基于低頻輸電線路參數(shù)測試儀器的研究與應(yīng)用

林成理 周 梁 李家灼 劉東昌 鐘賢尤

(浙江省送變電工程有限公司)

0 引言

電網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成條件就是輸電線路, 電網(wǎng)系統(tǒng)在投入運營之前需要進行測算和審批, 而架空輸電線路工頻參數(shù)使用的是傳統(tǒng)的測量方法, 在實際運營的時候能夠發(fā)現(xiàn)不足之處, 在有些低頻輸變電工程中, 需要對低頻線路進行參數(shù)測試, 儀器需要輸出低頻電壓電流信號, 同時測試所有項目時不用換線, 可以使用藍牙設(shè)備操控儀器, 測試人員與測試設(shè)備完全隔離,保證測試過程的安全。

1 低頻輸電線路及參數(shù)測量的重要性

低頻交流輸電目前的主要應(yīng)用在海上風(fēng)電的電力傳輸, 海底電纜輸電的輸送距離與所采用的頻率成反比。降低交流輸電線路的工作頻率可以減小線路對地電納和運行所需的充電無功功率, 同時還能降低輸電線路的有功功率損耗(導(dǎo)體的集膚效應(yīng)), 從而達到提升輸電線路的有功功率傳輸容量的目的。海底電纜經(jīng)濟合理的輸電距離可以大大的增加, 這樣就可以徹底解決遠海風(fēng)電的送出問題。

目前電力系統(tǒng)已經(jīng)加大了單位面積寬度的傳輸容量, 但是基于耦合電感與電路的原因, 導(dǎo)致輸電線路之間的干擾因素越來越多。相關(guān)工作人員進行理論計算的時候無法保證計算結(jié)果的精準性。輸電線路參數(shù)是繼電保護整定、潮流計算、故障分析、網(wǎng)損計算、短路電流計算、故障測距的重要依據(jù)。輸電線路參數(shù)的準確性關(guān)乎電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行, 其意義重大, 需要確保測量輸電線路數(shù)值的精準性。如果測量的數(shù)據(jù)不能保證精準性, 那么受影響的就是電壓的穩(wěn)定性, 還有可能會出現(xiàn)誤操作導(dǎo)致的安全事故。

2 輸電線路工頻測量面臨的困境

2.1 傳統(tǒng)輸電線路工頻測量方法

(1) 增量法

增量法是在電網(wǎng)系統(tǒng)當中根據(jù)測量方程的規(guī)則增加零序電流, 當所有的輸電線路出現(xiàn)連續(xù)電流以后,再根據(jù)電流的特點建立增量方程。但是該項方法有明顯的不足之處: 參與測量的線路出現(xiàn)連零序電流以后, 容易出現(xiàn)誤差逐漸增大的情況, 這就需要工作人員使用其他方法參與測量。

工作人員在測量以后可以通過其他儀器清除零序感應(yīng), 防止電壓被影響, 但此種方法只是在剪短的時間內(nèi)不會導(dǎo)致零序感應(yīng), 零序電流依然會有些許的變化, 工作人員在測量的時候可能會忽略零序電阻產(chǎn)生的影響, 最終測算結(jié)果也會有不小的誤差。

(2) 微分法

微分法是在電壓定律和基爾霍夫電流基礎(chǔ)之上的被測體系, 主要是通過電壓的數(shù)值以及電流的數(shù)值構(gòu)成的微分方程, 在微分方程里面是根據(jù)采集的樣本進行分析, 通過不同樣本之間的差異測量體系的準確率。

(3) 積分法

積分法是建立于微分之上的測量方法, 是利用微分法的數(shù)據(jù), 通過積分法清除多余的導(dǎo)數(shù)。同時工作人員能夠提高測算的精準度, 通過資料排除輸電線路對于接地電容帶來的干擾, 然后再有效地利用增量法, 評估線路參數(shù)測量使用哪種方法更為合適。

相關(guān)工作人員使用在線測算方法, 能夠計算出最后的總參數(shù)數(shù)據(jù)和單位面積線路參數(shù)數(shù)據(jù), 雖然運算過程并不復(fù)雜, 但是在運算期間可能會忽視了輸電線路之間電容的重要性。線路不同電壓數(shù)值也不同, 而且電容可能會影響電流的分布, 最終的計算結(jié)果也會被影響, 因此最終參數(shù)之間會出現(xiàn)較大的數(shù)據(jù)。

工頻儀表法的測試接線狀態(tài)

電網(wǎng)系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)輸電線路工頻測量方法,該方法在測量輸電線路的時候第1 個條件需要斷電,也就意味著需要斷開電能以后方可進行測量和分析,同時在測量的時候連續(xù)和正序參數(shù)值需要使用不同的測算方法, 才可獲得較為準確的數(shù)據(jù)。第2 個條件是在測量輸電線路的時候需要使用多種儀器測量線路是否運行正常, 使用儀器包括電流表、電壓表、頻率表等。測量出來的數(shù)值以后需要手動讀取然后根據(jù)公式運算得到參數(shù)值, 雖然說此項測算方式對比理論運算結(jié)果更為精準, 也可避免其他不穩(wěn)定的因素對其造成干擾。

