CN106959405B - 特高压gis主回路绝缘试验的电气量与试验能力计算方法 - Google Patents

特高压gis主回路绝缘试验的电气量与试验能力计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种特高压GIS主回路绝缘试验的电气量与试验能力计算方法。用于特高压GIS主回路绝缘试验的变频串联谐振装置试验能力估算方法，包括将变频串联谐振装置与特高压GIS设备串联连接；考虑变频串联谐振装置的容量限制，基于变频串联谐振装置的电流与特高压GIS设备的电容量关系，计算出变频串联谐振装置的第一试验能力范围；考虑特高压GIS设备的频率限制且基于变频串联谐振装置的谐振频率与特高压GIS设备的电容量关系，计算出变频串联谐振装置的第二试验能力范围；求取变频串联谐振装置的第一试验能力范围与第二试验能力范围的交集，得到变频串联谐振装置的实际试验能力范围。

Description

特高压GIS主回路绝缘试验的电气量与试验能力计算方法
技术领域
本发明属于电气领域，尤其涉及一种特高压GIS主回路绝缘试验的电气量与试验能力计算方法。
背景技术
GIS(GAS INSULATED SWITCHGEAR)是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。GIS设备自20世纪60年代实用化以来，已广泛运行于世界各地。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小，其主要部件的维修间隔不小于20年。
为了考核GIS设备的绝缘性能，检验检查设备在生产、装配、运输和安装过程中是否存在缺陷，需要对GIS设备开展主回路绝缘性能试验，其中的工频耐压和局放测试能够充分反映交接前GIS设备的主回路绝缘状态。受限于设备电容量和安装进度的要求，特高压GIS主回路绝缘试验需要分阶段进行。如何基于现有试验设备能力合理地进行特高压GIS试验分段，如何估算指定试验范围时各元件电气量以保证试验频率、电流、电压和功率等电气量在要求范围内，这是目前特高压GIS主回路绝缘试验所遇到的重点和难点。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种用于特高压GIS主回路绝缘试验的变频串联谐振装置试验能力估算方法。
本发明的用于特高压GIS主回路绝缘试验的变频串联谐振装置试验能力估算方法，包括：
将变频串联谐振装置与特高压GIS设备串联连接；
考虑变频串联谐振装置的容量限制，基于变频串联谐振装置的电流与特高压GIS设备的电容量关系，计算出变频串联谐振装置的第一试验能力范围；
考虑特高压GIS设备的频率限制且基于变频串联谐振装置的谐振频率与特高压GIS设备的电容量关系，计算出变频串联谐振装置的第二试验能力范围；
求取变频串联谐振装置的第一试验能力范围与第二试验能力范围的交集，得到变频串联谐振装置的实际试验能力范围。
其中，本发明的试验能力指的是电容量。
进一步的，计算出变频串联谐振装置的第一试验能力范围的具体过程，包括：
首先，根据基于变频串联谐振装置与特高压GIS设备串联连接的接线方式及其等效电路图，得到变频串联谐振装置中串联电抗器电流的计算公式，建立串联电抗器电流与变频串联谐振装置的试验能力的对应关系；
然后，根据变频串联谐振装置的容量限制，即综合考虑串联电抗器电流和励磁变压器输出电流的限制，得到变频串联谐振装置的第一试验能力范围。
进一步的，计算出变频串联谐振装置的第二试验能力范围的具体过程，包括：
首先，基于变频串联谐振装置的串联谐振回路的特点，建立试验频率与特高压GIS设备电容量的对应关系；
然后，基于特高压GIS主回路绝缘试验的频率限制，得到变频串联谐振装置的第二试验能力范围。
进一步的，所述变频串联谐振装置有两种接线方式，即无电抗器并联补偿和有电抗器并联补偿。两种方式均可以采用以上方法来计算变频串联谐振装置的试验能力范围。
