500 kV交流场断路器串联谐振耐压试验电路模型的建立及应用.pdf

Telecom Power Technology 1 Aug.10,2023,Vol.40 No.15 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.15.001500 kV 交流场断路器串联谐振耐压试验电路模型的建立及应用韦清化，张新波，袁瑞敏（南方电网超高压输电公司电力科研院，广东 广州 510663）摘要：随着我国高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术的发展，大容量及超大容量直流输电工程相继投入运行。大容量直流换流站因容量送出及交流滤波满足市场需求，其交流场设备数量远多于一般变电站。通过探索 500 kV 换流站交流场断路器的交流耐压试验方法，提出了通过母线带多串设备同时实施串联谐振耐压试验的方法，同时建立了试验回路的等效电路模型。利用断路器断口耐压试验成功验证了该电路模型的可行性，能够提高大型换流站交流设备交流耐压试验的效率，缩短试验工期，对在建或规划中的换流站交流耐压试验具有重要的指导意义。关键词：高压直流输电技术；交流耐压；串联谐振；电路模型Establishment and Application of a Circuit Model for Series Resonance Withstand Voltage Test of 500 kV AC Field Circuit BreakersWEI Qinghua,ZHANG Xinbo,YUAN Ruimin(CSG EHV Electric Power Research Institute,Guangzhou 510663,China)Abstract:With the development of High Voltage Direct Current(HVDC)transmission technology in China,large-capacity and ultra-large-capacity HVDC transmission projects have been put into operation.Large-capacity DC converter station meets the market demand because of its capacity sending and AC filtering,and the number of AC field equipment is far more than that of general substations.By exploring the AC withstand voltage test method of AC field circuit breaker in 500 kV converter station,this paper puts forward the method of carrying out series resonance withstand voltage test at the same time through bus with multiple series devices,and establishes the equivalent circuit model of the test circuit.The feasibility of the circuit model is successfully verified by the circuit breaker fracture withstand voltage test,which can improve the efficiency of AC withstand voltage test of AC equipment in large converter stations and shorten the test period,and has important guiding significance for AC withstand voltage test of converter stations under construction or planning.Keywords:HVDC transmission technology;alternating current withstand voltage test;series resonance;circuit model0 引 言直流输电工程的特点是电压高、容量大，如双回 500 kV 溪洛渡工程的容量最高可达 6 400 MW，其带来的大量电能需要多个 500 kV 变电站进行消纳。换流站容量越大，需要的滤波及无功补偿装置就越多，这需要较多的交流场来辅助完成工作1-7。换流站的稳定运行关系整个电力系统的安全稳定，而换流站交流场设备的安全稳定是整个直流工程安全稳定的前提。因此，交流场设备投入运行前需确保无缺陷，这对交流场设备的交接试验提出了更高的要求8-12。为了更灵敏地查出交流设备某些局部绝缘缺陷，考验被试品绝缘承受过电压的能力，对其进行交流耐压试验是最为有效的办法。通过观察交流耐压试验中电压、波形以及频率在被试品绝缘内的分布，将所测数据与实际运行情况相比，能有效发现绝缘缺陷13-15。