容性电流分开试验回路的研究

容性电流分开试验回路的研究

0容性电流愈合试验高压装置的开口电流是电气系统的一般运营操作。开合容性负载电流时,尽管电流通常不大,但可能会引起严重的过电压和涌流,对电网造成威胁。110kV以下电网,容性电流小,工作电压低,而电网设备允许的操作过电压水平又高,因此断路器开合容性电流要求容易满足。但随着输电电压提高,输电线路变长,加之制造超、特高压输变电设备的技术和经济问题,必须降低设备绝缘水平和操作过电压水平,这使开合容性电流成了高压断路器的一项重要的、必须严格考核的试验项目。实验室进行容性电流开合试验通常采用直接试验或者合成试验,国内实验室除西安高压电器研究员有限责任公司(简称西高院)外,其他实验室目前容性电流试验大多采用直接试验,试验能力小于252kV电压等级。西高院进行容性电流开合试验时,252kV及以下电压等级采用直接试验回路,363kV及以上电压等级采用合成试验回路,国外KEMA实验室进行550kV断路器容性电流试验采用4台发电机并联的直接试验回路,更高电压等级的产品采用合成试验回路;CESI实验室对开断容性电流的合成试验进行过大量的研究工作,很早就进行了420kV断路器开断容性电流的合成试验。特高压断路器容性电流试验由于需要试验电源容量特别大,采用合成试验是唯一的试验方法。由于国内外大容量实验室试验回路设备情况不同,因此采用的合成试验回路也各不相同,但基本都是采用高压断路器合成试验标准推荐的几种合成试验回路或者是从这些回路演变的回路,笔者对标准提出的几种典型合成试验回路进行研究和分析,给出各试验回路的优缺点,并结合西高院实际设备情况提出了一种用于UHV断路器的容性电流开合合成试验回路。1高压设备的高压断流试验1.1国外通道计算其它规格断路器容性电流试验现行标准主要有GB/T1984—2003、GB/T4473—2008、IEC62271-100—2012、IEC62271-101—2012。1.1.1试验方式2lc2、cc2对电源回路的要求:①进行开合试验时,试验回路的特征应是工频电压的变化,对试验方式1(LC1、CC1、BC1)小于2%,对试验方式2(LC2、CC2、BC2)小于5%,如果电压变化超过规定值,允许使用规定的恢复电压或合成试验来替代进行试验;②电源回路的阻抗不应低至使其短路电流超过断路器的额定短路开断电流;③电源回路的预期瞬态恢复电压不应比试验方式T100s规定的瞬态恢复电压严酷。1.1.2负载电路的要求在电弧最终熄灭后300ms时断路器断口电压的衰减不超过10%。1.2试验回路对比分析标准推荐的合成试验回路主要有以下4种:并联模式、电流引入回路、感性电流回路与LC振荡回路并联、串联回路等回路,下面通过对4种试验回路的工作原理进行介绍和仿真计算,分析各种回路的优缺点,并进行比较。1.2.1组合组合的串联并联模式试验回路由2个联合的回路组成,1个电流回路和1个电压回路,2个回路与被试断路器并联,见图1。电流回路由冲击发电机和容性负载组成,它提供被试断路器容性电流试验所需大部分电流,电压回路同样由交流电源和容性负载组成,提供小部分容性电流和断路器开断后的恢复电压,电压回路电源由电流源和升压变组成或由与电流回路电源具有相同相位关系的电源提供,辅助开关的作用是隔离电流回路与电压回路。1.2.2试验级工作原理电流引入回路的试验原理图见图2。该试验回路的工作原理与断路器在大容量试验中电流引入合成试验回路的工作原理相同。电流回路为感性回路,它提供全部试验电流,在电流过零前投入电压回路,在电流回路电流过零点辅助开关开断,被试断路器单独处于电压回路。在电压回路电流过零点被试断路器开断,这时,恢复电压加在试品两端,一端承受电容器上直流电压,另一端承受电压回路交流恢复电压。