本发明的第二目的是提供一种特高压GIS主回路绝缘试验的分段方法。
本发明的一种特高压GIS主回路绝缘试验的分段方法，采用上述所述的用于特高压GIS主回路绝缘试验的变频串联谐振装置试验能力估算方法来获取与特高压GIS设备串联的变频串联谐振装置试验能力范围；
再根据所述变频串联谐振装置的实际试验能力范围，对特高压GIS主回路绝缘试验进行分段。
本发明的第三目的是提供一种特高压GIS主回路绝缘试验的电气量计算方法。
本发明的一种特高压GIS主回路绝缘试验的电气量计算方法，包括：
采用上述所述的特高压GIS主回路绝缘试验的分段方法，对特高压GIS主回路绝缘试验进行分段；
在各个特高压GIS主回路绝缘试验的分段内，确定试验变压器的变比和额定电流；
根据试验接线方式和谐振回路特点，计算试验频率、被试设备的电流以及分压器电流，估算串联电抗器电流和变压器输出电流、变压器输入电流和变频柜输出电流；
最后，基于变频柜参数特性，估算变频柜输入电流和电源电流。
进一步的，该方法还包括：当变频串联谐振装置存在并联补偿电抗器时，计算并联补偿电抗器的电流。
进一步的，串联电抗器电流与变压器输出电流的数值相等。
进一步的，变压器输入电流与变频柜输出电流的数值相等。
进一步的，变频柜输入电流与电源电流的数值相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本方法可以估算变频串联谐振试验装置的试验能力，可根据被试设备的电容量和有无内置电磁式电压互感器来选择合理的接线方案，从而为特高压GIS设备主回路绝缘试验方案的分段方法提供依据。
(2)本方法可以估算指定试验范围时特高压GIS主回路绝缘试验的试验频率、各元件电流以及所需试验电源容量等电气量，从而为试验设备的元件选择和参数匹配提供可靠的参考，包括连接电缆型号选择、试验电源容量选择、试验变压器分接头选择和容量匹配、电抗器电流匹配等。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为无并联补偿时变频串联谐振装置的原理图；
图2为有并联补偿时变频串联谐振装置的原理图；
图3为无并联补偿时变频串联谐振装置的等效电路图；
图4为有并联补偿时变频串联谐振装置的等效电路图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提出的特高压GIS设备主回路绝缘试验的估算方法包括两部分内容：一是特高压变频串联谐振装置试验能力的估算方法；二是指定试验范围时的电气量估算方法。
本发明的用于特高压GIS主回路绝缘试验的变频串联谐振装置试验能力估算方法，包括：
步骤1：将变频串联谐振装置与特高压GIS设备串联连接；
步骤2：考虑变频串联谐振装置的容量限制，基于变频串联谐振装置的电流与特高压GIS设备的电容量关系，计算出变频串联谐振装置的第一试验能力范围；
步骤3：考虑特高压GIS设备的频率限制且基于变频串联谐振装置的谐振频率与特高压GIS设备的电容量关系，计算出变频串联谐振装置的第二试验能力范围；
步骤4：求取特高压GIS设备的第一试验能力范围与第二试验能力范围的交集，得到变频串联谐振装置的实际试验能力范围。
其中，第一试验能力范围为第一电容量范围，第二试验能力范围为第二电容量范围，变频串联谐振装置的实际试验能力范围为变频串联谐振装置的实际电容量范围。
1、特高压变频串联谐振装置试验能力的估算方法
特高压变频串联谐振装置试验能力的估算方法可以分为：无并联补偿时的估算方法和有并联补偿时的估算方法。后者在前者试验接线的基础上，采用电抗器与被试设备并联的方式以用来补偿被试设备的电容量，从而提高试验设备的试验能力。两种接线方式下估算方法基本相同，均需要考虑试验装置容量限制和频率限制两方面。两者的区别在于试验频率以及串联电抗器电流的计算公式有所不同。
特高压变频串联谐振装置试验能力的估算方法主要考虑试验装置容量限制和频率限制两方面。
