CN114397537A - 一种海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法，包括：步骤1，在回路中设置m个并联电抗器组和n个补偿电抗器组，获取设备及被试品参数，并设初始值m＝1,n＝0；步骤2，遍历电抗器所有组合情况，计算谐振频率f、主回路电流I、有功功率P、品质因数Q，判断计算结果是否满足约束条件；步骤3，若满足约束条件，根据下述目标函数，计算min(m+n)，minI；步骤4，对约束条件中的不等式从上到下的逐级判定，对所有满足约束条件的方案进行筛选，筛选出电抗器的个数最少、励磁变压器的个数最少、补偿电抗器组的个数最少的方案，并输出该方案对应的m，n，y，f，Q，I，P。本发明能够实现采用便携式、小容量的试验设备进行66kV海缆串联谐振交流耐压试验。

Description

一种海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法

技术领域

本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法。

背景技术

目前，我国海上风电多采用35kV海缆进行将电能汇集至，而66kV集电系统已在欧洲海上风电领域已占据着市场的主流地位。随着对海上风场单位成本降低的追求和技术的发展，66kV海缆在使用电缆根数少，电缆投资及相应工程费用低等方面都具有很大的优势。

采用了调谐式串联混合谐振是目前电缆交流耐压试验的常用方法，此方法可大幅度减小试验设备的体积和重量，随着电压等级和电缆长度的提升，所需的试验设备的体积和重量也在增大。尤其是针对海上风电用的66kV海缆试验，敷设后的交流耐压试验需要在海上升压站进行，目前针对海上升压平台电源容量不足、试验空间狭小等问题还没有便捷有效的措施。

参图1所示，现有技术采用变频串联谐振高压试验设备的工作原理接线如图1所示。交流380V电源输入，由变频源转换成频率、电压可调的电源，经励磁变压器升压后输出U₁，送入由电抗器L₁和被试电缆C₁构成的高压串联谐振回路，电阻R不仅仅是导线和电抗器的电阻，而是回路有功损耗的等效电阻，如电晕损耗、被试品的极化损耗等。分压器由C₂和C₃串联构成，是纯电容式的，用来测量试验电压。分压器电容C₂和C₃串联后电容值较小(一般为pF级别)，而被试电缆的电容量较大(nF-μF级别)，所以在计算时可忽略分压器电容。调节变频器的输出频率至谐振频率时，电路即达到谐振状态。

谐振频率为：

串联回路电流为：

试验回路的品质因数为：

励磁变输出的有功功率为：

式中，f为谐振频率；I为流过励磁变高压侧的主回路电流；Q为串联回路的品质因数；ω为角频率，其大小为ω＝2πf；P为励磁变输出的有功功率；U₂为作用在被试品上的电压。

此时电感上的电压和电容上的电压大小相等、相位相反，是电源电压U₁的Q倍。可见，采用串联谐振的方式可有效降低电源容量需求。

现有技术具有如下技术缺陷：

1、固定电抗器设备带载能力差。由谐振频率公式可知，谐振频率与电抗器的电感值和被试品的等效电容有关。当海缆长度不断增长，则等效电容不断增大，导致谐振频率不断降低，最终由于谐振频率过低而无法进行试验。

2、设备高压回路通流能力受限。

由串联回路电流公式可知，高压回路电流与试验电压和海缆等效电容有关，随着海缆长度的不断增加，此电流也不断增长。当励磁变高压侧额定电流和电抗器的通流能力低于此电流时，将无法进行试验。

3、制定试验方案时的计算比较繁琐。

针对不同长度的海缆，在制定试验方案时都需要经过一系列的数学计算，流程繁琐，较为费事费力。

发明内容

本发明的目的是提供一种海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法，针对海上风电场66kV海缆长度差别大、海上试验电源欠缺、试验环境恶劣等实际问题，对串联谐振耐压试验方案中的设备参数进行优化，实现采用便携式、小容量的试验设备进行66kV海缆串联谐振交流耐压试验。

