CN113624519A - 一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法，包括以下步骤：1)获取待试验的设备参数C，确定目标试验电压值和预期的交流频率范围；2)将可用试验电抗器的总数量生成一个可选的解集；3)对解集中每一种试验布置场景进行谐振频率、品质因数计算；4)根据试验频率条件限制将所计算的场景中谐振频率值不满足要求的情况剔除；5)计算流过每一台电抗器的电流；6)在获取当前解集的配置中选择最佳试验方案。本发明能够用于指导高电压、大容量设备现场交流耐压参数计算及试验配置，从而保证电力系统设备级的安全稳定运行。

Description

一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法

技术领域

本发明属于电气设备谐振耐压现场试验技术领域，具体涉及一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法。

背景技术

基于现有的常见的串联谐振原理，在频率调制下获得系统最佳品质因数Q，在被试品上即发生一个Q倍于励磁变高压侧电压。然而需要注意的是，当电路未到谐振态抑或优选的谐振频率难调制时，此时系统中的感性无功和容性无功合成后不为零，该部分功率是需要经励磁变、电抗器、变频电源流过，增加了对这些设备容量的需要。考虑并联谐振的特点，近年来一种串、并式混联谐振亦用于大容量设备的谐振耐压测试中，混联电路中并联支路用于减小全电路的电流大小。但受并联支路的影响，原系统的谐振点和品质因数的计算亦发生改变。对混联式谐振电路的谐振频率和品质因数计算，如不考虑电阻对品质因数的偏差将十分明显，误差从而影响到各支路电抗器配置结果。当前调频式试验电源的主要工作模式，即正弦式输出与方波脉冲式输出，而关于对试验特征参数的影响，目前未见有讨论。

高电压大容量设备的现场交流试验开展是一项“耗费”型的测试，优减频繁用于高压试验设备的运输及现场组装摆放耗费，需要科学和正确的理论指导。本专利从谐振耐压试验(包括常规串联式谐振和混联谐振)的工程应用角度出发，总结并推导关键特征参数，利用实验室级动态模拟实验、现场的大容量海缆的现场案例及PSCAD仿真实证性地分析谐振参数计算。

发明内容

为了克服以上技术问题，本发明提出一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法，该方法能够实现在试前对试验关键参数谐振频率和品质因数进行预计算，从而从指导试验布置和方案制定，判断试验频率是否满足规程需求，品质因数的预计算用于辅助判断试验源容量是否可以满足需要，以最优配置确定试验方案，指导试验现场。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法，包括以下步骤；

1)获取待试验的设备参数C，确定目标试验电压值和预期的交流频率范围(例如电缆交流耐压的频率段为30Hz～300Hz)；

2)将可用试验电抗器的总数量N生成一个可选的解集M＝{[n₁,n₂]|n₁+n₂≤N且n₂>0}，其中n₁为混联谐振中的并联支路的电抗器并联数量；n₂为纯串谐或混联谐振中的串联支路的电抗器并联数量；

3)对解集M中每一种试验布置场景进行谐振频率、品质因数计算；

4)根据试验频率条件限制将所计算的场景中谐振频率值不满足要求的情况剔除；

5)根据n₁,n₂的值和目标试验电压值计算流过每一台电抗器的电流，若超过单台电抗器的额定电流值则将此场景剔除，并判断试验用励磁变的容量以及电源容量是否满足限制，计算的品质因数Q值与励磁变最大电压来判别能否满足目标耐压电压值，不满足条件的场景剔除；

6)在获取当前解集的配置中，按照“电抗器数量最少”优于“Q值最大”的条件选择最佳试验方案。

所述步骤1)中试验设备参数包括试验的试品电容参数C；试验电抗器的电感L、电阻R以及可用试验电抗器的总数量N；励磁变高压绕组的等效电阻R_t，励磁变高压绕组的等效漏感L_t和励磁变额定电压。

所述步骤2)中的M通过下代码实现：

其中，N是可用的试验电抗器总数量,M是一个二维数列，其第一列表示模型中的n₁，第二列表示模型中的n₂。

所述步骤3)的具体操作为：对解集M中每一种试验布置场景进行谐振频率、品质因数计算；

(1)当n₁＝0时，纯串联谐振下的谐振频率计算式为：

若此时将L_t＝0带入式(1)中后可得近似计算式：

(2)当n₁>0时，混联谐振下的谐振频率计算式为

其中，

得到式(3)中

的符号存在两种情况，当

的符号取正，谐振为全局谐振点，即混联系统是在经n2支路欠补偿后得到串联型谐振点；当

的符号取负，谐振为局部谐振点，即混联系统是在n2支路与试验试品支路发生全谐振后得到并联型谐振点，试验中应将

的符号取正，才可满足交流耐压需要；

若此时将R＝0，r＝0,L_t＝0带入式(3)-(5)中后可得：

得到，此时简化计算的谐振频率f′与式(2)有相似的计算结构，均是当试验电抗器使用数量确定后，谐振频率亦确定；

(3)关于品质因数的一种适用于现场计算的方程为

该公式适用于串联型等效的试验情况且需要在谐振频率点下计算，Q值与参数R、L、C、R_t、L_t相关，此外需要指出的是，现场还会出现试验措施不到位，如不良接地、电晕严重等还会影响Q值大小。