2.2 存在的不足之處

在實際操作當中能夠了解到, 使用線路參數(shù)法進行測量與分析時, 還會出現(xiàn)以下幾點情況:

(1) 現(xiàn)如今電力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)范圍也越來越大,所以輸電線路的范圍也隨之擴大, 不少線路之間會出現(xiàn)交點或者是平行線, 而且輸電線路受到空間緊張的情況所影響, 在同一個塔架上可能會架設(shè)不同的多回路, 而且有越來越密集的趨勢。如果使用傳統(tǒng)的測量方法測量相鄰的輸電線路時, 那么就有可能會出現(xiàn)無法有效切斷電源的情況。例如:

如果使用傳統(tǒng)的測量方法測算阻抗參數(shù)數(shù)據(jù), 但輸電線路的末端是要和大地接觸, 電流的壓力可能就會較高; 如果測量的是電容數(shù)據(jù), 需要線路末端需要與大地斷開, 而相鄰的輸電線路可能會存在有電的現(xiàn)象, 可能會導(dǎo)致感應(yīng)電壓變強, 那么不僅測量結(jié)果不準確, 還有可能會導(dǎo)致測量工作出現(xiàn)安全隱患。

(2) 傳統(tǒng)線路參數(shù)測量的儀器較多。其中涉及隔離變壓器、電流儀表變壓器以及電壓儀表等多種儀器, 而每種儀器可能需要使用不同規(guī)格的設(shè)備進行測量。在連接上述儀器的時候工序也較為復(fù)雜, 連接以后不能馬上進行測量, 需要安排專業(yè)的測量人員進行試驗, 從而導(dǎo)致測量成本隨之增加。

(3) 目前的變頻電源由于采用變頻器加隔離變壓器的結(jié)構(gòu), 測試頻率范圍一般為40 -60Hz, 如果輸出頻率較低時, 隔離變壓器的體積和重量會成倍增加, 對于運輸來說十分不便。

3 儀器的設(shè)計與應(yīng)用

3.1 工作原理

現(xiàn)如今隨著科技水平的提高, 電力電子技術(shù)的發(fā)展在高頻化發(fā)展。不少電力系統(tǒng)會使用高頻法代替變頻器+隔離變壓器作為最新的分析方法, 電源的可以在寬頻率: 15 -60Hz 輸出。工作人員可以利用變頻電源對變頻電壓以及電流信號進行詳細分析, 通過科學(xué)的折算以后, 能夠得到有效的工頻參數(shù)。根據(jù)可靠的數(shù)據(jù)能夠了解到, 使用異頻法能夠有效防止工作人員受到現(xiàn)場環(huán)境的干擾, 同時也可以方便工作人員進行小電流測試。因為測試電流小, 不需要使用大量的人力和物力, 在降低成本的同時, 也同樣提高了現(xiàn)場工作人員的效率。

根據(jù)研究結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn), 工作人員在測量線路期間受到干擾的主要原因是鄰近線路, 電網(wǎng)的頻率主要在50Hz 附近, 儀器的異頻電源發(fā)出的信號可以施加到需要測量的輸電線路上, 而儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠采集三相的電壓電流的數(shù)據(jù), 同時利用數(shù)字濾波算法將工頻干擾濾除, 保留有效的信號, 最終根據(jù)提前設(shè)定好的程序得出參數(shù)值, 也能確保數(shù)值的精準度。

3.2 技術(shù)原理

本電源采用高頻變壓器設(shè)計, 通過AC/DC→DC/DC→DC/AC, 將輸入的交流220V 電源轉(zhuǎn)換成三相的交流電源。原理圖如圖2 所示。

圖2 原理圖

首先交流電源220V 通過整流單元轉(zhuǎn)化為直流電壓, 直流電壓通過全橋變換器, 轉(zhuǎn)換為高頻方波信號給高頻變壓器的一次側(cè), 高頻變壓器的二次側(cè)整流后, 通過三相橋式逆變電路轉(zhuǎn)化為三相交流電源。

逆變電源以dsp 為控制核心, 采用空間電壓矢量調(diào)制svpwm 技術(shù), 由三相功率逆變器的六個功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波, 能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形?？臻g電壓矢量PWM 與傳統(tǒng)的正弦PWM 不同, 它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)。SVPWM 技術(shù)與SPWM 技術(shù)相比較, 輸出電流波形的諧波成分小, 旋轉(zhuǎn)磁場更逼近圓形, 而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高, 且更易于實現(xiàn)數(shù)字化。