1.2.3两组振荡回路的电流衰减比较该试验回路是一种并联模式,见图3。由电流回路提供大部分试验电流,LC振荡回路提供被试断路器燃弧期间的1个或2个半波电流,与并联模式中的电流回路与电压回路同时提供试验电流不同,原因是LC振荡回路电流衰减较大。恢复电压由电压回路提供,由振荡回路的交流恢复电压与负载电容上的直流电压叠加而成。1.2.4路试验电流串联合成回路由电流回路和电压回路串联组成,见图4。该回路试验电流由电流回路电流和电压回路电流叠加而成,两电流均为容性电流,恢复电压加在被试断路器两端,一端为负载电容上直流电压,另一端为电流回路和电压回路电源电压之和的交流电压。2试验回路的优缺点并联模式的优点是控制方式简单,恢复电压的衰减满足标准要求,试验电流畸变小,缺点是恢复电压加在被试断路器一端,不符合实际工况,对金属封闭式断路器需要在外壳加电压来补偿带电端子对地电压的要求。电流引入回路的优点是辅助开关上的恢复电压低,恢复电压加在被试断路器两端,符合实际工况。缺点是辅助开关需要两台;进行罐式和GIS断路器1/2极试验时,因外壳在高电位,控制不方便;试验电流测量需要高电位测量系统;电压源对地电压高;恢复电压衰减大。感性电流回路与LC振荡回路并联的优点是控制方式简单,缺点是恢复电压衰减大。串联回路优点是恢复电压加在被试断路器两端,符合实际工况,恢复电压的衰减满足标准要求。缺点是进行罐式和GIS断路器1/2极试验时,因外壳在高电位,控制不方便;电流测量需要高电位测量系统;电流回路电容器对地耐压高;电流源对地耐压高。西高院采用上述几种试验回路进行特高压容性电流开合试验时,存在以下几个问题:1)短路升压变最高输出电压和输出套管对地电压均为252kV,电源输出电压比特高压断路器1/2极容性电流开合试验电压低;2)感性电流回路与LC振荡回路并联及电流引入回路恢复电压衰减大。针对上述问题,西高院根据文的要求,自行开发了一种新的合成试验回路用于特高压断路器容性电流开合试验。3直流电式两网融合试验西高院开发的特高压断路器开合容性电流合成试验回路属于并联模式回路,其恢复电压加在被试断路器两端,与实际工况中的断路器一端加交流电压,一端加直流电压不同,它两端的电压均为直流加交流,试验原理图见图5。3.1特高压公司关合试验电流源由冲击发电机、各种开关、变压器、高压电抗器等设备组成,为被试断路器提供感性电流,2台辅助开关隔离电流源与电压源;电压源由发电机、变压器、负载电容、负载电阻、避雷器等设备组成,为被试断路器提供部分工频电流和全部恢复电压。由于西高院升压变压器输出套管耐压水平达不到特高压试验要求,因此将两组变压器高压侧连接点接地,电流源和电压源变压器低压侧进线反接,使通过被试断路器的电流为电流源与电压源电流相加。另外,标准规定容性电流试验的操作方式为合分和单分试验,由于特高压产品均带有合闸电阻,关合涌流因合闸电阻的限制,涌流值都不大,因此特高压断路器开合线路充电电流和电缆充电电流合分试验可用空载合分试验代替。对电容器组关合试验采用标准推荐的两种线路,见图6、7,关合试验回路图7符合实际运行工况,但需要用关合装置,线路复杂,试验效率低。图6为涌流关合电流试验回路,该试验回路考核了试品通流起始关合涌流通过断路器的情况,未施加额定容性电流。由于关合电流是上述2种电流的叠加,因此考核不全面,但关合试验断路器触头间流过的起始瞬态电流主要是涌流关合电流,容性电流与其相比非常小,因此西高院采用该回路进行关合试验。试验回路主设备参数:1)发电机输出电压14kV,容量6500MV·A;3)电压源两组变压器参数变比分别为14kV/252kV和14kV/168kV,对地耐压均为252kV;4)负载电容0.1~3.4μF可调(2套),耐压1560kV;5)4台避雷器参数。