直流配电网关键设备试验技术研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：郗姗姗（1982），女，汉族，本科，河南平顶山人，工程师。-117-直流配电网关键设备试验技术研究 郗姗姗1 姜珊盼1 刘鹏飞1 杨庆宇1 逯 丹2 1.河南省高压电器研究所有限公司，河南 平顶山 467001 2.河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467001 摘要：摘要：近年来，直流配电网关键技术得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了直流配电网建设的必要性。直流配电网是未来城市配电网的发展趋势；为了保证直流配电网的安全稳定运行；需在关键设备的试验方面进行深入研究。由于直流配电网涉及的设备类型繁多；并且各设备之间的耦合关系复杂；因此其试验方法、试验标准及试验设备都需要进行针对性研究。关键词：关键词：直流配电网；关键设备；试验技术 中图分类号：中图分类号：TM721 0 引言 本文主要介绍了直流配电网中关键设备（变压器、换流阀、平波电抗器等）试验技术的研究现状，分析了直流配电网中关键设备的工作特性和安全运行要求，研究了直流配电网中关键设备（变压器器等）的试验方法和试验设备，并针对直流配电网的安全稳定运行需求提出了相应的安全保护措施。1 直流配电网关键设备 直流配电网中的变压器主要分为以下几种类型：单级式变压器、多级式变压器和混合型变压器。单级式变压器为电压等级最高的高压变压器，多用于城市配电网。在城市配电网中，常采用单级式变压器供电，这样可以减少配电线路长度，提高供电的可靠性，并且节约能源。在直流配电网中，由于需要将换流阀换成直流换流阀，因此需要对其进行直流短路试验，以保证换流阀能够可靠运行。多级式变压器由多个并联的电抗器串联组成，通过电抗器的串联实现电压等级的提高和容量的增大。多级式变压器中所使用的电抗器需要满足以下几点要求：具有高可靠性能、良好的动态响应性能、体积小、重量轻等。混合型变压器一般由两种或两种以上的直流换流阀组成。1.1 模块化多电平换流器 模块化多电平换流器是一种新型的电力电子变换器，是目前最流行的一种电力电子器件。它是由多个相同电平功率模块串联或并联组成的，通过控制和调节各模块之间的输出电压来控制每个模块的输出电流。与传统的晶闸管相控换流器相比，模块化多电平换流器具有以下特点：（1）每个模块都有相同的输出电压；（2）每个模块都可以采用相同的子模块数；（3）每个模块均可作为一个独立的换流器运行，不需要额外配置换流器，也不需要考虑子模块之间的环流问题；（4）每个模块均可根据需要独立工作，无需配置额外的控制电路；（5）每个模块都可实现有功功率和无功功率独立控制。（6）输出电压可以实现四个电平，并且可以对不同电平之间进行隔离；（7）没有环流问题；（8）提高了输出电流质量。1.2 直流断路器 直流断路器主要是为换流阀提供短路电流，以保证换流阀的可靠运行。直流断路器的工作原理：当换流阀发生故障时，直流断路器能够迅速将故障电流断开，防止短路电流持续对换流阀造成伤害。直流断路器具有以下优点：第一，能够快速切除故障电流，保证换流阀正常运行；第二，直流断路器体积小、质量轻、成本低；第三，直流断路器具有较高的开断能力，能够承受更高的电压和电流，适用于高压大容量的应用场合。直流断路器采用的主要技术指标包括：额定电压为 500 kV；额定电流为 30A；额定分断时间为 20 ns；开断能力为 5 kA。直流断路器的性能对换流阀运行可靠性有着至关重要的影响。1.3 隔离开关 直流配电网中，隔离开关是实现对故障元件进行隔离的开关，直流配电网中的隔离开关主要有两种类型：一种是绝缘拉杆式隔离开关，这种隔离开关一般中国科技期刊数据库 工业 A-118-应用于城市配电网；另一种是操作机构式隔离开关，这种隔离开关一般应用于高压直流配电网。绝缘拉杆式隔离开关一般由上下两个滑动连杆组成，在上下两个连杆的中间连接了一个导电杆。当其中一个滑动连杆被拉起时，另外一个滑动连杆就会被拉下，从而使得接触点断开，断开电流通过接触点时会产生电弧。而操作机构式隔离开关的原理与之相反，操作机构式隔离开关通过操动机构的操作实现断开和闭合的功能。