基于工頻濾波的線路絕緣及定相測(cè)試仿真

邢華棟，劉鋒，張愛軍

(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院， 呼和浩特 010020)

0 引 言

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路多回、交叉情況日益增多，使輸電線路上感應(yīng)出較高的感應(yīng)電壓、電流。由于感應(yīng)電壓的存在，在進(jìn)行定相及絕緣測(cè)試時(shí)，人身及設(shè)備安全將受到威脅。文獻(xiàn)[1]對(duì)高感應(yīng)電壓輸電線路的定相及絕緣測(cè)試方法進(jìn)行了總結(jié)與比較，指出采用降低感應(yīng)電壓后直接用兆歐表(絕緣電阻表)測(cè)試的方法是一種既能夠明顯判斷線路相位又能真實(shí)反應(yīng)實(shí)際測(cè)試值的較好方法，對(duì)人身及設(shè)備安全都有保障。文獻(xiàn)[2]放棄兆歐表的使用，而是基于消弧線圈電感電流補(bǔ)償電容電流的原理，專門設(shè)計(jì)了一種電壓倒相補(bǔ)償?shù)木€路交流感應(yīng)電壓消除裝置，取得了良好效果，但設(shè)備成本高，接線復(fù)雜。上述方法均采用了降低線路感應(yīng)電壓的技術(shù)路線。文獻(xiàn)[3]中提出了一種基于RC分壓原理的工頻濾波器，將其加裝在兆歐表和輸電線路之間后可以有效降低兆歐表上的工頻感應(yīng)電壓，但仿真驗(yàn)證用的感應(yīng)電線路模型過于簡單和理想化，工程參考價(jià)值不高。文章利用PSCAD對(duì)工頻濾波器和一條實(shí)際同塔雙回500 kV線路進(jìn)行詳細(xì)建模，按照實(shí)際工程中的線路絕緣測(cè)試和定相測(cè)試步驟進(jìn)行系統(tǒng)仿真，對(duì)工頻濾波器的性能和效果進(jìn)行深入分析，為工程實(shí)踐提供參考。

1 工頻濾波器的基本原理

工頻濾波器實(shí)質(zhì)為RC低通濾波器，其原理和使用方法如圖1所示。工頻濾波器由Rf和Cf串聯(lián)而成。設(shè)線路感應(yīng)電壓為U1，串聯(lián)工頻濾波器后，兆歐表輸出端L與E之間承受的電壓為U2。

圖1 工頻濾波器原理圖Fig.1 Principle diagram of power frequency filter

根據(jù)相關(guān)電路理論[4]，U1與U2的關(guān)系式為：

(1)

式中ω0為工頻角頻率。若ω0RfCf?1，則式(1)的分母中可將1省略，進(jìn)而近似為：

(2)

可見，只要工頻濾波器的電阻與電容的乘積足夠大，那么加在兆歐表上的工頻電壓就可以基本消除。

兆歐表輸出的是直流電，當(dāng)兆歐表經(jīng)工頻濾波器對(duì)線路進(jìn)行絕緣及定相測(cè)試時(shí)，由于電容通交流阻直流的特性，工頻濾波器在直流回路中相當(dāng)于一個(gè)電阻，依然能夠保證兆歐表輸出的電流全部流過線路，此時(shí)，兆歐表測(cè)出的絕緣電阻為線路絕緣電阻和工頻濾波器內(nèi)阻之和。設(shè)兆歐表測(cè)出的絕緣電阻為Rdc，線路絕緣電阻為RL，則有RL=Rdc-Rf。可見，工頻濾波器不會(huì)對(duì)絕緣及定相測(cè)試結(jié)果造成影響。

2 工頻濾波器的應(yīng)用仿真

用PSCAD/EMTDC對(duì)高感應(yīng)電壓線路絕緣及定相測(cè)試過程進(jìn)行建模仿真，對(duì)比在使用和不使用工頻濾波器兩種情況下感應(yīng)電壓對(duì)兆歐表的影響。

