大容量群集電容器組不平衡電流測(cè)試技術(shù)研究

曾星宏 姜杏輝

摘 ? 要：傳統(tǒng)大容量群集電容器組的不平衡電流檢測(cè)方案具有針對(duì)性差、工作量大、精度不足等缺點(diǎn)。為了解決這些問(wèn)題，本文采用一次主回路測(cè)試方案，通過(guò)選擇合適的諧振電抗器研制了一套大容量電容器組不平衡電流精確測(cè)量的試驗(yàn)儀器和方案，實(shí)現(xiàn)大容量群集電容器組停電檢修下不平衡電流的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備投運(yùn)前或檢修時(shí)電容器組容值配平的檢測(cè)，能夠有效提升檢修的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：電容器組 ?不平衡電流 ?一次主回路 ?諧振電抗器

中圖分類號(hào)：TM53 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（b）-0092-03

大容量群集電容器普遍應(yīng)用于串補(bǔ)裝置、SVC、換流站內(nèi)的交、直流濾波器等裝置。環(huán)境的變化及電容器內(nèi)部單元存在老化失效、損壞等問(wèn)題都將導(dǎo)致大容量群集電容器的不平衡度增大。傳統(tǒng)檢修方法具有盲目性，工作量大且效果不理想。低電壓小電流試驗(yàn)法精度不夠，其結(jié)果無(wú)法反應(yīng)電容器的實(shí)際運(yùn)行工況，僅能作為參考依據(jù)[1]。檢修人員更換、調(diào)平電容困難，檢修時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)此研究了一次主回路的并聯(lián)諧振式[2]、變頻式[3]，或二者結(jié)合這三種方案，本文綜合考慮選取的電抗類型和電抗值，實(shí)現(xiàn)大容量群集電容器組停電檢修下不平衡電流的檢測(cè)并研制了一套大容量電容器組不平衡電流精確測(cè)量的試驗(yàn)儀器。該儀器提供了一種準(zhǔn)確高效的群集電容器組不平衡電流檢測(cè)方案，可以在設(shè)備裝運(yùn)、例行檢修時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)不平衡電流。

1 ?大容量群集電容器組不平衡電流測(cè)試技術(shù)原理

電容器不平衡電流檢測(cè)試方案一次主回路研究。從現(xiàn)有電容器不平衡測(cè)試方案的一次主回路來(lái)看，采用并聯(lián)諧振式、變頻方式、或二者結(jié)合方式。結(jié)合選定的一次主回路實(shí)現(xiàn)方式，綜合考慮工程適用性、現(xiàn)場(chǎng)操作方便程度、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電源等因素，選擇合適的電抗器類型和電抗器值[4]。勵(lì)磁變壓器、變頻電壓控制器的容量及頻率范圍滿足測(cè)試要求。測(cè)試不平衡電流所用的高精度電流互感器的選型及高精度、便攜式不平衡電流測(cè)試方法及裝置的研制。

研制大容量電容器組不平衡電流精確測(cè)方法及試驗(yàn)儀器滿足以下技術(shù)要求：

（1）大容量電容器組工作大電流產(chǎn)生方法：電容器不平衡電流檢測(cè)試方案一次主回路研究。根據(jù)目前電容器不平衡測(cè)試方案，一次主回路采用并聯(lián)諧振式、變頻方式，或二者結(jié)合方式。

（2）大容量群集電容器組不平衡電流測(cè)試成套裝置（含軟件）（含補(bǔ)償電抗器、變頻調(diào)壓器、勵(lì)磁變壓器及相關(guān)附件）。

（3）多支路的電流檢測(cè)裝置。

利用并聯(lián)諧振的原理[5]，測(cè)量電容器組不平衡電流時(shí)，在電容器組回路中并入電抗器，對(duì)電容器容抗進(jìn)行補(bǔ)償，使電容器組的電流水平達(dá)到100A以上的水平，原理圖如圖1所示。

不同電容器組參數(shù)下匹配的電抗器參數(shù)不同，需要根據(jù)并聯(lián)諧振計(jì)算原理計(jì)算電抗器參數(shù)使電路滿足串聯(lián)諧振條件需要。