本发明提供了一种海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法，包括如下步骤：

步骤1，在回路中设置m个并联电抗器组和n个补偿电抗器组，获取设备及被试品参数，并设初始值m＝1,n＝0；其中，所述参数包括电抗器台数x，额定电压U_e，额定电流I_e；励磁变压器台数y，高压侧最大输出电压U_max，高压侧最大输出电流I_max，额定功率P_max；被试海缆试验电压U₂；其中，电抗器组的额定电压U_e高于试验电压U₂；

步骤2，令每个电抗器组由z个电抗串联而成，z的取值为[U₂/U_e]，即不小于此比值的最小整数，遍历电抗器所有组合情况，计算谐振频率f、主回路电流I、有功功率P、品质因数Q，判断计算结果是否满足下述约束条件：

在约束条件中，y的取值方法为从小到大依次尝试，直到满足为止；

步骤3，若满足约束条件，根据下述目标函数，计算min(m+n)，minI；

目标函数为：

目标函数中的二个条件按从上到下的逐级满足所用电抗器的个数最少、励磁变压器高压侧电流最小的约束；

步骤4，对约束条件中的不等式从上到下的逐级判定，对所有满足约束条件的方案进行筛选，筛选出电抗器的个数最少、励磁变压器的个数最少、补偿电抗器组的个数最少的方案，并输出该方案对应的m，n，y，f，Q，I，P。

进一步地，步骤2中谐振频率f的计算公式为：

式中，L₁为电抗器的电感值，C₁被试海缆等效电容，ω为角频率。

进一步地，步骤2中主回路电流I的计算公式为：

进一步地，步骤2中有功功率P的计算公式为：

式中，R为回路中除电抗器之外的电阻成分。

进一步地，步骤2中品质因数Q的计算公式为：

借由上述方案，通过海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法，能够实现采用便携式、小容量的试验设备进行66kV海缆串联谐振交流耐压试验，具有如下技术效果：

1)基于品质因数的方案优选，考虑了电晕对品质因数的影响，对品质因数的要求提高1.5倍。

2)基于高压回路电流的方案优选，减少了励磁变压器使用数量，减小了所需设备的重量与体积。

3)通过优选方法的计算模型，提高了方案计算的效率和精度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是变频串联谐振原理图；

图2是本发明优化方法接线图；

图3是本发明海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参图2所示，在回路中设置m个并联电抗器组和n个补偿电抗器组，L₁为电抗器的电感值，R₁为电抗器的电阻值，R为回路中除电抗器之外的电阻成分，分压器的等效电容已忽略。

整个回路的阻抗值之和为：

计算谐振频率时，因为电抗的虚部远大于实部，可忽略电阻R₁的影响，令R₁＝0，且令式(1)的虚部为0，可得：

根据电路原理，品质因数为：

其中：

合并式(3)和式(4)，并令R₁＝0可得：

主回路电流大小为：

有功功率为：

由式(2)可知，当C₁和L₁确定之后，谐振频率大小取决于并联电抗器组数m和补偿电抗器组数n的和，与电抗器组安装位置无关，并随着m、n之和的增大而增大。所以，增加并联电抗器组和补偿电抗器组的个数可以提高试验设备的带载能力，实现更长的海缆的耐压试验。

由式(6)和式(7)可以看出，增加补偿支路n的个数，可减小主回路电流和励磁变所需有功功率，有利于采用体积小、便携式的变频电源及励磁变压器。

参图3所示，本实施例提出一种基于品质因数和高压回路电流的优化算法，只需输入试验设备及被试品基本参数，便能自动计算出该试验设备的最优匹配方案，可大幅度提高方案选择效率。

优化算法的原始输入参数包括：电抗器(台数x，额定电压U_e，额定电流I_e，内阻R₀，电感L₀)；励磁变压器(台数y，高压侧最大输出电压U_max，高压侧最大输出电流I_max，额定功率P_max，内阻R)；被试海缆(试验电压U₂和等效电容C₁)。

初始变量包括：并联电抗器组的个数m、补偿电抗器组的个数n。需要注意的是，每个电抗器组的额定电压需高于试验电压U₂，所以令每个电抗器组由z个电抗串联而成，则z的取值为[U₂/U_e]，即不小于此比值的最小整数。

