变频串联谐振在GIS绝缘试验中的应用
1、引言
GIS在制造及安装过程中内部可能遗留杂物,断口间杂质,毛刺等薄弱环节和隐患,往往会导致内部绝缘水平下降。因此,在现场安装投运前必须进行现场绝缘试验。
随着电网电压等级的提高及高压GIS的对地电容的增大(220 kV以上为nF级),对试验设备要求越来越高。若采用常规的高压试验设备进行试验,不仅设备造价高,容量大,运输不便,而且由于试验时投入了大量的无功功率将对电网造成不稳定。采用新型的变频串联谐振试验装置则可消除这些不利因素。文[1]认为,频率调节范围为30～300 Hz时变频交流耐压和工频交流耐压具有等价性,因而可以用变频交流耐压系统代替普通工频交流耐压设备做工频耐压试验。
2、装置原理
变频串联谐振试验装置原理见图1。该装置由变频电源FC,高压变压器T,高压电抗器L组成。其中:Cx为被试品电容;R为试验回路中的电阻。
图1 变频谐振试验装置原理图
调频式串联谐振电压试验装置采用固定的高压电抗器,没有调节间隙,减少了噪音,降低了制造难度。试验回路由晶闸管变频电源装置供电,频率在一定范围内调节,其特点是尺寸小、重量轻、品质因数高,结构简单,制作方便。试验时,串联谐振的矢量图见图2。其中:谐振频率f=ω/(2π);电流I=U/√R2+[ωL-1/(ωCx)]2=U/R,表明,试验中只消耗电网有功,不消耗无功,因此不会造成电网电压的波动。此时,加在试品上的电压Ux=I/CωCx=IωL=UωL/R-U/Q即U=Ux/Q。当试品被击穿或闪络时,试品被短接试验回路谐振条件自动消除,此时回路电流I=U/(R+ωL)<
图2 变频谐振矢量图
2.1 提高设备Q值的方法
在现场给GIS做耐压试验时,经常发现当到达谐振点时,励磁变压器输出已到最大值,而被试品上的试验电压升不到要求值。这时主要是由于谐振回路Q值偏低。
由公式Q=ωL/R=1/(ωCR)=(1/R)√L/C得出结论:要提高Q值,在高压电抗器的电感值L远大于励磁试验变及连线的等效电感情况下,只有通过改变被试品的等效电容和试验回路中的损耗电阻来达到。而被试品的等效电容包括被试品电容及试验引线和被试品对地的杂散电容。而杂散电容主要是由串联谐振变压器到开关的一次引线和开关两端所连刀闸的引线对地电容引起的,引线越长,杂散电容的值越大,Q值就越小,因此,一次引线必须尽量短,并将开关两端所连的引线撤除。对R大小起关键作用的是线路电晕损耗引起的等效电阻,也即提高Q的关键是采取有效的措施尽量降低线路电晕损耗引起的等效电阻。即增加均压环和在试品与高压引线间加屏蔽线减少泄漏电流。
2.2 试验设备的容量
试验设备的总容量P=(Ux I)/Q+Ux I/Q+Ux;I=UxI(1+2/Q),常规的试验装置容量P=2UxI,因而试验设备容量大大减小,大约为常规试验设备容量的1/2,从而使得试验设备的总重量与体积大大减小,有利于设备的运输和安装。
3、装置的应用
应用该装置对GIS LW23-252进行老练试验和耐压试验。其设备接线见图3,加压示意图见图4,图4中:Us为出厂试验电压值Um(395 kV)的80%,即:Us=395×80%=316 kV;U1=(1/2)Um=126 kV;U=U√3=72 kV。
图3 变频谐振试验接线图
图4 试验加压示意图
估算被试品的电容量为Cx=3 000 pF,预选方案采用两台电抗器,两台分压电容器。预计回路总电容量C=4 250 pF;总电感L=400 H,电流I=1.02 A;谐振频率f=ω/ (2π)=1/(2π√LC)=122 Hz。
试验谐振电压加到316 kV时,测得谐振频率为129Hz,励磁变压器输出电压为18 kV,线路电流为0.6A,回路中电流比预计的少得多。计算这时的品质因素Q=316kV/18kV=18,线路损耗总电阻R=18 kV/0.6 A=30 kΩ。因此证明,线路的电晕损耗引起的等效电阻加大。
在谐振电抗器与试品旁路电容器上均安装均压环,同时谐振电抗器与试品旁路电容器的连线用铝箔屏蔽。试验谐振电压加到316 kV时,测得谐振频率129 Hz,线路电流1 A,励磁变压器输出电压8kV,这时的Q=316 kV/8 kV=39,线路损耗总电阻R=8 kV/1 A=8 kΩ,说明线路的电晕损耗引起的等效电阻减少,从而大大提高了品质因数Q。
经过3次老练试验,有效地清除了断口杂质和毛刺,达到了老练效果。又进行了3次耐压试验,加压过程中,电压电流没有发生突变,说明试品满足绝缘强度要求。
高压试验变实际输出电压为:U=8 kV,即通过较小的容量和较低的变压器输出电压实现了高压试验的目的。
4、结语
从理论分析和实际应用可知,在高压端增加均压环和高压引线采用屏蔽措施后可大大减少泄漏电流,提高设备Q值。谐振试验装置具有如下优点:
(1)设备容量比常规试验设备减小一半,采用调谐装置,固定电抗器电感,因而试验设备结构简单,制作方便。
(2)采用串联谐振回路对高次谐波具有明显的抑制作用,试验中回路处于串联补偿,不消耗电网的无功,不会造成电网电压的波动。
(3)当试品出现闪络时,回路中流过的电流由于电抗器的高阻抗而变得很小,有效地保护了试验设备。
综上所述采用此种变频调谐试验装置与传统的高压试验设备相比不但能满足耐压要求,而且具有重量轻、可移动性好的优点,适宜现场试验。实践证明是行之有效的试验方法。