直流电容电压（精选十篇）
直流电容电压 篇1
关键词：静止同步补偿器,级联多电平逆变器,直流侧电容,电压稳定控制
0 引言
近年来,电力工业得到了快速发展,针对一些特定场合传统的无功补偿装置很难满足其应用要求[1,2,3,4,5]。作为一种新型的无功补偿装置,静止同步补偿器(STATCOM)采用级联多电平逆变技术,通过全桥或半桥模块电路级联可以较好地弥补单一器件耐压不足的缺点,同时具有易扩展、易维护等优点,在中高压配电网中的应用十分广泛[6,7,8,9]。
在实际应用中,受触发脉冲不一致、电力电子器件之间差异性等因素的影响,静止同步补偿器各级联单元直流侧电容电压容易失衡。甚至有可能导致开关器件失去耐压性,威胁到补偿器的安全运行[10,11]。因此,级联多电平STATCOM的关键技术在于维持各级联单元电容电压的稳定性。目前,针对级联多电平STATCOM直流侧电压的均衡控制,诸多学者进行了相关研究并取得了一定的成果。文献[12,13]详细分析了电容电压的不平衡机理,认为造成电容电压不平衡的主要原因包括:开关脉冲延时差异、混合型损耗差异和并联型损耗差异。文献[14]提出了一种直流侧电容电压均衡控制方法,即通过外部电路实现电压平衡,该方法简单实用,但是会增加装置成本和运行损耗。文献[15]基于能量平衡原理,设计了一种控制模型,通过控制参数设计、稳定性分析和相关实验验证了该模型的有效性。另外,级联多电平STATCOM直流侧电容电压容易出现二倍频波动[16],该二倍频波动会影响控制回路,同时造成并网电流中的三次谐波[17],所以需要对直流侧电压信号进行滤波处理。同样,该检测滤波电路会影响级联多电平STATCOM直流侧电压的稳定性,但是关注该影响的文献相对较少。
本研究在现有研究的基础上,重点研究级联多电平STATCOM直流侧电压的稳定控制方法,提出一种PI闭环控制方法,并进行稳定性分析,最后通过实验验证其有效性。
1 直流侧电容电压波动分析
本研究以单相级联STATCOM其为例,对无功补偿时直流侧电容电压的波动进行分析。为便于分析可作如下假设:各级联单元的电容器状态一致;不考虑电抗器的能量波动同时忽略变流器的损耗;电网的无功功率全部传输至直流侧电容。
定义电容容量均为C,直流侧电容电压初始值为ud0,那么电容器的初始总能量W0可表示为:
无功功率瞬时值可用二倍频的交流量表示,即:
式中:ω—电网角频率,Iq—无功电流有效值,Us—电网电压有效值。
若电网周期为Ts,在(0~1/4)Ts时间内,无功功率为正,直流侧电容处于充电状态,电容能量持续增加;在(1/4~1/2)Ts时间内,直流侧电容处于放电状态,其能量将陆续释放。所以上述无功交换,势必导致直流侧电容电压的波动。在(0~1/4)Ts时间内,直流侧电容能量变化量可表示为:
因此,时刻直流侧电容总能量可表示为:
根据式(1,3,4)计算可得直流侧电压波动量Δud为:
综上所述,级联多电平STATCOM直流侧电容电压波动为二倍频分量,该二倍频分量幅值大小由直流侧电压初始值、电容容量、级联数、无功电流、电网电压共同决定。
2 直流侧电容电压均衡控制
2.1 级联多电平STATCOM能量平衡模型
为保证直流侧电容电压瞬时功率平衡,基于能量平衡的原理,瞬时功率平衡方程可以表示为:
式中:u(t)—电网电压瞬时值,i(t)—电网电流瞬时值,udi(t)—各级联单元直流侧电压瞬时值,Ci—各级联单元直流侧电容。
为便于分析,同样作如下假设:各级联单元直流侧电压变化一致;不考虑连接电感和无功补偿电流的影响。基于上述假设直流侧电压主要受基波有功电流分量的影响,可用下式进行表示:
式中:ud(t)—各级联单元直流侧电压之和。
