特高壓并聯(lián)電抗器感應(yīng)電壓試驗(yàn)補(bǔ)償方式的計算與研究

伊 鋒，楊在葆

(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250022)

0 引言

特高壓并聯(lián)電抗器是指接在輸電線路的相與地之間的電抗器，其安裝在輸電線路的末端，用于補(bǔ)償長輸電線路引起的電容效應(yīng)，提高輸電效益和輸電質(zhì)量。隨著交流特高壓電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，輸送距離越來越長，整個輸電線路的波阻抗也隨之增大，因此特高壓并聯(lián)電抗器在電網(wǎng)中的地位愈來愈重要，其能否安全運(yùn)行直接關(guān)系到整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

由于并聯(lián)電抗器在設(shè)計、制造以及其自身獨(dú)有的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在運(yùn)行中的惡性故障時有發(fā)生，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而常規(guī)的試驗(yàn)方法，只考核了電抗器主絕緣電氣強(qiáng)度，對于電抗器的縱絕緣電氣強(qiáng)度即匝間、層間、段間絕緣不能夠靈敏地、有效地檢測，目前最有效檢測手段是感應(yīng)電壓試驗(yàn)〔1〕。感應(yīng)電壓試驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證電抗器的縱絕緣電氣強(qiáng)度，能夠精準(zhǔn)的檢測出電抗器縱絕緣存在的絕緣缺陷，保證電抗器不因存在局部放電而損壞，對于提高并聯(lián)電抗器的安全運(yùn)行水平，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 特高壓并聯(lián)電抗器感應(yīng)電壓試驗(yàn)常規(guī)方法

1.1 試驗(yàn)簡述

1) 型式試驗(yàn)：5 min;

試驗(yàn)持續(xù)時間如圖1所示。

圖中：A=5 min；B=5 min；C=試驗(yàn)時間；D=60 min；E=5 min

在施加試驗(yàn)電壓的整個期間，監(jiān)測局部放電量。在U2下的長時試驗(yàn)期間，高壓側(cè)局部放電量的連續(xù)水平不大于100 pC。

電抗器生產(chǎn)完成之后，額定頻率、線圈匝數(shù)、磁通量都已確定。鐵芯伏安特性曲線，一般設(shè)計在額定頻率和電壓時接近彎曲〔3-4〕，由法拉第電磁感應(yīng)原理可知，感應(yīng)電動勢為：

E=4.44fN?

式中:E——感應(yīng)電動勢；f——頻率；N——繞組匝數(shù)；?——磁通量。

由上式可知，在額定頻率時，要達(dá)到試驗(yàn)最高電壓Um，鐵芯會過飽和。要達(dá)到試驗(yàn)電壓要求時，必須相應(yīng)提高試驗(yàn)頻率。因此一般的并聯(lián)電抗器感應(yīng)電壓試驗(yàn)時，試驗(yàn)頻率要求一般不低于100 Hz，但不高于250 Hz，因?yàn)殍F芯中的損耗與頻率成正比，提高試驗(yàn)頻率，會增加試驗(yàn)所需電源容量。

1.2 并聯(lián)電抗器感應(yīng)電壓試驗(yàn)常規(guī)補(bǔ)償方案

以一臺額定容量為240 MVar的1 100 kV并聯(lián)電抗器為例，簡要介紹常規(guī)特高壓并聯(lián)電抗器感應(yīng)電壓試驗(yàn)補(bǔ)償方法，該臺電抗器按常規(guī)補(bǔ)償方案進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)合格。電抗器額定參數(shù)如表1所示。

表1 并聯(lián)電抗器技術(shù)參數(shù)

主要試驗(yàn)設(shè)備包括一臺三相試驗(yàn)中間變、一臺單相試驗(yàn)中間變、一臺中頻發(fā)電機(jī)組及補(bǔ)償電容器組，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)

電抗器在達(dá)到試驗(yàn)電壓下需要很大的無功功率，這是由于并聯(lián)電抗器自身特有的特殊結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)等效電路中呈現(xiàn)感性負(fù)載，因此在試驗(yàn)中需要容性負(fù)載來補(bǔ)償，為了防止發(fā)電機(jī)自勵磁現(xiàn)象〔4-7〕，同時保證發(fā)電機(jī)的電流不超額定電流，即發(fā)電機(jī)側(cè)負(fù)載為感性，需在第一級中間變的高壓側(cè)進(jìn)行容性電流補(bǔ)償，接線示意圖如圖2所示。補(bǔ)償電容器組的計算簡述如表3所示。