DSP 通過內(nèi)部定時器輸出3 路互補的svpwm 信號。電流互感器采集輸出端電流信號, 作為反饋信號給主控單元。主控根據(jù)設(shè)定的電流值調(diào)節(jié)svpwm 的調(diào)制比, 調(diào)節(jié)電壓的幅值。DSP 通過改變定時器的頻率調(diào)節(jié)變頻電源的輸出頻率。

電源輸出采用繼電器控制輸出波形, 當正序切換到零序狀態(tài)時, 只需改變繼電器的控制邏輯即可, 無需外部改變接線。

信號采集系統(tǒng)采用電壓、電流互感器, 三相互感器采集到的信號給內(nèi)部的高速ADC, DSP 將采集到的數(shù)據(jù)進行運算得出參數(shù)結(jié)果。

3.3 設(shè)計優(yōu)勢

(1) 采用高頻變壓器設(shè)計, 解決了線路參數(shù)測試測量中測試設(shè)備體積大、質(zhì)量大、運輸不便等問題。

(2) 電源輸出頻率范圍寬: 15 -60Hz, 可以在低頻輸變電線路中采用低頻法進行測量。

(3) 一體化設(shè)計做到了高度集成化, 將所有的設(shè)備全部都集中到主機中, 工作人員接線的過程也簡單便捷, 僅需要一次接線就可以測量所有的參數(shù), 避免了測量期間需要拆接線, 而對現(xiàn)場測量人員造成傷害。

(4) 儀器可以根據(jù)干擾特征參數(shù), 設(shè)計出自適應(yīng)的數(shù)字濾波算法, 實現(xiàn)對工頻干擾進行有效抑制,保證測試數(shù)據(jù)可靠準確。

(5) 儀器在測量的時候, 接入的是日常所用的220v 的電壓, 而不是傳統(tǒng)測量所使用的380v 電壓,避免接入不方便的情況。

(6) 儀器內(nèi)置藍牙模塊, 測試人員可以使用藍牙設(shè)備操控儀器, 測試人員與設(shè)備完全隔離, 保證測量安全。

(7) 儀器配備了儲存的功能, 同時也有日歷芯片, 儀器可以根據(jù)日期自動保存數(shù)據(jù), 方便作業(yè)人員和管理人員隨時查看數(shù)據(jù), 也可以隨時打印。儀器配備了usb 接口, 方便工作人員隨時將數(shù)據(jù)導(dǎo)出, 也可以在任意的pc 機上查看, 方便科研人員做工作報告。

(8) 測儀器有液晶顯示屏, 即使工作人員不熟悉操作步驟也可以根據(jù)頁面的操作流程進行試驗, 每一環(huán)節(jié)有詳細的介紹, 并不需要額外安排其他人員對現(xiàn)場測試人員進行培訓(xùn), 自己觸摸以后就能了解操作的過程。而且儀器內(nèi)部還設(shè)定了接地功能, 儀器能夠感應(yīng)測量期間是否會出現(xiàn)接地情況不良的現(xiàn)象, 如果出現(xiàn)不安全的因素, 儀器可以快速地感應(yīng), 禁止人員操作, 從而保護作業(yè)人員的安全, 而且測試儀器也基本不會出現(xiàn)損壞的情況。

3.4 設(shè)計成果

設(shè)計的儀器體積小、重量僅為20kg, 可以完成輸電線路的正序阻抗、零序阻抗、正序電容、零序電容等參數(shù)的測試, 既可以應(yīng)用在工頻輸電線路中, 也可以測試低頻輸電線路參數(shù)。儀器外形如圖3 所示。

圖3 儀器外形

3.5 儀器的應(yīng)用

在某市的輸變電工程中線路參數(shù)測試使用本儀器進行測量, 在進行測量之前, 首先將線路和儀器可靠接入大地, 其次再將電源輸出信號地N 也可靠與大地連接, 然后把3 個輸出端ABC 分別接入到線路電流引下線, 最后將UA、UB、UC 接入線路電壓引下線。工作人員完成接線工作以后, 緊接著打開線路端的接地刀閘, 此項操作能夠最大限度保證工作人員及測試設(shè)備的安全性。如圖4 所示。

圖4 測試接線

完成接線后, 儀器開機, 首先在線路末端在短路接地情況下測試線路的正序阻抗、零序阻抗。然后將線路末端保持開路狀態(tài), 測試線路的正序電容和零序電容。

4 結(jié)束語

本設(shè)計采用高頻變壓器一體機設(shè)計, 頻率可以實現(xiàn)15 -60Hz 寬范圍輸出, 解決了目前市場上無法用20Hz 對低頻輸電線路參數(shù)的測試。同時與傳統(tǒng)的儀器相比更加輕便。采用藍牙設(shè)備進行無接觸操作, 更加安全。儀器采用自適應(yīng)的數(shù)字濾波技術(shù), 測試更加準確, 抗干擾性能更強, 提升了服務(wù)質(zhì)量。