在直流配电网中，电压等级越高，对操作机构式隔离开关的要求也越高。2 关键设备工作特性和安全运行要求 直流配电网中的变压器、换流阀和平波电抗器等设备主要用于为直流配电网中的交流、直流负荷以及负荷侧提供电压支撑，并且还要同时作为直流电源为外部设备供电。由于这些设备是直流配电网中的关键设备，因此在其使用过程中的工作特性和安全运行要求也尤为重要。目前，国际上还没有对直流配电网中变压器等设备的工作特性进行统一规定，因此在设备的安全运行方面还存在一定的不足。直流配电网中变压器等关键设备都需要向外输出直流电压，因此在其运行过程中必须保证其对地绝缘电阻大于 500，并且其向外输出的直流电压应稳定在额定值范围内；在换流阀等关键设备向外输出交流电流的同时，还需要保证其向外输出的交流电压应稳定在额定值范围内。通过上述规定可知，变压器、换流阀和平波电抗器等关键设备在其使用过程中都需要保证上述要求，且这些要求必须通过一定的试验方法才能实现。3 直流配电网关键设备试验方法及试验标准 直流配电网是由换流阀、变压器、平波电抗器等设备构成的系统，其正常工作需要满足直流配电系统的安全稳定运行要求，因此其试验方法和试验标准也应与交流电网相似。根据直流配电网的拓扑结构和运行方式，可将直流配电网分为换流站与柔性负荷、换流站与交流配电室、换流站与交直流配电系统等三种不同类型。为保证直流配电网的安全稳定运行，其关键设备（换流阀、变压器、平波电抗器等）都必须满足相应的试验要求。为了保证直流配电网关键设备的试验结果能够可靠地反映出设备的技术性能和参数，需根据直流配电网中关键设备的工作特性和安全运行要求制定相应的试验方法，并根据试验结果确定其技术性能和参数是否满足安全稳定运行要求。目前，国外已有一些国家针对直流配电网中关键设备的试验方法和试验标准进行了深入研究，如美国电力公司（American Power Corporation）制定了交直流配用电系统中换流阀试验 标准、国际电工委员会（IEC）制定了换流阀及相关设备技术规范 EC）制定了柔性交流配电系统中变压器试验方法 EC）制定了换流阀及相关设备技术规范等。3.1 换流阀 换流阀是直流配电网的关键设备之一，其运行状态对直流配电网的安全稳定运行至关重要。为了保证换流阀的正常工作，需对换流阀进行试验，主要包括交流电压跌落试验、交流电流跌落试验、换流阀直流电阻试验、换流阀交流电压跌落试验、换流阀交流电流跌落试验等。为满足上述各项试验的要求，需要采用相应的试验设备，对换流阀进行相应的试验。但由于直流配电网中换流阀数量众多，且各换流阀之间相互关联，因此在对换流阀进行试验时需对换流阀组进行综合考虑，在满足直流配电网安全稳定运行要求的基础上尽量减小对其他设备的影响。另外，由于各直流配电网的电压等级不同，需针对不同电压等级进行相应的试验，以保证设备运行安全。3.2 平波电抗器 平波电抗器是直流配电网中的关键设备，主要用于抑制谐波。IEC 制定了 交流配电系统中电抗器试验标准，其中规定了交流配电系统中电抗器的试验方法，适用于各种电压等级的电抗器；规定了交流配电系统中电抗器的试验参数和试验方法，适用于各种电压等级的电抗器。我国平波电抗器试验方法标准由中国电力科学研究院提出并归口，标准名称为交直流配电系统中平波电抗器试验方法，已于 2014 年 9 月经国家标准化管理委员会批准发布。该标准规定了直流配电网中平波电抗器的试验项目及参数、试验方法、检验规则等内容，适用于交直流配电系统中平波电抗器的出厂检验、型式试验以及运行检验。该标准在 2009 年 3月由中国电力科学研究院主持通过了国家标准化管理委员会的技术审查，并于 2010 年 4 月正式发布，并于2015 年 1 月 1 日实施。此外，英国电力公司（Essex 中国科技期刊数据库 工业 A-119-Power Services）在其直流配电网标准中规定了直流配电网中平波电抗器的试验项目及试验标准；美国国家电机工程学会（NEMA）在其交流配电系统中平波电抗器试验方法标准中规定了交流配电系统中平波电抗器的试验项目及参数、试验方法、检验规则等内容，适用于交流配电系统中平波电抗器的出厂检验、型式试验以及运行检验；英国国家电气标准委员会（NERC）在其 交直流配电系统中平波电抗器试验标准中规定了交直流配电系统中平波电抗器的试验项目及参数、试验方法以及检验规则等内容。