在交流電源（AC：500V，40A），僅利用并聯(lián)諧振，在正常500V試驗(yàn)電壓下，流過(guò)電容組的電流可達(dá)100A左右，符合要求，但對(duì)電源容量要求不大于40A。

電路的關(guān)鍵是配置輕便的補(bǔ)償電抗器、變頻調(diào)壓器、勵(lì)磁變壓器，使之能適應(yīng)不同容量的電容器檢測(cè)要求。

結(jié)合選定的一次主回路實(shí)現(xiàn)方式，綜合考慮工程適用性、現(xiàn)場(chǎng)操作方便程度、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電源等因素，選擇合適的電抗器類型和電抗器值。至少滿足電容器A：192.3?F（等效容抗16Ω），電容器B：109?F（等效容抗29Ω）范圍的補(bǔ)償。

勵(lì)磁變壓器的應(yīng)采用單相、干式設(shè)計(jì)。容量不宜大于20kVA。帶儀表測(cè)量線圈。應(yīng)有較大的工作頻率范圍（200～380Hz）。

變頻電壓控制器應(yīng)采用三相輸入（減小電源電纜要求）單相輸出的方式[6]，輸出電壓：0～500V，單相，電壓分辨率、頻率調(diào)節(jié)分辨率符合至少滿足電容器A：192.3?F（等效容抗16Ω），電容器B：109?F（等效容抗29Ω）范圍的測(cè)試要求。

2 ?大容量群集電容器組不平衡電流測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線

串補(bǔ)裝置所在變電站內(nèi)常用試驗(yàn)電源為AC220/380V檢修電源，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，常用試驗(yàn)電源下，電容器組的電流約在10～20A左右。根據(jù)電容器的過(guò)電壓水平要求，不平衡電流應(yīng)控制在μA以內(nèi)，該值對(duì)測(cè)量設(shè)備精度要求非常高，串聯(lián)電容器組實(shí)際安裝電流互感器無(wú)法滿足這一要求。同時(shí)，高壓電容器組在通過(guò)電流較小時(shí)，無(wú)法真實(shí)反映電容器的工作特性[7]。因此，在測(cè)量電容器不平衡電流時(shí)，需要在電容器組上施加一定幅值的電流。

為滿足串補(bǔ)裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，精確測(cè)量電容器組的不平衡電流，本研究從試驗(yàn)回路和測(cè)量精度兩方面進(jìn)行研究。利用變頻和并聯(lián)諧振方式增大電容器通過(guò)的電流，所采用的原理如圖1所示。

仿真計(jì)算表時(shí)，僅利用并聯(lián)諧振，在正常220V試驗(yàn)電壓下，流過(guò)電容組的電流只有14A左右，遠(yuǎn)低于電容器組的正常運(yùn)行電流。無(wú)法利用這一電流進(jìn)行電容器組的不平衡測(cè)試。

但是，我們看到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電源所提供的工作電流非常小，遠(yuǎn)小于串諧式試驗(yàn)電流。利用試驗(yàn)變壓器變升壓至500V，流過(guò)電容組的電流達(dá)300A左右，基本可滿足試驗(yàn)要求。但隨電試驗(yàn)電壓的升高，試驗(yàn)變壓器的成本及現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)強(qiáng)度也將成倍增高，需要進(jìn)行考慮。為進(jìn)一步減小電容器不平衡試驗(yàn)裝置的體積，考慮采用高頻器作為試驗(yàn)電源，提高流過(guò)電容器組的電流，同時(shí)減小諧振電抗器的體積和成本。采用高頻電源時(shí)，流過(guò)電容器組的電流能夠達(dá)到200A以上。當(dāng)電流保持不變時(shí)，提高電源頻率，可以減小電抗器的體積。

3 ?大容量群集電容器組不平衡電流測(cè)試技術(shù)及儀器工具

為了確保變頻電源的操作安全可靠，其開(kāi)關(guān)、急停按鈕、高壓通按鈕、高壓斷按鈕采用硬件按鈕。在正常操作時(shí)可以確保可靠開(kāi)通與停止，遇到緊急情況時(shí)可以確保可靠急停。電壓和頻率的調(diào)節(jié)在操作屏上進(jìn)行，同時(shí)操作屏上會(huì)有相關(guān)測(cè)量參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。

