電抗器作用:電抗器雜散電容測(cè)試方法研究

      摘 要：干式空心平波電抗器端對(duì)端、端對(duì)地雜散電容的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于直流輸電線路保護(hù)段的設(shè)計(jì)起到重要的指導(dǎo)意義。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，得到回路中RC等效電路，針對(duì)繼電器的動(dòng)作過程，提出減少雜散值和提高中間繼電器動(dòng)作可靠性的防范措施。筆者根據(jù)多年生產(chǎn)實(shí)際及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于干式空心平波電抗器雜散電容的測(cè)試方法進(jìn)行了反復(fù)摸索，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及仿真計(jì)算校驗(yàn)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦用方法的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并摸索出新的雜散電容測(cè)量方法——導(dǎo)納電橋測(cè)試法，實(shí)現(xiàn)了干式平波電抗器雜散電容的準(zhǔn)確測(cè)量，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的有效、可靠。

　　關(guān)鍵詞：電抗器；雜散電容；電橋測(cè)量；電平比較法；直接測(cè)量法
　　
      引 言
　　隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，一次能源和電力負(fù)荷分布不均衡的問題更加突出，發(fā)展特高壓電網(wǎng)，特高壓大容量、遠(yuǎn)距離輸電的安全性經(jīng)濟(jì)性，是提高能源利用率、保障能源安全的必然選擇。按照國(guó)家電網(wǎng)“十一五”規(guī)劃和國(guó)家電網(wǎng)公司的總體部署，2015年前將相繼建成向家壩——上海奉賢、裕隆——同里、溪洛渡右——浙江武義等多條直流輸電工程。同時(shí)，南方電網(wǎng)溪洛渡、糯扎渡等直流輸電工程也在相繼進(jìn)行中。
　　　
　　干式空心平波電抗器作為特高壓、超高壓直流輸電換流站中三大關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用不容小覷。其產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性對(duì)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提出了嚴(yán)格要求，同時(shí)干式平波電抗器的各類電氣參數(shù)、機(jī)械參數(shù)就成為衡量設(shè)備安全與否的重要依據(jù)，其中，平波電抗器雜散電容的有效測(cè)量為系統(tǒng)計(jì)算提供了不可或缺的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此成為設(shè)備制造企業(yè)和網(wǎng)聯(lián)公司都密切關(guān)注的重要參數(shù)。
　　　
　　與此同時(shí)，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，雜散電容的測(cè)試手段都沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)際相關(guān)平波電抗器標(biāo)準(zhǔn)從未涉及雜散電容測(cè)試，而國(guó)內(nèi)相關(guān)平波電抗器標(biāo)準(zhǔn)推薦的測(cè)試方法也是根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的幾條特高壓、超高壓直流輸電工程總結(jié)下的經(jīng)驗(yàn)得到的，且經(jīng)驗(yàn)較少。本文，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的推薦測(cè)試方法以及筆者實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量摸索出的方法進(jìn)行對(duì)比分析，為今后平波電抗器雜散電容測(cè)試提供參考。
　　
      1、基本情況
　　目前，電抗器行業(yè)內(nèi)常用的雜散電容的測(cè)試方法主要有直接測(cè)量法、電平比較法、導(dǎo)納電橋測(cè)試法。其中直接測(cè)量法和電平比較法為平波電抗器國(guó)標(biāo)推薦使用方法。導(dǎo)納電橋測(cè)試法為筆者根據(jù)多年實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，通過與國(guó)標(biāo)推薦方法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較得出的第三種方法。下文將對(duì)上述三種方法做詳細(xì)分析比較。