所述步骤4)剔除的操作为，假如试验频率带的可接受范围在20～300Hz之间，则计算解集M中每一种电抗器组合情况的谐振频率，不满足频带范围，则在解集M中删掉此种组合情况。

所述步骤5)具体操作为：

n₁支路中单台电抗器流过的电流按照下式计算：

n₂支路中单台电抗器流过的电流按照下式计算：

n₂支路的总电流可用以判别励磁变的容量以及电源容量是否满足限制，用励磁变高压侧额定电压与Q值做乘积后与目标耐压值进行比较，筛选最低Q值范围限。

本发明的有益效果：

本发明对纯串联型谐振和串并联谐振进行参数计算，试前对谐振频率和品质因数的计算，可以用于指导现场的试验配置。

附图说明

图1为本发明中谐振耐压的一般性接线示意图。

图2为本发明中谐振耐压的仿真模型图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1图2所示：本发明所述的一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法包括以下步骤：

1)获取待试验的试品电容参数C；试验电抗器的电感L、电阻R以及可用试验电抗器的总数量N；励磁变高压绕组的等效电阻R_t，励磁变高压绕组的等效漏感L_t和励磁变额定电压；以及确定目标试验电压值和预期的交流频率范围。

2)按照图1所示的试验模型，将可用试验电抗器的总数量N生成一个可选的解集M＝{[n₁,n₂]|n₁+n₂≤N且n₂>0}，其中n₁为混联谐振中的并联支路的电抗器并联数量；n₂为纯串谐或混联谐振中的串联支路的电抗器并联数量。其中M通过下代码实现：

其中，N是可用的试验电抗器总数量,M是一个二维数列，其第一列表示模型中的n₁，第二列表示模型中的n₂。

3)对解集M中每一种试验布置场景进行谐振频率、品质因数计算。

(1)当n₁＝0时，纯串联谐振下的谐振频率计算式为：

若此时将L_t＝0带入式(1)中后可得近似计算式：

(2)当n₁>0时，混联谐振下的谐振频率计算式为

其中，

可发现，谐振频率的理论计算式十分复杂。式(3)中

的符号存在两种情况。当

的符号取正，谐振为全局谐振点，即混联系统是在经n2支路欠补偿后得到串联型谐振点；当

的符号取负，谐振为局部谐振点，即混联系统是在n2支路与试验试品支路发生全谐振后得到并联型谐振点。试验中应将

的符号取正，才可满足交流耐压需要。

若此时将R＝0，r＝0,L_t＝0带入式(3)-(5)中后可得：

可发现，此时简化计算的谐振频率f′与式(2)有相似的计算结构，均是当试验电抗器使用数量确定后，谐振频率亦确定。

(3)关于品质因数的一种适用于现场计算的方程为

该公式适用于串联型等效的试验情况且需要在谐振频率点下计算，Q值与参数R、L、C、R_t、L_t相关。此外需要指出的是，现场还会出现试验措施不到位，如不良接地、电晕严重等还会影响Q值大小。

4)需要根据试验频率条件限制将所计算的场景中谐振频率值不满足要求的情况剔除。即假如试验频率带的可接受范围在20～300Hz之间，则计算解集M中每一种电抗器组合情况的谐振频率，不满足频带范围，则在解集M中删掉此种组合情况。

5)根据n₁,n₂的值和目标试验电压值计算流过每一台电抗器的电流，若超过单台电抗器的额定电流值则将此场景剔除。

n₁支路中单台电抗器流过的电流按照下式计算：

n₂支路中单台电抗器流过的电流按照下式计算：

n₂支路的总电流可用以判别励磁变的容量以及电源容量是否满足限制，用励磁变高压侧额定电压与Q值做乘积后与目标耐压值进行比较，筛选最低Q值范围限。

6)在获取当前解集的配置中，按照“电抗器数量最少”优于“Q值最大”的条件选择最佳试验方案。

实施例1

为推导的正确性，在PSCAD里搭建纯正弦电源依托的试验回路，其余各部分参数保持一致，仅做调整电源模块电压幅值直至试验位置电压满足要求，仿真模型见图2所示。

1)变频电源：

额定输入电压：380V

额定输出电压：480V

额定容量：50kW

2)试验电抗：

额定容量：66kVar

额定电压：30kV

额定电感：43H

电抗器直阻：192Ω

3)试验励磁变：

额定容量：18kVA

额定变比：500V/8kV

高压侧直阻：90Ω

空载电压：0.71％

4)标称试品电容：

额定电压：20kV

额定电容：0.15uF

按照标称试验电容的额定电压设计目标耐压值，频率合格范围为20Hz～300Hz，用六台电抗器分别组合，来模拟多种串谐和混联谐振的测试场景。得到的仿真结果和计算值比对如表1所示。表中Us的数值来自电源电压值，Ub表示励磁变高压侧测量电压。