如圖2所示，觸控屏操作界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的粗調(diào)、細(xì)調(diào)、微調(diào)。粗調(diào)的分辨率為5V，細(xì)調(diào)的分辨率為1V，微調(diào)的分辨率為0.2V。也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的粗調(diào)、細(xì)調(diào)、微調(diào)。粗調(diào)的分辨率為5Hz，細(xì)調(diào)的分辨率為1Hz，微調(diào)的分辨率為0.1Hz。另外觸控屏可以對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和各個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

勵(lì)磁變壓器的主要作用是對(duì)變頻電源輸出的PWM波進(jìn)行升壓并起到隔離保護(hù)和進(jìn)一步濾波的作用[8]。可以將變頻源輸出的0～380V電壓升壓到0～500V。

勵(lì)磁變壓器主要參數(shù)如下額定容量：20kVA;輸入電壓：0～380V單相;輸出電壓：500V;工作頻率：200～400Hz;結(jié)構(gòu)：干式。

遠(yuǎn)程筆記本電腦控制設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成，主要實(shí)現(xiàn)如下功能。

（1）實(shí)現(xiàn)筆記本遠(yuǎn)程全控制。在打開(kāi)變頻源時(shí)只需要在開(kāi)機(jī)時(shí)選擇遠(yuǎn)程控制，設(shè)備控制權(quán)就被筆記本取得。取得控制權(quán)后筆記本可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程合閘（高壓通）、分閘（高壓斷）、調(diào)壓、調(diào)頻、數(shù)據(jù)匯總顯示、電容值計(jì)算等多種功能。

（2）遠(yuǎn)程無(wú)線急停。為了確保在遠(yuǎn)程控制時(shí)的安全，防止因通訊故障、電腦死機(jī)等突發(fā)性事件引起的系統(tǒng)失控，本系統(tǒng)配備遠(yuǎn)程免充電無(wú)線急停按鈕，當(dāng)發(fā)生上述故障時(shí)只需按下無(wú)線急停按鈕即可停止系統(tǒng)，阻止事故發(fā)生或擴(kuò)大。其最大有效范圍為100m。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文采用一次主回路法實(shí)現(xiàn)了不平衡電流檢測(cè)方法，研究了大容量群集電容器組不平衡電流測(cè)試技術(shù)，解決傳統(tǒng)方式耗時(shí)長(zhǎng)，準(zhǔn)確度差等缺點(diǎn)，并且成功開(kāi)發(fā)出整套裝置，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證能夠高效地檢測(cè)出大容量電容器組不平衡電流。在后續(xù)工作中將會(huì)繼續(xù)完善遠(yuǎn)程操作模塊，增強(qiáng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖遙，張晉寅，楊曉峰，等.高壓濾波電容器不平衡保護(hù)的試驗(yàn)研究[J].智能電網(wǎng)，2016，4（3）：301-306.

[2] 王旭紅，胡劼睿，樊紹勝，等.采用雙磁路的電流互感器在線取電方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，18（2）.

[3] 劉秀雄，黎玉庭，段玉杰.并聯(lián)補(bǔ)償諧振技術(shù)在交流耐壓中的應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2019，36（9）：28-29.

[4] 吳良科，劉浩，岳長(zhǎng)喜，等.大電流互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定試驗(yàn)中的無(wú)功補(bǔ)償[J].高電壓技術(shù)，2010，36（6）：1560-1565.

[5] 馬菁勖，鐘貽，陳星.四線圈并聯(lián)諧振磁耦合無(wú)線傳能系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2019，17（3）：452-456.

[6] 高峰，林輝.三相四線制變頻電網(wǎng)的諧波及無(wú)功電流檢測(cè)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2014，18（10）：14-20.

[7] 梅念，李銀紅，陳東，等.HVDC工程交/直流濾波器高壓電容器不平衡保護(hù)的判據(jù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（12）：229-234.

[8] 黃景光，趙嬌嬌，林湘寧，等.基于SPWM的變壓器勵(lì)磁涌流抑制技術(shù)研究[J].高壓電器，2019，55（10）：210-215.