　　
      1.1直接測(cè)量法
　　原理：據(jù)筆者了解平波電抗器生產(chǎn)廠商利用高頻阻抗直接測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量雜散電容時(shí)，通常使用的測(cè)試儀器為7600RLC參數(shù)精密測(cè)量分析儀。該儀器能測(cè)量及分析被試品的R、L、C、D、Q、Gp、Bp、Xs、Y等14種參數(shù)并同時(shí)顯示14種參數(shù)的任意兩種組合。設(shè)備標(biāo)注的工作頻率范圍10Hz-2MHz。7600自動(dòng)平衡電橋的阻抗測(cè)量是基于矢量電壓、電流比的測(cè)量。被試品（out）的阻抗是由測(cè)量被試品上施加的信號(hào)電壓和流過的電流間的矢量比而定，然后由電壓和電流之比計(jì)算測(cè)試端阻抗。這種方法可用于多端測(cè)量結(jié)構(gòu)，在電路中消除殘余阻抗的影響。同時(shí)測(cè)量電路比較簡(jiǎn)單、量程寬。根據(jù)該儀器的特點(diǎn)，能夠直接在儀表盤上讀出被試品的雜散電容值。
　　
      優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試儀器單一，工作效益高，可以實(shí)現(xiàn)掃頻測(cè)量。
　　缺點(diǎn)：儀表測(cè)試信號(hào)電壓最高為1V，測(cè)試引線長(zhǎng)時(shí)，會(huì)引起誤差（因儀表制造廠規(guī)定不得超過2m），由于測(cè)試方式為寬頻，頻率大于600kHz時(shí)測(cè)試誤差為±5%，高頻時(shí)測(cè)試誤差由于儀表的信號(hào)電壓低易受干擾，測(cè)試誤差很難估計(jì)。而國(guó)標(biāo)要求的測(cè)試頻率范圍為30kHz—1000kHz。
　　
      1.2電平比較法
　　原理：在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，由于空間電磁干擾過強(qiáng)，無(wú)法使用高頻阻抗測(cè)試儀或其他弱小電流的網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測(cè)量，采用高頻振蕩器向試品逐一施加指定頻率的高頻電流，用窄帶選頻電平表測(cè)量試品的電壓電平以及與試品串聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓電平，通過公式得出該頻率下試品的阻抗值，根據(jù)諧振點(diǎn)為阻抗最大點(diǎn)得出自諧振頻率，然后根據(jù)LC諧振方程和試品實(shí)測(cè)電感值得到自諧振頻率下得雜散電容值。測(cè)試回路圖如下：
　　
      優(yōu)點(diǎn)：該方法試驗(yàn)設(shè)備、操作方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
　　缺點(diǎn)：該測(cè)試方法在為保證測(cè)試數(shù)據(jù)有效性，回路中的R選用無(wú)感電阻，當(dāng)電抗器的測(cè)試頻率不同時(shí)，應(yīng)改換不同的電阻值，因電抗器的電抗值隨著測(cè)試頻率的升高為幾十千歐，由于電平表的電平開關(guān)檔在比較P1與P2的電平差為相差很大，會(huì)帶來(lái)很大誤差。除此，為避免試品受空間電磁場(chǎng)的干擾，測(cè)試儀表中的選頻表的輸入帶寬應(yīng)小于100Hz，此時(shí)測(cè)量?jī)x表的接地要良好，必要時(shí)要檢查接地網(wǎng)的接地電阻值。電壓電流法，由于取樣電阻的阻值很難配合好，只能測(cè)出阻抗分量，其測(cè)試誤差為±10%，而平波電抗器在工作頻帶內(nèi)的輸入阻抗波動(dòng)很大，故測(cè)試誤差較大。
　　
      1.3導(dǎo)納電橋法
　　原理：關(guān)于導(dǎo)納電橋法測(cè)雜散電容據(jù)筆者了解業(yè)內(nèi)大都采用CD6型導(dǎo)納電橋。CD6型導(dǎo)納電橋用于測(cè)量頻率300Hz-1.5MHz范圍內(nèi)的元件和網(wǎng)絡(luò)，平衡或不平衡的導(dǎo)納值及其頻率特性。儀器以電導(dǎo)值和電容值直接讀數(shù)，根據(jù)選擇開關(guān)的位置，可直接知道被測(cè)品的電納性質(zhì)是容性還是感性，經(jīng)計(jì)算后，可得其導(dǎo)納值、阻抗值或相角。該電橋在測(cè)量時(shí)配備電平振蕩器和選頻電平表組合使用。測(cè)試回路為，由振蕩器供電提供電壓信號(hào)，由選頻表進(jìn)行頻率限定，然后將被試品高、低壓兩端分別接在CD6導(dǎo)納電橋的輸入、輸出接口處進(jìn)行測(cè)量，直接在電橋表盤上進(jìn)行電容值的讀數(shù)。CD6導(dǎo)納電橋的測(cè)試誤差為±5%。
　　