2.1 同塔雙回線路建模

同塔雙回線路的PSCAD模型參照文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]提供的武-察雙回500 kV線路進(jìn)行搭建，線路模型采用頻率相關(guān)的相域模型[7]，該線路的桿塔模型見圖2。

圖2 同塔雙回500 kV線路模型Fig.2 Model of 500 kV double circuit transmission line on the same tower

為了更準(zhǔn)確的模擬輸電線路，PSCAD 4.5及以上的版本中增加了線路導(dǎo)體的絞線模型。武-察線導(dǎo)線型號(hào)為4×JL/G1A-400/35，單根分裂導(dǎo)線共55股，外半徑為0.0134 m，其中鋁絞線共48股，單根鋁絞線半徑為0.001 6 m[8]。

對(duì)武-察雙回線進(jìn)行單體仿真，對(duì)武-察II線進(jìn)行工頻參數(shù)測(cè)試[9-11]，將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[6]以及BPA中的500 kV線路典型工頻參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見表1。

表1 武- 察II線的工頻參數(shù)Tab.1 Power frequency parameters of Wucha line II

從表1看出，仿真得出的線路工頻參數(shù)與該線路的實(shí)測(cè)值以及BPA典型值非常接近，證明了本線路模型的準(zhǔn)確性。

武-察I線正常運(yùn)行，線路潮流2 000 MW，線路平均電壓525 kV，分別對(duì)武-察II線在懸空和兩側(cè)接地兩種狀態(tài)下的感應(yīng)電情況進(jìn)行仿真研究。

武-察II線懸空時(shí)，線路感應(yīng)電壓以靜電感應(yīng)分量為主；武-察II線兩側(cè)接地時(shí)線路靜電感應(yīng)電壓較小，感應(yīng)電流以電磁感應(yīng)分量為主[12-15]，武-察II線的靜電感應(yīng)電壓與電磁感應(yīng)電流見表2。

表2 武-察II線的靜電感應(yīng)電壓與電磁感應(yīng)電流Tab.2 Electrostatic induction voltage and electromagnetic induction current in Wucha line II

2.2 兆歐表的建模

常用的兆歐表分為機(jī)械式和數(shù)字式。機(jī)械式兆歐表內(nèi)部采用交流手搖發(fā)電機(jī)、倍壓整理電路產(chǎn)生高壓直流電[3,16]；數(shù)字式兆歐表采用直流電源經(jīng)DC-DC斬波升壓電路產(chǎn)生高壓直流電[17-18]。兩種形式的兆歐表產(chǎn)生高壓的方式不同，但目的均是產(chǎn)生高壓直流電。另外，兆歐表的短路電流均為毫安級(jí)，因此對(duì)外等效電阻值很大?？梢?，對(duì)于被測(cè)設(shè)備，兆歐表表現(xiàn)為一個(gè)具有高內(nèi)阻的直流電壓源。因此可用恒定直流電壓源串聯(lián)高值電阻的模型模擬兆歐表。

仿真中，采用2 500 V直流電壓源和0.5 MΩ電阻模擬額定電壓為2 500 V短路電流為5 mA的兆歐表。根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，兆歐表有一定的耐壓水平和過載能力，在仿真中其能承受的最大電壓按2 700 V考慮，最大電流按5.5 mA考慮。

2.3 工頻濾波器建模

工頻濾波器結(jié)構(gòu)簡單，只需用一個(gè)電容和一個(gè)電阻即可搭建模型，關(guān)鍵在于參數(shù)的選取。

根據(jù)式(1)，若想將加在兆歐表上的工頻感應(yīng)電壓降低1 000倍，則工頻濾波器的ω0RfCf=1 000，RfCf=3.185。

關(guān)于Rf的取值，應(yīng)從兩方面考慮：(1)測(cè)量誤差。兆歐表進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試時(shí)，隨著測(cè)量值的增大，誤差也在增大，考慮到使用工頻濾波器后，其電阻值是要計(jì)入兆歐表的測(cè)試結(jié)果中的，因此，工頻濾波器的電阻應(yīng)盡量小，以免增大兆歐表的測(cè)量誤差[3]；(2)測(cè)試時(shí)間，對(duì)懸空的輸電線路進(jìn)行絕緣測(cè)試時(shí)，工頻濾波器與線路對(duì)地電容構(gòu)成串聯(lián)回路，電阻值越大，充電時(shí)間越長，為了減少因工頻濾波器而增加的測(cè)試時(shí)間，Rf值也應(yīng)盡量小。