以某换流站交流场设备的交流耐压试验为例，结合交流场接线、断路器及其断口、电流互感器和支柱绝缘子等设备的实际情况，提出试验中频率、品质因数以及电晕的控制方法。1 谐振系数在交流耐压计算中的使用在工程应用中发生谐振时，可忽略电抗器电阻的影响，不论是串联谐振还是并联谐振，都将出现感抗等于容抗的现象，即 992991112221199222222222fxyxy110101010410104501013212319.54111.2LC=（1）式中：为谐振时所加电压的角频率；L 为谐振时的电感量，H；C 为谐振时的电容量，F。工频谐振耐压时，不论是串联谐振还是并联谐振，在工程应用中都可以忽略电抗器电阻的影响。谐振系数 K 的计算公式为收稿日期：2023-05-27作者简介：韦清化（1994），男，重庆人，本科，助理工程师，主要从事高电压设备检修与试验工作；张新波（1983），男，湖北荆州人，本科，高级工程师，主要从事高电压技术试验及技术监督工作；袁瑞敏（1993），男，湖北荆州人，硕士研究生，工程师，主要从事高电压设备检修与试验工作。2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期Aug.10,2023,Vol.40 No.15Telecom Power Technology 2 992991112221199222222222fxyxy110101010410104501013212319.54111.2LCKLCLC=（2）实际工程应用中，为便于计算，将谐振时的电容量换算为 C，单位为 nF。取 f=50 Hz，则谐振系数K5010 132。在 2 组不同的频率下发生谐振，其谐振系数可通过 50 Hz 下的谐振系数进行折算，即 991112221199222222222fxyxy110101010410104501013212319.54111.2LCKLCLCKLCfKL Cf=（3）频率为 f时的谐振系数为 2fxyxy110101010410104501013212319.54111.2LCKLCLCKLCfKL CfKf=10 132（4）在日常工程应用中，普遍使用992991112221199222222222fxyxy110101010410104501013212319.54111.2LCKLCLCKLCfKL CfKffLC=计算谐振频率，然后再反推电感量或电容量。由于此公式中电容的单位为 F，通常是实际工程中电容的数千、数万倍，极易造成输入失误，通过引入谐振系数，在耐压试验时只需记住 2 个单位（H 和 nF）和 1 个常数“10 132”，这样不管是串联还是并联谐振，电感、电容以及谐振频率都可以通过相应的公式很快 算出。2 交流串联谐振耐压试验设计在大型 500 kV 交流场进行串联谐振耐压试验时，试验人员可以根据试品前后对比估算出对地电容的大小，如果变大则减小试验频率，如果变小则增大试验频率。在串联谐振交流耐压试验中使用到的设备见表1，接线如图 1 所示。在交流耐压试验电压大于 500 kV 时，必须采用3节串联才能提供足够的电压来保证试验的顺利进行。当耐压试验电压小于 375 kV 时，可采用 2 节串联或2 节并联再外加 1 节串联，可以达到调节试验谐振频率的作用。在某换流站的现场试验中，500 kV 交流场全场耐压试验采用第 1 种连接方式，500 kV 断路器断口耐压试验采用第 2 种连接方式。试品励磁变3节串联电抗器（a）全场耐压试验（连接方式 1）试品励磁变3节串联电抗器试品励磁变2节串联电抗器（b）断路器断口耐压试验（连接方式 2）图 1 串联谐振耐压试验接线3 全场耐压试验某站内交流场的接线方式为 3/2 接线，共有 11串，每串有 3 组断路器和 3 组电流互感器，具体如图2 所示。由于架空线路已连接至交流场，交流场主设备的耐受电压高达 592 kV，即便解开架空线与交流场的连接部位，也无法提供足够的安全距离。在进行交流场设备耐压试验时，需要合上线路地刀，将耐压设备分别放在#1M 母线和#2M 母线。为了降低试验容量和减少试验接线，可采用单相母线加压。在#1M母线侧开展耐压试验时，采用 3 串、4 串、4 串依次加压进行。尽管在实际中每相设备对地的电容量会有所不同，但其差别对试验计算的影响可以忽略，选择电路模型时可以将每相设备对地的电容量视为相等。设每相母线对地的等效电容为Cx，每相断路器、电流互感器、支柱绝缘子及部分跳线对地的等效电容为 Cy。考虑到试验总电容量包含了 1 nF 的分压电容 Cz，则 3 串和 4 串同时加压试验的等效电路原理如图 3 所示。其中，B 为励磁变压器，L1、L2、L3为串谐电抗器。在 3 串同时加压时，试验频率为 77 Hz；在 4 串同时带电时，试验频率为 71 Hz。现场试验的串谐电表 1 串联谐振交流耐压试验设备参数设备名称参数变频柜容量：450 kVA；输入电压：0 400 V；输出电压：0 550 V钳形电流表量程：630 A励磁变压器容量：250 kVA；输入电压：550 V；输入电流：818.2 A机械电压表量程：600 V电抗器共 3 节，每节 150 H，输入电流为 8 A测量分压器共 3 节，每节 3 nF 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期 3 Telecom Power TechnologyAug.10,2023,Vol.40 No.15 韦清化，等：500 kV 交流场断路器串联谐振耐压试验电路模型的建立及应用抗器总电感量 L1=450 H，当试验频率 f2=77 Hz 时，试验总电容量 C1 9.5 nF；当试验频率 f3=71 Hz 时，试验总电容量 C2 11.2 nF。