一方面，变频串联谐振装置的试验能力受限于变频器容量、试验变压器容量、串联电抗器的额定电流以及有无并联补偿电抗器。实际工程应用中，变频器的容量与试验变压器容量相匹配，故可以忽略变频器容量限制。在试验变压器特定接线形式下，若其额定输出电流小于串联电抗器的额定电流，则试验能力估算时可忽略串联电抗器的额定电流限制，电流限制只考虑试验变压器的额定输出电流；反之，电流限制只考虑串联电抗器的额定电流。另外，由于有无并联补偿电抗器两种情况下流过串联电抗器的电流值不同，故有无补偿电抗器也是试验能力的受限因素之一。
另一方面，特高压GIS试验对试验频率还有一定的要求。根据国家标准GB/T50832-2013《1000kV系统电气装置安装工程电气设备交接试验标准》，交流电压频率应在10Hz～300Hz。但是，为了更好地考核特高压GIS主回路的绝缘状态且降低变频谐振装置的容量要求，宜保证试验频率在45Hz以上，并尽可能地接近50Hz。若特高压内置电磁式电压互感器与主设备交流耐压试验同时进行时，试验频率应满足制造厂要求，应满足电压互感器的励磁特性要求，防止电压互感器因过电压导致励磁线圈过载烧损。一般情况下，特高压内置电磁式电压互感器交流耐压试验与主设备同时进行时，要求试验频率大于50Hz。
考虑试验装置容量限制的变频串联谐振装置试验能力的估算方法思路如下：首先，根据基于试验回路的接线方式及其等效电路图，得到串联电抗器电流的计算公式，建立串联电抗器电流与被试设备电容量的对应关系；然后，分析串联电抗器的电流限制条件，进而得到被试设备电容量的范围。
考虑频率限制的变频串联谐振装置试验能力的估算方法思路如下：首先，基于串联谐振回路的特点，建立试验频率与被试设备电容量的对应关系；然后，基于特高压GIS主回路绝缘试验的频率限制，推导出被试设备电容量的范围。
综合试验装置容量限制和频率限制两个限制条件下被试设备试验能力范围，即可得到估算的变频串联谐振装置试验能力。
本发明的一种特高压GIS主回路绝缘试验的分段方法，采用上述所述的用于特高压GIS主回路绝缘试验的变频串联谐振装置试验能力估算方法来获取与特高压GIS设备串联的变频串联谐振装置试验能力范围；
再根据所述变频串联谐振装置的实际试验能力范围，对特高压GIS主回路绝缘试验进行分段。
本方法可以估算变频串联谐振试验装置的试验能力，可根据被试设备的电容量和有无内置电磁式电压互感器来选择合理的接线方案，从而为特高压GIS设备主回路绝缘试验方案的分段方法提供依据。
2、指定试验范围时特高压GIS设备主回路绝缘试验电气量估算方法
指定试验范围时特高压GIS设备主回路绝缘试验电气量估算方法包括：无并联补偿时的估算方法和有并联补偿时的估算方法。除试验频率计算方法有所不同外，有无并联补偿电抗器时电气量的估算方法基本相同。
特高压GIS设备主回路绝缘试验的主要电气量包括：被试设备电流、分压器电流、并联补偿电抗器电流(若存在)、串联电抗器电流、变压器输入和输出电流、变频柜输入和输出电流、电源电流和容量。
指定试验范围时特高压GIS设备主回路绝缘试验电气量估算方法思路如下：首先，确定试验装置的各参数选择，尤其是试验变压器的变比和额定电流；接着，根据试验接线方式和谐振回路特点，计算试验频率；然后，计算被试设备电流、分压器电流、并联补偿电抗器电流(若存在)，估算串联电抗器电流和变压器输出电流(两者在数值上相等)、变压器输入电流和变频柜输出电流(两者在数值上相等)；最后，基于变频柜参数特性，估变频柜输入电流和电源电流(两者在数值上相等)。
图1和图2中，Cx为被试设备主回路等效对地电容，Ls为串联电抗器，Lp为并联补偿电抗器，D为分压器，C1和C2为分压器的等效分压电容，T为试验变压器。
图3和图4中，US为电源电压，UC1和UC2分别为变频器的输入和输出电压，IC1和IC2分别为变频器的输入和输出电流，n、UT和IT分别为试验变压器的变比、输出电压和电流，ULs和ILs分别为串联电抗器的输出电压和电流，ICx、IC0和ILp分别为被试设备、分压器和并联补偿电抗器的电流，IS为电源的输出电流，C0为分压器总电容量。