鉴于微分方程(7)的非线性,本研究采用小信号分析法对其进行线性化处理。如果不考虑变流器的损耗,在电路稳态工作点附近,直流侧电压无限接近设定值,有功电流为零,即满足ud=ud*,Ip=0,dud/dt=0。
若加入小信号扰动,则有:
将式(8)代入式(7),整理可得:
对式(9)进行拉氏变换,可得稳态工作点处级联多电平静止同步补偿器的开环传递函数为:
2.2 PI闭环控制
本研究采用PI调节器对电压环进行控制,其传递函数可表示为:
一般情况下,电压-频率转换信号调理常采用一阶RC滤波电路,其反馈环节传递函数可表示为:
式中:Tf—滤波电路的时间常数,Tf=RfCf。
直流侧电压PI闭环控制框图如图1所示。
对应的系统开环传递函数G(s)可表示为:
另外,闭环传递函数Φ(s)可表示为:
将式(10~12)分别代入式(13)和(14),整理可得:
2.3 稳定判据
若将滤波环节考虑在内,那么级联STATCOM直流侧电容电压控制系统则是一个典型三阶系统,其特征方程可表示为:
根据劳思-赫尔维茨稳定判据,三阶系统稳定的充分必要条件为:
由方程组(18)可得系统稳定的充分必要条件为:滤波环节时间常数小于PI控制器积分时间常数,即Tf<Tdi。
同时,经过根轨迹分析可知:当Tf>Tdi时,共轭复数根位于s平面右半侧,系统不稳定;当Tdi=Tf时,共轭复数根位于虚轴上,系统临界稳定;当Tf<Tdi时,共轭复数根位于s平面左半侧,系统趋于稳定。
3 实验验证
为验证所述电压检测系统的有效性和稳定性分析的正确性,本研究搭建了多电平STATCOM实验样机,并进行了相关实验。
级联多电平STATCOM实验样机的主电路结构框图如图2所示,包括级联单元、驱动板、驱动扩展板和控制板等。级联单元采用半桥IGBT模块作为开关器件,并配套使用驱动板进行半桥IGBT模块的驱动。驱动扩展板可用于实现控制板和驱动板的光纤连接,驱动扩展板具有光电信号转换、取能、直流侧电压检测、驱动板故障信号综合等功能。其中取能模块由DC/DC电源模块和外围电路构成,可从级联单元直流侧获取能量,并转化为稳压电源,供驱动扩展板和驱动板使用;直流侧电压检测模块由光电转换电路、电压频率转换电路和分压电路组成。
控制板主要实现多路PWM脉冲信号的实时输出,基于DSP和FPGA进行搭建。其中DSP作为主控单元,可实现以下功能:电网和直流侧电压信号采集、直流侧电压稳定控制、系统电流跟踪控制、装置启动和保护等。作为多路PWM脉冲发生器,FPGA主要负责脉冲信号的产生。为保证良好电气隔离,所述样机控制板采用光纤与各级联单元相连。
笔者在本研究所述级联多电平STATCOM实验样机的基础上,进行低压并网实验,设置无功电流的峰值为20 A,滤波时间常数为0.01 s,积分时间常数为0.05 s,其他实验参数设置如表1所示。
实验结果如图3所示。
实验所测任选两个级联单元(以A和B表示)直流侧电压波形如图3(a)所示;实验所测电网电压和并网电流稳态波形如图3(b)所示。
通过分析可知:与电网电压相比,并网电流相位滞后90°;并网电流峰值为20 A,与电流设定值一致;电网电压和并网电流波形比较理想;各级联单元直流侧电压可以保持在67 V左右,偏差很小,相对比较稳定。
由实验可知,整个低压并网过程可以描述为:
(1)通过IGBT脉冲限制和不可控整流,可将级联单元直流侧电压抬升至53 V左右,那么直流侧总电压将被抬升至320 V;
(2)释放IGBT脉冲,在本研究所述直流侧电压稳定控制的作用下,可将各级联单元直流侧电压抬升至67 V左右,那么直流侧总电压会从320 V逐步过渡到设定值400 V;
