的值來(lái)減小ΔU不可靠,且不穩(wěn)定。如果IL和Iv1之間的時(shí)間差非常小,也有可能出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題,即電壓突跳將在恢復(fù)電壓的另一方向出現(xiàn),這時(shí)電壓波形將出現(xiàn)見圖9。4特高壓濾波器容性電流愈合試驗(yàn)西高院實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的合成試驗(yàn)回路已經(jīng)應(yīng)用在特高壓斷路器的容性電流開合試驗(yàn)中,并進(jìn)行了多臺(tái)1100kV及以下電壓等級(jí)斷路器的試驗(yàn)。該回路滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓升、恢復(fù)電壓衰減、恢復(fù)電壓施加于斷路器兩端和帶電端子對(duì)地電壓的要求。特高壓斷路器進(jìn)行1/2極試驗(yàn)時(shí),將試品安裝在對(duì)地絕緣的支撐平臺(tái)上,通過(guò)給試品外殼加補(bǔ)償電壓的方式,保證試品帶電端子對(duì)外殼電壓負(fù)荷滿足實(shí)際工況的要求。在特高壓斷路器開合容性電流試驗(yàn)中,多臺(tái)試品的最短燃弧時(shí)間在0.2~0.5ms時(shí)間范圍內(nèi),