1、无并联补偿时特高压变频串联谐振装置试验能力的估算方法
如图1和图2所示，无并联补偿时特高压变频串联谐振装置试验能力的估算方法可以分为两部分：考虑频率限制时试验能力估算和考虑设备容量时试验能力估算。
1.考虑频率限制时试验能力估算
串联谐振回路中，被试设备与分压器并联后再与电抗器串联，故试验频率f计算公式为
Figure BDA0001241220140000061
若频率限制范围为fmin～fmax，则可推导出基于频率限制的被试设备最大电容量Cxmax和最小电容量Cxmin为
由式(2)可知，串联谐振装置的最大试验能力取决于最小频率限制。当被试设备中不含内置电磁式电压互感器时，最小频率限制宜为45Hz(GB/T 50832-2013要求值为10Hz)；当被试设备中含有电磁式电压互感器时，最小频率限制应满足制造厂要求，一般情况下要求大于50Hz。
2.考虑试验装置容量限制时试验能力估算
假定串联电抗器的额定电流为ILsN，指定接线形式下试验变压器的额定输出电压和电流分别为UTN和ITN，根据2.1节分析可知，串联电抗器的实际电流值应满足相应限制：
Figure BDA0001241220140000063
式中，Um为被试设备的交流耐压电压值。由于Um远远大于变压器额定输出电压UTN，故可以忽略UTN。Ilim为串联电抗器额定电流和试验变压器额定输出电流两者中的最小值。结合式(1)，可得到被试设备的最大电容量为：
Figure BDA0001241220140000071
综合式(2)和式(4)，即为无并联补偿时变频串联谐振装置试验能力的估算公式。其中，最大电容量Cxmax取两者中的最小值。
2、有并联补偿时特高压变频串联谐振装置试验能力的估算方法
如图3和图4所示，无并联补偿时特高压变频串联谐振装置试验能力的估算方法可以分为两部分：考虑频率限制时试验能力估算和考虑设备容量时试验能力估算。
1.考虑频率限制时试验能力估算
为了提高串联谐振装置的负载能力，可采取电抗器并联补偿的方式，即补偿电抗器Lp与被试设备并联以补偿被试设备的容性电流。因此，可推导出试验频率f为
Figure BDA0001241220140000072
若频率限制范围为fmin～fmax，则可推导出被试设备的最大电容量Cxmax和最小电容量Cxmin为
Figure BDA0001241220140000073
由式(6)可知，与无并联补偿时类似，当有并联补偿时串联谐振装置的最大试验能力取决于最小频率限制。
2.考虑试验装置容量限制时试验能力估算
基于试验装置容量限制时，有并联补偿装置的串联电流限制与无并联补偿装置时类似。因此，根据式(3)和式(5)可得到考虑试验装置容量限制时被试设备的最大电容量为：
Figure BDA0001241220140000074
综合式(6)和式(7)，即为有并联补偿时变频串联谐振装置试验能力的估算公式。其中，最大电容量Cxmax取两者中的最小值。
3、指定试验范围时特高压GIS主回路绝缘试验电气量的估算方法
如图3和图4所示，指定试验范围时的电气量估算方法，在有无并联补偿时基本相同；两者的区别在于试验频率计算方法有所不同，分别见式(1)和式(5)。
流过被试设备、分压器和并联补偿电抗器的电流值分别为
上式中，被试设备的电容量Cx可根据制造厂提供的GIS元件电容量和试验分段方案进行计算。流过串联电抗器的电流值ILs与变压器输出电流IT相同，计算公式为
Figure BDA0001241220140000082
上式中，由于试验电压Um远远大于试验变压器输出电压UT，故可忽略UT。变频柜输出电流IC2与试验变压器的输入电流相同，其计算公式为
Figure BDA0001241220140000083
假定变频柜的变换系数为m，则变频柜的输入电流IC1，即电源的输出电流为
Figure BDA0001241220140000084
交流耐压试验所需电源容量PS为