(3)直流侧总电压稳定在400 V,STATCOM样机稳定工作。
另外,为验证前文所述稳定判据的正确性,并网实验中分别设定PI控制器的积分时间常数Tdi为0.008 s、0.02 s、0.05 s。
实验结果如图4所示。
Tdi=0.008 s时并网过程直流侧电压波形如图4(a)所示,STATCOM样机无法顺利启动,振荡发散过程大约维持5 s,通过保护电路将STATCOM从电网中移除。
Tdi=0.02 s时并网过程直流侧电压波形如图4(b)所示;而Tdi=0.05 s时,并网过程直流侧电压波形如图3(a)所示。这两种情况STATCOM实验样机均可顺利启动并稳定运行。通过实验对比可知:积分时间常数Tdi会影响到级联多电平STATCOM的稳定性,与稳定性分析结果相符。
4 结束语
在现有研究的基础上,本研究并将电压检测中滤波环节考虑进去,分析了级联多电平STATCOM直流侧电容电压的稳定性问题。基于能量平衡原理,以单相级联型STATCOM为例,进行了直流侧电压波动分析,并建立了相应的能量平衡模型。采用PI闭环实现了直流侧电压均衡控制,并利用劳思-赫尔维茨稳定判据进行了稳定性分析。从理论上阐述了积分时间常数Tdi对系统稳定性的影响。最后,设计了级联多电平STATCOM实验样机,并通过相关实验验证了本文所述内容的可行性和有效性。
电容式电压互感器介质损耗试验分析 篇2
关键词：电容式电压互感器 介质损耗 高压介损仪
电介质（绝缘材料）在有外加电压作用下，会使部分电能转变为热能，使电介质发热。电介质损耗的电能被称为介质损耗。介质损耗过大会造成绝缘温度上升，且损耗愈大，温度就愈高，如果介质温度高得能使绝缘体烧焦、熔化，那么绝缘体就会失去绝缘性能而被热击穿，甚至产生爆炸。电流互感器的爆炸事故主要是由于绝缘局部放电或是受潮，聚集大量能量形成热击穿，使设备内部压力不断增加，以致超过外瓷套的强度造成的。
介质损耗的测量可以发现电力设备绝缘劣化变质、整体受潮以及小体积被试设备贯通和未贯通的局部缺陷，在电力设备交接、电工制造及预防性试验中得到了广泛应用。
一、电容式电压互感器结构
用于继电保护、电压测量、载波通讯的电容式电压互感器，简称CVT，已取代电磁式电压互感器，在35~500kV变电站的母线和线路上都获得了广泛应用。由于设备处于高电压运行环境，其绝缘状态会受到外部潮气和污秽侵蚀的影响，会遭到系统操作或雷电等过电压的侵害，于是需要人们对CVT进行常规预防性试验，测量其绝缘的介质损失角正切，诊断其运行状态，以保证其安全、准确、可靠地运行，这成为电力行业的一项重要任务。
CVT可以分成两个主要部件：一是电容分压器，由高压电容器C1及中压电容器C2组成，110kV CVT的C1(C11、C12、C13)、C2共装于一个瓷套内， 110kV以上产品为C，分别装于多个瓷套，并且一部分C1与C2装于一个瓷套内；二是电磁单元，外形是一个铁壳箱体，内部有中间变压器、补偿电抗器、阻尼器及补偿电抗器两端的限压器，靠电磁感应原理给出二次电压输出，达到测量母线或线路电压的目的。由于C2上的电压会随负荷发生变化，为此在分压回路中串接一个电感L，使之与电容(C1十C2)产生串联谐振，借以补偿负荷电流流过电容所产生的电压降，使电容分压器输出电压稳定，不受负荷电流变化的影响。因为在二次电压回路中电压较低，电流较大，如果仅用电容分压，要得到57.7V的低压，一则C2电容量须很大，二则因电流大，所以阻抗电压降将影响到互感器的准确度，故电容分压器的输出端不能直接与测量仪表相接，而要经过一个电磁式电压互感器降压后再接仪表。国产CVT大部分采用电压为13kV的电容器C2(也即分压变压器的一次电压)，与电压比为13kV/(57V～100V)的电磁式电压互感器结合起来。电磁式电压互感器的一次侧并接在C2两端，具有供调整比差用的可调整线圈，二次侧有多个绕组，分别是主绕组(al，x1)、(a2，x2)等，其额定电压为100V，用于测量或保护；另一个为辅助二次绕组(af，Xf)，其额定电压为100V，用于监视三相电压平衡度。