中间变量包括：式(2)-式(7)中函数所求结果(f，Q，I，P)。

约束条件为：

在约束条件中，y代表使用励磁变压器的个数，其取值方法为从小到大依次尝试，直到满足为止。Q值受电阻估算精度和电晕的影响较大，计算值和实际值可能有一定的误差，所以在约束条件中引入系数1.5，以确保优化结果满足实际需求。

目标函数为：

式(9)中的二个条件按从上到下的逐级满足约束。二个公式的实际含义分别为所用电抗器的个数最少、励磁变压器高压侧电流最小(励磁变压器的个数最少)。

对式(8)中的不等式从上到下的逐级判定。对所有满足约束条件的方案进行筛选，筛选出电抗器的个数最少、励磁变压器的个数最少、补偿电抗器组的个数最少的方案。最后，输出该方案对应的m，n，y，f，Q，I，P。

下面针对某海上风电场内不同电压等级、不同长度的海缆，对采用变频串联谐振交流耐压的技术方案进行计算。

1、海缆及试验设备基本参数

某海上风电场的66kV海缆的长度及等效电容等参数见表1，现有试验仪器设备参数见表2，因为海上平台空间狭小，电源容量小，所以采用的仪器设备都为可人工搬运的便携式设备。

表1某风场66kV海缆长度及等效电容

66kV海缆的耐压值为2U0＝72kV(U0一般取36kV)，与海缆的截面积无关。所以，在进行优化计算时，只需输入该海缆的电容量，根据图3的优化算法便能得出最优方案。为验证该最优算法的有效性，本文取100-800nF中的每个整百数值，输入程序进行计算。结合试验设备的参数，列出的原始输入参数见表2。

表2试验仪器设备参数

将以上参数代入优化算法，经计算机计算得到的优化结果见表3。

由表3可知，随着试品电容的增大，需要所需要的电抗器组的个数也越来越多，由1逐步增至6，励磁变压器的个数由1增至2。为验证优化算法计算的正确性。

表3案例优化计算结果

通过该海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法，能够实现采用便携式、小容量的试验设备进行66kV海缆串联谐振交流耐压试验，具有如下技术效果：

1)基于品质因数的方案优选，考虑了电晕对品质因数的影响，对品质因数的要求提高1.5倍。

2)基于高压回路电流的方案优选，减少了励磁变压器使用数量，减小了所需设备的重量与体积。

3)通过优选方法的计算模型，提高了方案计算的效率和精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在回路中设置m个并联电抗器组和n个补偿电抗器组，获取设备及被试品参数，并设初始值m＝1,n＝0；其中，所述参数包括电抗器台数x，额定电压U_e，额定电流I_e；励磁变压器台数y，高压侧最大输出电压U_max，高压侧最大输出电流I_max，额定功率P_max；被试海缆试验电压U₂；其中，电抗器组的额定电压U_e高于试验电压U₂；

步骤2，令每个电抗器组由z个电抗串联而成，z的取值为[U₂/U_e]，即不小于此比值的最小整数，遍历电抗器所有组合情况，计算谐振频率f、主回路电流I、有功功率P、品质因数Q，判断计算结果是否满足下述约束条件：

在约束条件中，y的取值方法为从小到大依次尝试，直到满足为止；

步骤3，若满足约束条件，根据下述目标函数，计算min(m+n)，minI；

目标函数为：

目标函数中的二个条件按从上到下的逐级满足所用电抗器的个数最少、励磁变压器高压侧电流最小的约束；

步骤4，对约束条件中的不等式从上到下的逐级判定，对所有满足约束条件的方案进行筛选，筛选出电抗器的个数最少、励磁变压器的个数最少、补偿电抗器组的个数最少的方案，并输出该方案对应的m，n，y，f，Q，I，P。

2.根据权利要求1所述的海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法，其特征在于，步骤2中谐振频率f的计算公式为：

式中，L₁为电抗器的电感值，C₁被试海缆等效电容，ω为角频率。

3.根据权利要求2所述的海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法，其特征在于，步骤2中主回路电流I的计算公式为：

4.根据权利要求3所述的海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法，其特征在于，步骤2中有功功率P的计算公式为：

式中，R为回路中除电抗器之外的电阻成分。

5.根据权利要求4所述的海上66kV海缆耐压试验便携性优化方法，其特征在于，步骤2中品质因数Q的计算公式为：

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