由图 3 可得 xyxy319.54111.2CCCC+=+=（5）计算得出 Cx=3.4 nF，Cy=1.7 nF。4 等效电容的计算在断路器断口耐压试验中的应用500 kV 断路器采用双断口开断电压，每个断口并联一个 2 nF 的均压电容。在对断路器断口进行耐压试验的同时，也对均压电容进行极间耐压试验。因为均压电容在耐压试验时一定要用工频（45 65 Hz），所以在断口耐压试验时要使用工频电压。如果采用普通的工频调感装置进行耐压试验。由于调感电抗器容量小，试验要分多次进行，工作量较大、效率低。通过断路器和刀闸的倒闸操作可以将交流场断路器断口分成若干等份，加压线直接接在母线上，并且刚好可以满足工频耐压的条件，这样就不必在试验过程中移动串谐装置，可以减少现场试验的工作量。断路器断口的耐受电压为 325 kV，采用 3 节串联（电感量为 450 H）、2 节串联（电感量为 300 H）或 2 并 1 串（电感量为 225 H）均可满足要求。由于试验频率在类工频 45 65 Hz 之间，经过计算得出试验回路的总电容量范围分别为 13.3 27.8 nF、20.0 41.7 nF 或 26.6 55.6 nF。由此可见，试品电容在 13.3 55.6 nF 时就可以使用现场的变频串联谐振装置进行工频耐压试验。以某换流站的现场试验为例，将 6 条母线（#1M和#2M 母线各 3 条相线）全部带电，并使其中一串的刀闸与断路器全部处于合闸状态，保持#1M 和#2M 母线相连。在一串中的某一组断路器断口耐压试验时，仅有被试的 3 台断路器被断开，中间采用人工挂地线的方式接地，其余的断路器和刀闸仍处于合闸状态。除了和母线相连的 2 串设备，其余 9 串设备均与母线断开。断口耐压试验接线如图 4 所示。短接铜线加压单相母线断口中间下地联络串其余串省略断口 1断口 2#2 母#1 母A B CA B C图 4 断口耐压试验接线511151125113501150125013花从甲线牛从乙直流极1换流变ACF5500 kV#2站用变500 kV#1M500 kV#2M图 2 交流场设备布置图BCxCyCzBL1CyCyL2L3（a）3 串加压BCxCyCzBL1CyCyL2L3BCxCyCzBL1CyCyL2L3Cy（b）4 串加压图 3 串联谐振耐压试验的等效电路原理 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期Aug.10,2023,Vol.40 No.15Telecom Power Technology 4 该操作模式可以将整个交流场断路器分成 33 等份，通过倒闸操作和人工挂地线从 2 侧母线加压，分33 次完成全场断路器断口耐压试验。以单相单条母线对地电容量和单串单相断路器、电流互感器、支柱绝缘子及相关跳线对地等效电容量的计算结果为基础，计算得到 6 条母线对地的等效电容量 Cm=20.4 nF。2 串接入母线的设备中共有 6 台单相设备，且被试断路器的一个断口电容约为 100 pF，支柱电容约为 200 pF，等效电容量 Cn=10.2 nF，被试单组断路器的 6 个均压电容量 Ck=12 nF。考虑分压器的分压电容 Cz为 1 nF，试验等效电路原理如图 5 所示。BCmCnBL1CkCzL2图 5 断口耐压试验等效电路经过计算，试验回路总电容量 C 为 43.6 nF。如果少接入 2 条母线，则试验回路总容量为 36.8 nF，可以满足工频耐压试验要求。为减少 2 条母线的接入，现场将交流场 11 串设备靠#1M 母线侧母线刀闸用铜线进行短接，每一串用一段铜线，在操作母线刀闸时约定全部只操作A相，正好实现用一相母线代替三相母线。此时电抗器的连接方式为 2 串，总电感量为 300 H，可计算出试验频率为 47.9 Hz。在实施断路器断口耐压试验时，试验频率为 46.2 Hz，与计算频率几乎一致。由此可知，根据断路器一次对地耐压试验总结出的等效电容模型在断口耐压试验中得到了成功应用，同时也验证了该数据模型实际应用的可行性。5 结 论通过对换流站交流场断路器耐压试验的计算分析、操作实施，引入谐振系数可以快速准确地计算出串并联谐振交流耐压中的试验频率、需要补偿的电感量以及试品电容量。对于实施大型换流站交流场断路器一次对地耐压试验，提出了通过母线带多串设备同时加压的方法并成功付诸实施，极大地减少了试验工作量。通过建立试验的电路模型，计算出单相单条母线对地等效电容值、单串单相设备对地等效电容值，并将模型和计算结果成功应用到断路器断口交流耐压试验，成功验证了基于交流场断路器一次对地耐压试验提出的试验电路模型和计算结果的正确性。参考文献：1 董旭柱，夏 清，饶 宏，等.对南方电网开展智能电网建设的思考 J.南方电网技术，2012，6（3）：1-6.2 舒印彪.我国特高压输电的发展与实施 J.中国电力，2005，38（11）：1-8.3 苏宏田，齐 旭，吴 云.我国特高压直流输电市场需求研究J.电网技术，2005，29（24）：1-4.4 尚 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