3.3 变压器 为保证直流配电网的安全稳定运行，对变压器的试验方法和试验标准也提出了相应的要求。美国电力公司（American Power Corporation）制定了柔性交流配电系统中变压器试验方法（简称柔性交流配电系统中变压器试验方法），其中对直流配电网中变压器的试验要求有：直流电压幅值为 20 kV，频率为50 Hz；绕组直流电阻0.01；线圈的交流电压为 35 kV，频率为 50 Hz；绕组的直流电阻0.01；绕组的直流电阻不能超过 2；绕组中无短路阻抗很小。4 试验设备 目前，国内外已有的直流配电网试验设备主要有变压器综合试验台、直流配电网试验装置和换流阀试验装置等。变压器综合试验台是在实验室中利用计算机控制的多功能综合试验台，它可完成对变压器的常规试验，如绝缘电阻、介质损耗、电压、电流及直流泄漏电流等参数测试。此外，还可以完成对变压器的故障模拟试验，如交流耐压试验、绕组变形测试和绕组绝缘耐压等。直流配电网试验装置主要由换流阀试验装置、平波电抗器试验装置和交流耐压试验台三部分组成。换流阀试验装置主要是完成换流阀的正常工作电压及冲击电压的测试；平波电抗器试验装置主要是完成平波电抗器的正常工作电压及冲击电流测试；交流耐压试验台主要是完成对换流阀的正常工作电压及冲击电压测试。4.1 变压器综合试验台 变压器综合试验台主要由工控机、变频电源、直流电源、试验变压器底座、高压测量及控制系统和测量仪表组成。工控机通过上位机软件控制变频电源，给变频电源提供三相或单相的交流电源；工控机通过软件对变频电源进行控制，从而达到对试验变压器的控制；测量及控制系统对试验变压器进行在线监测，实现实时显示试验数据。4.2 直流配电网试验装置 换流阀试验装置是将一种新型的电力电子换流阀作为测试对象，能够模拟在故障情况下的换流阀动作和工作情况。换流阀阀芯的机械运动由直流母线控制系统控制，通过阀芯转动带动阀桥和阀片的运动。这种新型的电力电子换流阀可以模拟多种故障，包括单极短路、断路器触头接触不良、弹簧失效等。平波电抗器试验装置由平波电抗试验系统、电压测量系统和保护测控系统三部分组成。平波电抗器试验系统可模拟各种故障，包括正常运行状态下的直流短路、断路器触头接触不良等。电压测量系统通过采样电阻和光耦测量电压信号，再通过放大、滤波和 A/D 转换将电压信号转换为数字信号，由微机进行数据处理后，计算出平波电抗器的绝缘电阻值、介质损耗角正切值等参数。保护测控系统主要用于对试验数据进行采集、处理和保存，并进行监控和保护。交流耐压试验系统可以模拟交流系统故障，如电压闪变、短路电流等。直流配电网试验装置的设计思路为：首先根据工程实际要求进行试验需求分析，然后确定试验项目和试验方案；然后根据试验方案对试验设备进行选型；最后根据现场环境和工作要求设计相应的控制系统和保护装置，并制作样机，进行试验。5 总结 直流配电网的发展对电力电子装置及其试验技术提出了更高的要求，因此有必要对直流配电网中关键设备的试验技术进行深入研究，保证直流配电网安全稳定运行。目前，国内外学者在直流配电网试验研究方面已经进行了大量工作，取得了一些进展，但仍有一些问题需要进一步深入研究。例如，直流配电网的运行特性和安全稳定运行要求与交流配电网有所不同；直流配电网涉及的关键设备种类繁多、结构复杂、耦合关系复杂，因此试验方法和试验标准仍需进一步完善；在设备测试方面，应进一步提升试验设备的测试能力；在安全保护措施方面，应考虑设备自身与系统之间的安全交互关系，提出相应的安全保护措施。中国科技期刊数据库 工业 A-120-参考文献 1赵洋,魏思芸,马宪伟,等.320kV 直流电缆终端界面气隙缺陷的直流局放试验电压确定方法J.绝缘材料,2023,56(03):61-69.2汪洋,杨仕伟,王宝华,等.基于深度置信网络的交直流配电网直流故障检测技术J.电力工程技术,2023,42(01):251-259.3赵海龙,李猛,范美城,等.高压直流电缆耐压试验方法及关键技术研究J.电气技术与经济,2022(05):85-90.4马强.浅析金属氧化物避雷器高压试验技术与方法J.电力设备管理,2020(07):152-153.