二、介质损耗原理分析
1.介质损耗分类
按绝缘材料介质损耗的物理性质，可以分为以下几种基本形式：
（1）漏电导损耗：任何电介质总有一定的导电能力。所以，在电压作用下电介质中流过泄漏（电导）电流，造成能量损耗。这种损耗在交、直流电压作用下都存在。
（2）极化损耗：电介质在交流电压作用下，发生周期性的极化。此时介质中的带电质点（主要是离子）在交变电场作用下，做往复有限位移并重新排列，这种损耗称为极化损耗。如果电源频率增加，质点往复运动的频率也增加，极化损耗增大。在交流电压作用下，电介质（指不均匀的）的夹层极化反复引起电荷重新分布（吸收电流），这个过程也要消耗能量。
（3）局部放电损耗：常用的固体绝缘材料中总有气隙（或油隙）。绝缘材料各层的电场强度几乎与该层材料的相对电容率（介电系数）ε成反比。气体的介电系数较固体绝缘材料低得多，所以气隙部分的电场强度较大。但是，气隙的耐压强度却远低于固体绝缘材料。
2.高压介损仪工作原理
通过一个可程控的调频调幅变频电源，产生40～70Hz可调的正弦波，经过激磁变压器，驱动谐振回路工作，最终输出试验要求的电压，加到被试电流互感器上。经过电流互感器的三相被试回路的电流信号，以及标准回路的电流信号，通过高压介损测量板高精度实时高速采样，并经单片机分析计算，从而得出被试品的电容量及介损值。
三、高压介损检测绝缘缺陷实例
某单位1台LCWB2-220W 电流互感器在预试中被发现tanδ较上一次试验值有较大增长，但在合格范围内，且电容量无变化。为准确判断互感器绝缘水平，进行了高电压下的介损测量。
从试验数据可以看出，该只电流互感器在10kV时介损试验合格，但电压升至运行电压 127kV后，介损tanδ变化值为 0.8％，远远超出了《电力设备预防性试验规程》要求的±0.3％范围，应退出运行。用油色谱分析气体组分明显发生变化。
通过tanδ－U曲线和油色谱数据分析，该互感器存在严重绝缘缺陷，tanδ－U曲线与局部放电缺陷的曲线形状大体一致，解体检查无缺油现象和受潮痕迹，外观上未见异常。因此判断互感器局部放电缺陷，油中由于存在放电而产生了大量气体，如继续运行有可能在运行中造成绝缘损坏，后经互感器局部放电测量验证，互感器存在局部放电绝缘缺陷。由本例可见高压介损试验发现绝缘缺陷的有效性，该电流互感器10kV介损合格，若不进行高电压下介损试验，很难发现绝缘缺陷，继续投入运行势必会给电网安全造成隐患。有许多这样的例子，试验结果合格的电流互感器运行中却发生故障，甚至引起爆炸，这主要是因为10kV下的介损测量很难发现一些内部潜在的缺陷和高电压下的局部放电性的缺陷。可见，进行高电压下的介损试验对进一步分析判断绝缘的性质是十分关键的。
四、结论
从上述高压介损监测绝缘缺陷试验可以看出，合格的电流互感器运行中经常发生故障，需要在高电压下做介损试验，判断绝缘的性质。
参考文献：
[1]王亚辉.介质损耗测试仪变频电源研究[D]．石家庄：河北农业大学，2005.
[2]魏永清.强电场干扰下介质损耗因数的测量[J].水力发电，2002，（2）.
[3]汪宏正，何志兴，张古银.绝缘介质损耗与带电测试[M]．合肥：安徽科学技术出版社，1988.
[4]宋庆贵，高升云.220KV电流互感器运行电压下的介质损耗测定[J].黑龙江电力，2004，（3）.