關(guān)于Cf的取值，由于兆歐表內(nèi)阻與工頻濾波器的電容構(gòu)成串聯(lián)回路，電阻值越大，充電時(shí)間越長，因此從測(cè)試時(shí)間的角度考慮，Cf也是越小越好。

綜上，工頻濾波器的電阻和電容取值均為越小越好，然而，在降壓倍數(shù)不變的情況下，Rf和Cf的值成反比，因此，電阻和電容的最優(yōu)取值不可兼得。現(xiàn)給出三種不同參數(shù)的工頻濾波器見表3，在下面的仿真中，這些工頻濾波器將分別被用于線路絕緣及定相測(cè)試仿真中，從測(cè)試時(shí)間的角度對(duì)比性能。

表3 三種不同參數(shù)的工頻濾波器Tab.3 Three types of power frequency filters with different parameters

2.4 絕緣及定相測(cè)試仿真

線路的絕緣及定相測(cè)試分為絕緣測(cè)試和定相測(cè)試，需分別對(duì)每相進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試。

絕緣測(cè)試的目的是確認(rèn)線路絕緣是否良好，其方法為先使三相線路兩側(cè)懸空，分別用兆歐表對(duì)三個(gè)單相線路進(jìn)行絕緣測(cè)試，兆歐表讀數(shù)超過30 MΩ且持續(xù)增長說明線路絕緣合格，無接地點(diǎn)。

定相測(cè)試的目的是確認(rèn)線路兩端相序是否一致，其方法為，分別將各相線路末端依次接地，例如先將線路末端的A相接地，另外兩相保持懸空，用兆歐表對(duì)本側(cè)A相進(jìn)行絕緣測(cè)試，讀數(shù)為0說明線路兩側(cè)都為A相，讀數(shù)超過30 MΩ且持續(xù)增長說明兩側(cè)相序不一致。

對(duì)武-察II線進(jìn)行絕緣定相仿真測(cè)試，仿真模型見圖3。圖3中，武-察I線正常運(yùn)行，輸送潮流為2 000 MW，武-察II線為待測(cè)線路。BRK1為武-察II線測(cè)試端開關(guān)，為常開狀態(tài)，BRK2為武-察II線末端(對(duì)側(cè))接地開關(guān)，當(dāng)進(jìn)行絕緣測(cè)試時(shí)，BRK2三相位置為分位，進(jìn)行定相測(cè)試時(shí)，BRK2被測(cè)相的位置為合位，其它相為分位。BRK3為兆歐表開關(guān)，用于模擬兆歐表的投退，BRK4為工頻濾波器開關(guān)，用于模擬工頻濾波器的投退。

2.4.1 絕緣測(cè)試仿真

對(duì)武-察II線A相線路進(jìn)行絕緣測(cè)試仿真，為對(duì)比工頻濾波器效果，分別對(duì)不加裝工頻濾波器和加裝工頻濾波器兩種方式進(jìn)行仿真。

不加裝工頻濾波器時(shí)，將圖3中的工頻濾波器以及BRK4刪除，用兆歐表直接對(duì)A相線路進(jìn)行測(cè)試，BRK2三相位置設(shè)置為分位，0.1 s時(shí)BRK3閉合，模擬兆歐表投入，兆歐表輸出端的電壓、電流波形見圖4。

圖3 帶工頻濾波器的同塔雙回線路絕緣及定相測(cè)試仿真模型Fig.3 Simulation model of insulation and phasing test on double circuit transmission line on the same tower by using power frequency filter