      優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試結(jié)果可以扣除測(cè)試引線誤差，由于電平表可采用選頻測(cè)量，測(cè)試結(jié)果不受外界干擾，可以測(cè)試平波電抗器的雜散電容與高頻阻抗參數(shù)。
　　缺點(diǎn)：測(cè)試為手動(dòng)，需要定頻測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)掃頻，適用于單點(diǎn)或離散頻率下的雜散電容測(cè)量。
　　
      2、實(shí)例測(cè)試數(shù)據(jù)分析
　　雜散電容實(shí)際測(cè)試過程中，測(cè)試引線的誤差應(yīng)該考慮，一般情況下要求測(cè)試引線盡可能短，同時(shí)采用單芯帶屏蔽的電纜測(cè)試線，同時(shí)單獨(dú)測(cè)量引線電容，在測(cè)試數(shù)據(jù)中手工扣除引線電容。下面是在進(jìn)行平波電抗器雜散電容測(cè)量時(shí)分別利用上述三種方法得出的測(cè)試數(shù)據(jù)。同時(shí)，考慮到平波電抗器的特殊性，在測(cè)試引線作時(shí)，我們采用SYV-75-9型高頻電纜，固定在環(huán)氧桿上，測(cè)試線長(zhǎng)度取被試品所需測(cè)試的最短長(zhǎng)度，在其測(cè)試線總長(zhǎng)度二分之一處接入測(cè)試儀表，高頻電纜的屏蔽層應(yīng)接地，此時(shí)測(cè)試線的上端子直接與平波電抗器的上端子、測(cè)試線的下端子直接與平波電抗器的下端子連接。這種連接方法由于連接方法固定，可以使測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性高。下面筆者以南網(wǎng)溪洛渡±500kV直流輸電工程用干式平波電抗器（型號(hào)：PKK-500-3200-100）雜散電容的測(cè)試為例，分析三種測(cè)試方法在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量所得數(shù)據(jù)的對(duì)比、分析。
　　
      2.1端對(duì)地雜散電容
　　2.1.1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)
　　注：雜散電容值不隨頻率變化而變化，上述三種試驗(yàn)方法所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)均規(guī)定2kHz為試驗(yàn)頻率。
　　
      2.1.2仿真數(shù)據(jù)
　　為了分析比較上述三種測(cè)試方法得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，筆者根據(jù)實(shí)際被試品（絕緣支架）進(jìn)行軟件仿真建模，得到仿真下的雜散電容數(shù)據(jù)為630pF。下圖3為仿真建模圖形。
　　
      2.2端對(duì)端雜散電容
　　2.2.1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)
　　被試品：溪洛渡工程用平波電抗器線圈本體
　　
      2.2.2軟件仿真數(shù)據(jù)
　　同樣是為了分析比較上述三種測(cè)試方法得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，筆者根據(jù)實(shí)際被試品（平抗線圈本體）進(jìn)行軟件仿真建模，得到仿真的雜散電容數(shù)據(jù)為480pF。下圖4為仿真建模圖形。
　　
      3、結(jié)論
　　平波電抗器雜散電容的測(cè)量時(shí)一項(xiàng)技術(shù)難題，通過溪洛渡換流站用平波電抗器實(shí)際測(cè)試中應(yīng)用上述三種測(cè)試方法得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元軟件建模分析得到的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：
　　1）7600RLC分析儀直接測(cè)量法由于測(cè)量的是整個(gè)測(cè)試回路的系統(tǒng)電容，而非試品本身雜散電容，且受外界干擾影響較大，測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相差較大； 　　
      2）電平比較法和導(dǎo)納電橋法在扣除引線電容影響后得到的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果能較好的吻合。
　　
　　因此在實(shí)際測(cè)量過程中，筆者建議使用電平比較法和導(dǎo)納電橋法進(jìn)行測(cè)試，并同時(shí)考慮測(cè)試引線帶來(lái)了系統(tǒng)誤差，推薦使用帶屏蔽層的測(cè)試引線，然后在測(cè)試完成后扣除引線電容，從而得到真實(shí)、可靠的電抗器雜散電容。