表3 常規(guī)補(bǔ)償方案計算簡述

1.3 常規(guī)補(bǔ)償方案存在的問題

由于1 100 kV并聯(lián)電抗器電壓等級高、容量大，采用以上試驗(yàn)方案存在兩個方面的問題：一是特高壓并聯(lián)電抗器電抗設(shè)計值與實(shí)際測量值存在偏差，雖然此偏差很小，但由于試品容量太大，容性負(fù)荷無法做到精確補(bǔ)償；二是在第一級中間變壓器側(cè)的補(bǔ)償電容器組額定電壓與被試電抗器感應(yīng)電壓差距太大，需要多組電容器串聯(lián)滿足被試電壓，此過程存在的問題是由于電容器組串聯(lián)過多，在進(jìn)行電容量復(fù)核的過程中，電容值的數(shù)量級過小，無法發(fā)現(xiàn)因失誤而多串進(jìn)補(bǔ)償回路中的電容器。這兩個問題都會導(dǎo)致電容器過補(bǔ)償現(xiàn)象的發(fā)生，而此情況一旦產(chǎn)生，將很容易引起發(fā)電機(jī)組自勵磁現(xiàn)象，導(dǎo)致試品擊穿。

2 新方法的提出與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 一種新的感應(yīng)電壓試驗(yàn)補(bǔ)償方案

進(jìn)一步考慮，在上述試驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種新的特高壓并聯(lián)電抗器感應(yīng)電壓試驗(yàn)回路，方式為在第一級中間變壓器高壓側(cè)補(bǔ)償電容器組的基礎(chǔ)上，發(fā)電機(jī)輸出側(cè)再補(bǔ)償小容量的微調(diào)電抗器。該電抗器根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。綜合分析，即使電容器組的補(bǔ)償出現(xiàn)故障，在保證補(bǔ)償容量的情況下，發(fā)電機(jī)組出口側(cè)的負(fù)載仍為感性，從而能有效避免過補(bǔ)償現(xiàn)象的發(fā)生。

仍以該臺電抗器為例，接線原理如圖3所示。試驗(yàn)時使用設(shè)備與常規(guī)方法相同，在發(fā)電機(jī)組出口側(cè)增加一臺電感值可調(diào)的電抗器(6 400 kVA)，具體計算過程為：

1) 計算出第二級中間變壓器的阻抗壓降系數(shù)，如表4所示；

2) 將試品與第二級中間變壓器的阻抗參數(shù)折算到1 800 kV中間變的低壓側(cè)，等效電路圖如圖4所示；

3) 根據(jù)計算，阻抗壓降系數(shù)為1.173，新的補(bǔ)償方案計算簡述如表5為所示。

表4 阻抗壓降系數(shù)折算

表5 新的補(bǔ)償方案計算簡述

2.2 新方法試驗(yàn)驗(yàn)證

按圖3接線方式試驗(yàn)〔8-9〕，升壓順序按圖1要求進(jìn)行，試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)參數(shù)正常，補(bǔ)償電容器組工作正常，補(bǔ)償電抗器工作正常。試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)如表6所示，試驗(yàn)結(jié)果滿足國標(biāo)中局放量小于100 pC的要求，新方法與常規(guī)法試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較無明顯變化，證明新補(bǔ)償方式下感應(yīng)電壓試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時驗(yàn)證了新補(bǔ)償方式的可靠性。

表6 并聯(lián)電抗器感應(yīng)電壓試驗(yàn)記錄

3 結(jié)語

由于并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)比較特殊，其試驗(yàn)方法不同于變壓器，在進(jìn)行感應(yīng)電壓試驗(yàn)時，試驗(yàn)電壓只能在高壓端直接施加，這就增加了試驗(yàn)難度，并且由于在試驗(yàn)等效電路中呈感性，所以需要補(bǔ)償容性無功。發(fā)電機(jī)組帶容性負(fù)載時會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組發(fā)生自勵磁現(xiàn)象，對發(fā)電機(jī)、電抗器、補(bǔ)償電容器等造成損壞，嚴(yán)重情況下，會導(dǎo)致人身傷亡事故，造成無法估量的經(jīng)濟(jì)損失，因此合理處置電容器的補(bǔ)償對于電抗器感應(yīng)電壓試驗(yàn)至關(guān)重要。

文中以傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組為電源的升壓方式，結(jié)合一臺1 100 kV/240 MVar特高壓并聯(lián)電抗器為例，提出了新的補(bǔ)償方式，并且順利完成試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)合格。該補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn)是能有效避免發(fā)電機(jī)組直接帶容性負(fù)載，解決了發(fā)電機(jī)組自勵磁現(xiàn)象的發(fā)生，避免人身和設(shè)備遭受損壞，有效提高電抗器感應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。該方法對使用發(fā)電機(jī)組為試驗(yàn)電源的試驗(yàn)方式具有一定的參考意義。