圖4 絕緣測(cè)試無工頻濾波器時(shí)兆歐表輸出端電壓、電流Fig.4 Output voltage and current of megger in insulation test without power frequency filter

圖4中的Udc和Idc分別為兆歐表輸出端的電壓和電流。由仿真結(jié)果看出，無工頻濾波器時(shí)，加在兆歐表上的工頻感應(yīng)電壓很大，幅值為38 kV，有效值為27 kV，是兆歐表最大耐受電壓的10倍，兆歐表的絕緣會(huì)因此而遭到破壞。同時(shí)，流過兆歐表的電流幅值達(dá)到80 mA，有效值為56 mA，是兆歐表最大電流的10.3倍，兆歐表內(nèi)部元件會(huì)因過載而燒壞。

加裝二型工頻濾波器后，在圖3所示的模型上進(jìn)行仿真，0.1 s時(shí)BRK4閉合，模擬工頻濾波器投入，0.3 s時(shí)BRK3閉合，模擬兆歐表投入。兆歐表輸出端波形及測(cè)試結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 加裝二型工頻濾波器后的兆歐表輸出端電壓Fig.5 Voltage of megger output terminals after using the second type of power frequency filter

圖6中Rdc為兆歐表測(cè)出的絕緣電阻值，為兆歐表輸出端電壓與電流之比，呈逐漸增大趨勢(shì)，說明A相對(duì)地絕緣良好，無接地點(diǎn)。

從圖5和圖6看出，工頻濾波器有效降低了兆歐表上的工頻感應(yīng)電壓和電流，疊加在兆歐表輸出端直流電壓上的工頻交流分量幅值僅為38 V，流過兆歐表的電流在投入瞬間達(dá)到最大值5.04 mA，之后迅速衰減逐漸趨向于0。雖然電壓和電流略微超額定值，但均在兆歐表可承受范圍內(nèi)，因此兆歐表不會(huì)受到損壞。

分別將一、三型工頻濾波器再次用于絕緣測(cè)試仿真，對(duì)比三種參數(shù)工頻濾波器的性能，見表4。

表4 絕緣測(cè)試中三種參數(shù)工頻濾波器性能對(duì)比Tab.4 The performance comparison on three power frequency filters with different parameters in the insulation test

用一型和三型工頻濾波器進(jìn)行絕緣測(cè)試的時(shí)間均大于用二型工頻濾波器的時(shí)間，一型工頻濾波器甚至使測(cè)試時(shí)間達(dá)到70 s以上，這與RC串聯(lián)回路的時(shí)間常數(shù)有很大關(guān)系。武-察II線A相對(duì)地電容為0.008 1×84=0.68 μF，一型工頻濾波器的Cf為31.847 μF，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線路對(duì)地電容，兆歐表內(nèi)阻和工頻濾波器Cf組成的串聯(lián)回路時(shí)間常數(shù)約為16 s，3～5個(gè)時(shí)間常數(shù)才能使電容充滿電，Cf過大是一型工頻濾波器使測(cè)試時(shí)間長的主要原因。三型工頻濾波器的Cf為0.319 μF，與武-察II線A相對(duì)地電容在數(shù)量級(jí)上相當(dāng)，但由于工頻濾波器Rf高達(dá)10 MΩ，其與線路對(duì)地電容組成的串聯(lián)回路時(shí)間常數(shù)約為7 s，3～5個(gè)時(shí)間常數(shù)才能使電容充滿電，Rf較大是三型工頻濾波器使測(cè)試時(shí)間較長的原因。二型工頻濾波器所選參數(shù)相對(duì)于其它工頻濾波器更為合理，因此測(cè)試時(shí)間最短，約為10 s左右。

2.4.2 定相測(cè)試仿真

對(duì)武-察II線A相線路進(jìn)行定相測(cè)試仿真，將BRK2的A相位置設(shè)置為合位，B、C相為分位，用來模擬線路末端A相接地。

不加工頻濾波器時(shí)，用兆歐表直接對(duì)A相線路進(jìn)行測(cè)試，0.1 s時(shí)BRK3閉合，模擬兆歐表投入，兆歐表輸出端的電壓、電流波形見圖7。