直流电容电压 篇3
功率硬件在环(PHIL)仿真(也称数字物理混合仿真)技术作为电力系统仿真技术的潮流和方向,近年来在国内外引起了广泛的关注[1,2,3]。它将传统的数字仿真和物理模拟仿真的优势相结合,大大降低了试验成本,提高了仿真可信度,具有良好的发展前景。目前国内外很多实验室逐步建立了完善的数字物理混合仿真研究平台[4]。
PHIL仿真系统主要由三个部分组成:(1)实时数字仿真系统;(2)功率接口装置;(3)被测物理设备。其中功率接口作为连接硬件在环仿真数字侧和物理侧仿真的互联装置,是仿真系统拥有高可信度的关键所在,直接决定了PHIL仿真的稳定性与可靠性[5,6]。目前针对于功率接口的研究主要集中在接口算法的设计和控制策略的设计两个方面,两者分别着力于不同的角度对系统的稳定性与精确度进行改善。由于系统对功率接口的稳定性、动态性能都有较高的要求,所以在控制策略的设计中,对其直流电压控制策略设计尤为重要。
功率接口要求能量能四象限运行,常采用背靠背四象限变流器作为主拓扑,基本结构为AC/DC/AC。其中,整流部分起直流电压支撑的作用,其目标是控制直流电压稳定以保证系统的正常稳定运行。在直流电压控制方面,文献[7]采用传统的双闭环比例—积分(PI)控制,该方法实现比较简单,稳态下有较好的直流电压控制效果,但在系统存在扰动的情况下,动态性能较差,直流电压波动明显。文献[8-10]提出加大直流电容容量达到抑制直流电压波动的效果,其所需经济成本高,系统体积大,并且动态响应较慢。文献[11]提出一种前馈控制策略来抑制直流电压波动,提高系统的响应速度,减少直流电压的稳态误差,但其只通过仿真简单分析了前馈控制有抑制直流电压波动的效果,未能从理论上推导证明前馈控制的有效性。文献[12]利用小信号分析方法分析了前馈控制拥有直流电压抑制效果的原因,提出一种能够完全消除扰动的直流电压控制方法,但未考虑控制的时滞性,导致所建立的小信号模型与实际系统有所偏差,控制效果还有待商榷。
在PHIL仿真中,常面临物理侧负载扰动这一动态过程,由此引发直流电压波动,严重时可能引起功率开关器件击穿、变流器难以正常工作等失稳状况[13],对系统稳定运行提出了巨大挑战。为有效抑制负载扰动下的直流电压波动,本文考虑控制时滞提出一种基于直流输出电流前馈的直流电压改进控制策略,并给出了其前馈系数的参数设计方法。基于有功功率平衡关系,利用小信号分析方法,建立了功率接口交直流侧统一模型,并利用所建立的模型分析,证明了所提控制策略在负载小扰动情况下抑制直流电压波动的有效性。同时,提出了一种直流电容参数计算方法,证明前馈控制可以有效减少直流电容,提高经济效益。最后,仿真和实验验证了所提方法抑制直流电压波动的有效性。
1 功率接口小信号建模
本文所提的功率接口采用的主拓扑为三个单相H桥结构背靠背变流器,其结构图如图1所示。其中左边整流部分别起单位功率因数控制和直流电压支撑的作用,控制直流母线电压Udc稳定,保证系统正常运行。
传统的功率接口的整流控制多为PI双闭环控制,外环为直流电压控制,内环为交流电流控制[14,15],其控制框图如附录A图A1所示。
根据图1,在整流器单位功率因数控制下,忽略输入电感内阻和变流器有功损耗,依据有功功率平衡原理,稳态工作下有:
式中:urms和irms分别为电网电压、电流的有效值;udc为直流电容电压;id,ic,i0分别为直流输入电流、直流电容电流、直流输出电流。
利用小信号分析法对静态工作点进行分析,令
式(3)中大写字母符号为各自变量在静态工作点的稳态值,而带符号Δ的变量为各自变量在静态工作点的增量(扰动量)。将式(3)代入式(1)和式(2)可得系统稳态工作点下有:
联合式(1)和式(3),有
将式(4)代入式(5)可得:
ΔurmsΔirms和ΔudcΔid是两个增量相乘,相对其他量数值较小,忽略这两个高阶分量,可得:
同理,结合式(2)至式(4)可得:
令RL=Udc/I0为稳态工作时直流输出端的等效负载阻抗,由此可将图1简化,如附录A图A2所示。
附录A图A1所示的传统整流器PI双闭环直流电压控制中,根据文献[16],当开关频率足够高,忽略电感内阻,电流控制环可等效为一个一阶惯性环节,如式(9)所示。