避雷器有2种型号,每种型号有2台,额定电压分别为220kVr.m.s和325kVr.m.s,直流1mA参考电压分别为315kV和468kV。3.2仿真波形的建立为了更好了解该回路的工作过程,笔者对回路进行了仿真计算,得到了以下仿真波形。图8展示了容性电流分闸操作的仿真结果,试品开断电流为2100A,电流源变压器高压端输出电压为21kV,电压源变压器输出电压为420kV,试品恢复电压为1202kV。3.3为发挥试验标准提供了空白co试验和方案优点:①恢复电压加在试品两端,试品开断后的电压负荷与实际工况等价;②辅助开关上的恢复电压比一端加压回路低;③恢复电压持压0.3s阶段中的衰减小,满足标准要求;④变压器输出电压低,负载电容耐压和对地电压低,实验室容易实现;⑤对有高压电抗器的实验室,电流源采用感性电流,减小了设备投入。缺点:①与标准推荐的并联回路一样,合分试验按照一系列的关合试验紧随着一系列空载CO试验进行,不能直接进行CO试验;②试品两端的恢复电压为直流加交流,不是实际的试品一端加直流,一端加交流。3.4试验条件分析当辅助断路器切断电流源电流IL,试品开断Iv1后,Iv1和Iv2在Lb和Lc上的压升将消失,电压源高压侧电压将下降,其下降值即为一般意义上的电压跳跃ΔU。式(1)中:Lb为T2高压侧等效电感和线路电感之和;Lc为T3高压侧等效电感和线路电感之和;La为电源阻抗;K2和K3分别是T2和T3的变比;U2和U3分别是T2和T3高压侧输出电压;Us是试验电压。利用感性电流线路开断后工频电压上升补偿容性电流线路开断后的工频电压下降,从而可达到用较少试验容量进行较大电源容量要求的试验条件。假设IL与Iv1、Iv2同相,令Iv1=I/K,其中I为试验电流,K为电流源和电压源电流比。试品开断前后变压器T2和T3副边电压的变化为分子的第1项是容性电流折合到电压回路变压器高压侧的总阻抗上的压升,第2项是折合到低压侧的感性电流在电源阻抗ωLa压降,再折合到电压回路变压器高压侧的值。将电流Iv1=I/K=UsωCv1带入式(2)分子的第1项,即为ΔU。由于IL和Iv1的相位相差180°,IL在ωLa上的压降抵消了一部分Iv1的压升,使ΔU′<ΔU,起到了一定的补偿作用。可以看出,要使补偿度大,则要增大K和K1,即要增大折合到原边的IL和减小折合到原边的Iv1值,K1是不容易变,K值可变,但K值变大,试品单独处于电压回路的电流变小,试品容易出现截流现象,且小,因此K不能小太多。另外,增大La也可以增大补偿度,这时压升压降均大了,而且需要IL和Iv1同时过零,如果IL先过零,电压回路变压器原边电压将升高,由于电压回路接有阻尼电阻,使得试验电压按指数形式上升,试品开断前电压值与IL和Iv1之间的时间差有关,时间差越大,电压值越高。因此靠增大La的值来减小ΔU不可靠,且不稳定。如果IL和Iv1之间的时间差非常小,也有可能出现过补偿的问题,即电压突跳将在恢复电压的另一方向出现,这时电压波形将出现见图9。4特高压滤波器容性电流愈合试验西高院实验室开发的合成试验回路已经应用在特高压断路器的容性电流开合试验中,并进行了多台1100kV及以下电压等级断路器的试验。该回路满足标准对压升、恢复电压衰减、恢复电压施加于断路器两端和带电端子对地电压的要求。特高压断路器进行1/2极试验时,将试品安装在对地绝缘的支撑平台上,通过给试品外壳加补偿电压的方式,保证试品带电端子对外壳电压负荷满足实际工况的要求。在特高压断路器开合容性电流试验中,多台试品的最短燃弧时间在0.2~0.5ms时间范围内,