圖7 定相測(cè)試無工頻濾波器時(shí)兆歐表輸出端電壓與電流Fig.7 Output voltage and current of megger in phasing test without power frequency filter

從仿真結(jié)果看出，兆歐表輸出端的直流電壓中疊加了很大的工頻電壓，幅值為5.5 kV，有效值為3.9 kV，是兆歐表最大耐受電壓的1.4倍；直流電流中疊加了幅值為11 mA的工頻電流，有效值為7.8 mA，是兆歐表最大承受電流的1.4倍，兆歐表的絕緣和內(nèi)部元件被損壞。

加裝二型工頻濾波器后進(jìn)行定相測(cè)試仿真，0.1 s 時(shí)BRK4閉合，0.3 s時(shí)BRK3閉合。兆歐表輸出端波形及測(cè)試結(jié)果見圖8。

圖8 定相測(cè)試加裝二型工t/s頻濾波器后兆歐表壓、電流及測(cè)試結(jié)果Fig.8 Voltage,current and test result of megger after using the second type power frequency filter in the phasing test

從圖8看出，加裝二型工頻濾波器后，測(cè)試過程中兆歐表輸出端的電壓和電流均在合格范圍內(nèi)，7.5 s 時(shí)絕緣電阻值穩(wěn)定為1 MΩ，正好為工頻濾波器的電阻值，說明線路對(duì)地絕緣電阻為0，可得出A相對(duì)側(cè)接地的結(jié)論，證明該相線路的相序正確?？梢?，加裝工頻濾波器后，兆歐表得到了有效保護(hù)，同時(shí)，測(cè)量結(jié)果沒有受到影響。

分別用一型和三型工頻濾波器再次進(jìn)行定相測(cè)試，對(duì)比三種參數(shù)工頻濾波器的性能，見表5。

表5 定相測(cè)試中三種參數(shù)工頻濾波器性能對(duì)比Tab.5 Performance comparison of three power frequency filters of different parameters in the phasing test

由于A相線路末端接地，線路對(duì)地電容可忽略，因此影響測(cè)試時(shí)間的主要因素為兆歐表內(nèi)阻與工頻濾波器的Cf構(gòu)成的RC串聯(lián)回路時(shí)間常數(shù)，Cf越小，測(cè)試時(shí)間越短。

3 結(jié)束語

對(duì)停運(yùn)線路進(jìn)行絕緣測(cè)試及定相測(cè)試時(shí)，過高的感應(yīng)電壓對(duì)兆歐表是一種潛在危險(xiǎn)。工頻濾波器不以降低線路上的感應(yīng)電壓為目的，但可以將兆歐表上的工頻感應(yīng)電壓基本濾除，通過對(duì)實(shí)際同塔雙回500 kV輸電線路進(jìn)行建模，并在此基礎(chǔ)上對(duì)加裝工頻濾波器的絕緣及定相測(cè)試進(jìn)行仿真，可得出以下結(jié)論：

(1)將工頻濾波器用于高感應(yīng)電的輸電線路絕緣及定相測(cè)試，可以在不影響測(cè)量結(jié)果的情況下有效保護(hù)兆歐表，在工程上是一種簡單可行的方法；

(2)工頻濾波器的參數(shù)對(duì)測(cè)試時(shí)間影響很大，電阻過大和電容過大均會(huì)增加測(cè)試時(shí)間。在工程實(shí)際中，絕緣及定相測(cè)試的時(shí)間控制在1分鐘以內(nèi)是可以接受的，因此推薦兆歐表的電阻范圍為1 MΩ～10 MΩ，根據(jù)電阻和降壓倍數(shù)即可計(jì)算出電容值。本仿真中的二型工頻濾波器性能較好，適用于500 kV及以下輸電線路的絕緣及定相測(cè)試。