Figure BDA0001241220140000085
由式(12)可知，若试验装置有两组电抗器，其中一组作为串联电抗器，另一组为并联补偿电抗器时，为了使流过变压器的电流最小以及所需电源容量最小，往往选择电抗值大的电抗器作为串联电抗器使用。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于特高压GIS主回路绝缘试验的变频串联谐振装置试验能力估算方法，其特征在于，包括：
将变频串联谐振装置与特高压GIS设备串联连接；
考虑变频串联谐振装置的容量限制，基于变频串联谐振装置的电流与特高压GIS设备的电容量关系，计算出变频串联谐振装置的第一试验能力范围；
考虑特高压GIS设备的频率限制且基于变频串联谐振装置的谐振频率与特高压GIS设备的电容量关系，计算出变频串联谐振装置的第二试验能力范围；
求取变频串联谐振装置的第一试验能力范围与第二试验能力范围的交集，得到变频串联谐振装置的实际试验能力范围；
所述第一试验能力范围为第一电容量范围，所述第二试验能力范围为第二电容量范围，变频串联谐振装置的实际试验能力范围为变频串联谐振装置的实际电容量范围。
2.如权利要求1所述的一种用于特高压GIS主回路绝缘试验的变频串联谐振装置试验能力估算方法，其特征在于，计算出变频串联谐振装置的第一试验能力范围的具体过程，包括：
首先，根据基于变频串联谐振装置与特高压GIS设备串联连接的接线方式及其等效电路图，得到变频串联谐振装置中串联电抗器电流的计算公式，建立串联电抗器电流与变频串联谐振装置的试验能力的对应关系；
然后，根据变频串联谐振装置中串联电抗器的电流限制条件，得到变频串联谐振装置的第一试验能力范围。
3.如权利要求1所述的用于特高压GIS主回路绝缘试验的变频串联谐振装置试验能力估算方法，其特征在于，计算出变频串联谐振装置的第二试验能力范围的具体过程，包括：
首先，基于变频串联谐振装置的串联谐振回路的特点，建立试验频率与特高压GIS设备电容量的对应关系；
然后，基于特高压GIS主回路绝缘试验的频率限制，得到变频串联谐振装置的第二试验能力范围。
4.如权利要求1所述的用于特高压GIS主回路绝缘试验的变频串联谐振装置试验能力估算方法，其特征在于，所述变频串联谐振装置可以采用两种接线方式，无电抗器并联补偿和有电抗器并联补偿。
5.一种特高压GIS主回路绝缘试验的分段方法，其特征在于，采用如权利要求1-4中任一项所述的用于特高压GIS主回路绝缘试验的变频串联谐振装置试验能力估算方法来获取与特高压GIS设备串联的变频串联谐振装置试验能力范围；
再根据所述变频串联谐振装置的实际试验能力范围，对特高压GIS主回路绝缘试验进行分段。
6.一种特高压GIS主回路绝缘试验的电气量计算方法，其特征在于，包括：
采用如权利要求5所述的特高压GIS主回路绝缘试验的分段方法，对特高压GIS主回路绝缘试验进行分段；
在各个特高压GIS主回路绝缘试验的分段内，确定试验变压器的变比和额定电流；
根据试验接线方式和谐振回路特点，计算试验频率、被试设备的电流以及分压器电流，估算串联电抗器电流和变压器输出电流、变压器输入电流和变频柜输出电流；
最后，基于变频柜参数特性，估算变频柜输入电流和电源电流。
7.如权利要求6所述的一种特高压GIS主回路绝缘试验的电气量计算方法，其特征在于，该方法还包括：当变频串联谐振装置存在并联补偿电抗器时，计算并联补偿电抗器的电流。
8.如权利要求6所述的一种特高压GIS主回路绝缘试验的电气量计算方法，其特征在于，串联电抗器电流与变压器输出电流的数值相等。
9.如权利要求6所述的一种特高压GIS主回路绝缘试验的电气量计算方法，其特征在于，变压器输入电流与变频柜输出电流的数值相等。
10.如权利要求6所述的一种特高压GIS主回路绝缘试验的电气量计算方法，其特征在于，变频柜输入电流与电源电流的数值相等。
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