表1品质因数的复核与仿真结果

实施例2

本例展示了现场试验的结果比较，现场对110kV交联聚乙烯的海底电缆进行了耐压试验，同时通过实地试验来进行测试分析。试验中共采用4台额定电压300kV电感19.1H的试验电抗，组合方式为：2台串联用于串联支路，2台并联用于并联支路，海缆的等效电容为4.62uF，被试品施加相对低128kV的交流耐压，试验可接受频率范围为20～300Hz，现场的变频电源柜采用的正弦波式输出。

为保持现场的试验组合方式与本文的试验结构一致，先将两节电抗器参数归算为单节，原组合等效为38.2H的电抗器1串4并。数值上的等效并不影响所讨论的试验过程，计算和现场数据的结果如表2所示。理论计算与现场数据再次验证了本文对谐振耐压关键参数推导的正确性，并且给出了理论上的最优组合方案。

表2现场试验与理论比较

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法，其特征在于，包括以下步骤；

1)获取待试验的设备参数C，确定目标试验电压值和预期的交流频率范围；

2)将可用试验电抗器的总数量N生成一个可选的解集M＝{[n₁,n₂]|n₁+n₂≤N且n₂>0}，其中n₁为混联谐振中的并联支路的电抗器并联数量；n₂为纯串谐或混联谐振中的串联支路的电抗器并联数量；

3)对解集M中每一种试验布置场景进行谐振频率、品质因数计算；

4)根据试验频率条件限制将所计算的场景中谐振频率值不满足要求的情况剔除；

5)根据n₁,n₂的值和目标试验电压值计算流过每一台电抗器的电流，若超过单台电抗器的额定电流值则将此场景剔除，以及判断试验用励磁变的容量以及电源容量是否满足限制，计算的品质因数Q值与励磁变最大电压来判别能否满足目标耐压电压值，不满足条件的场景剔除；

6)在获取当前解集的配置中，按照“电抗器数量最少”优于“Q值最大”的条件选择最佳试验方案。

2.根据权利要求1所述的一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法，其特征在于，所述步骤1)中试验设备参数包括试验的试品电容参数C；试验电抗器的电感L、电阻R以及可用试验电抗器的总数量N；励磁变高压绕组的等效电阻R_t，励磁变高压绕组的等效漏感L_t和励磁变额定电压。

3.根据权利要求1所述的一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法，其特征在于，所述步骤2)中的M通过下代码实现：

i＝0；ii＝0；

while N>0

while N-ii>0

aM(ii+1)＝[N-ii]；

M(i+1,:)＝[aM(ii+1),N-aM(ii+1)]；

i＝i+1；ii＝ii+1；

end

N＝N-1；ii＝0；

end

n1＝M(:,1)；

n2＝M(:,2)；

其中，N是可用的试验电抗器总数量,M是一个二维数列，其第一列表示模型中的n₁，第二列表示模型中的n₂。

4.根据权利要求1所述的一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法，其特征在于，所述步骤3)的具体操作为：对解集M中每一种试验布置场景进行谐振频率、品质因数计算；

(1)当n₁＝0时，纯串联谐振下的谐振频率计算式为：

若此时将L_t＝0带入式(1)中后可得近似计算式：

(2)当n₁>0时，混联谐振下的谐振频率计算式为

其中，

得到式(3)中

的符号存在两种情况，当

的符号取正，谐振为全局谐振点，即混联系统是在经n2支路欠补偿后得到串联型谐振点；当

的符号取负，谐振为局部谐振点，即混联系统是在n2支路与试验试品支路发生全谐振后得到并联型谐振点，试验中应将

的符号取正，才可满足交流耐压需要；

若此时将R＝0，r＝0,L_t＝0带入式(3)-(5)中后可得：

得到，此时简化计算的谐振频率f′与式(2)有相似的计算结构，均是当试验电抗器使用数量确定后，谐振频率亦确定；

(3)关于品质因数的一种适用于现场计算的方程为

该公式适用于串联型等效的试验情况且需要在谐振频率点下计算，Q值与参数R、L、C、R_t、L_t相关，此外需要指出的是，现场还会出现试验措施不到位，如不良接地、电晕严重等还会影响Q值大小。

5.根据权利要求1所述的一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法，其特征在于，所述步骤4)中剔除的操作为，假如试验频率带的可接受范围在20～300Hz之间，则计算解集M中每一种电抗器组合情况的谐振频率，不满足频带范围，则在解集M中删掉此种组合情况。

6.根据权利要求1所述的一种用于高压大容量设备谐振耐压的参数计算及试验方法，其特征在于，所述步骤5)具体操作为：

n₁支路中单台电抗器流过的电流按照下式计算：

n₂支路中单台电抗器流过的电流按照下式计算：

n₂支路的总电流可用以判别励磁变的容量以及电源容量是否满足限制，用励磁变高压侧额定电压与Q值做乘积后与目标耐压值进行比较，筛选最低Q值范围限。

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