式中:K为电流环的闭环增益;T1为电流环惯性时间常数;iref为电压外环输出的参考值。
对式(9)进行静态工作点的小信号分析并代入式(7)可得:
结合传统的双闭环控制,考虑所有扰动量的整流器小信号模型如图2所示。
由图2可得:
式中:kp和ki分别为比例、积分系数。
根据图2小信号模型可得,在双闭环控制下,直流电压波动有如下关系:
式中:Zref,Zu,Zl的表达式见附录B式(B1)。
由式(12)可知,直流电压会受直流电压参考值扰动、电网电压扰动和负载扰动的影响而产生波动。从负载端扰动考虑,直流电压波动大小又受到直流输出电流扰动大小、直流电容以及负载等效阻抗变化的影响。
2 基于前馈控制的直流电压控制改进
在数字物理混合仿真中,当被测物理设备接入、脱离系统或设备功率变化时,由于功率接口的控制系统有时滞,尤其是电压外环的PI控制动态响应较慢,整流输入功率难以及时跟上负载功率的变化,此时直流电压产生波动,严重时会引起系统失稳跳闸,大大影响了仿真的稳定性与可信度。本节针对这一问题,对直流电压稳定控制提出了改进。
根据图1,直流端有功功率可表示为:
式中:Pin为整流输出有功功率;Pout为逆变输入有功功率。在忽略开关损耗和电感内阻的情况下,Pin可表示为整流输入有功功率,Pout可表示为负载功率。
设直流电容上的功率为Pc,根据有功功率平衡原理,可得直流端的功率平衡等式为:
将式(2)代入式(13)可得:
由式(13)和式(15)分析可得,当负载功率Pout突变时,根据电路原理,电容电压不会瞬时突变,此时负载功率的变化体现在逆变输入电流i0的变化,此时i0是一个对直流电压产生影响的扰动量。
根据自动控制原理,将前馈控制应用于扰动系统中可以克服扰动对控制目标的影响[17],其本质是一种开环控制的方式,因此在反馈控制的基础上引入前馈控制的复合控制既能对负载扰动进行补偿,又能保证其控制系统的稳态性能。
结合图2所建立的小信号模型,基于直流输出电流i0前馈提出一种考虑控制时滞的直流电压控制。其小信号控制框图如图3所示,其中Km为前馈控制系数。
根据图3可得加入前馈控制的直流电压表达式为:
在负载扰动的动态过程中,直流电压参考值uref和交流电压有效值urms不变,即Δuref=0,Δurms=0。此时直流电压波动仅和直流输出电流i0变化有关。由式(16)可知,Zl*的存在导致直流电压受直流输出电流i0的扰动而波动。理想状况下,只要使Zl*=0,就可以完全消除负载扰动对直流电压的影响。此时有:
对其作拉氏逆变换,可得其时域模型有:
式中:T1δ′(t)和δ(t)为延时环节时域表达式。
可以发现,Km的值是一个随时间变化的非线性变量,这在实际中是不可实现的,因此理论上设计一个能完全消除负载扰动的前馈系数是不可能的。考虑到电流内环的调节时间较短,小于20ms,因而可略去式(19)的第1项,对负载扰动作近似补偿。可得
根据附录B式(B1),不加前馈控制的整流器直流侧输出阻抗Zl见附录B式(B2)。
联立式(17)、式(20)和附录B式(B2),前馈控制下直流侧输出阻抗表达式见附录B式(B3)。
取直流电容C=0.01F,惯性时间常数T1=10ms,直流电压Udc=400 V,负载额定功率16kW,外环控制参数kp=1,ki=100,电流环增益,电网电压有效值Urms=220V。画出Zl和Zl*的频域特性曲线如附录A图A3所示。
由附录A图A3频域特性曲线可知,加前馈控制比不加前馈控制时的直流输出阻抗大大减少,前者大约为后者的一半,表明前馈控制可以有效地抑制负载扰动引起的负载电流变化对直流电压的影响,提高了系统的稳定性。但由于电流环控制时滞的影响,前馈控制不能完全消除扰动,这与实际系统相一致。
3 前馈控制下直流电容设计
在考虑负载扰动的状况下,直流电压的波动大小会随着直流电容的大小变化而变化。而根据式(15)可知,直流电压波动大小和电容值大小呈负相关关系,即在负载功率变化一定下,电容越大,直流电压波动就越小。
对于功率接口,在最严重扰动情况下由有功功率输入、输出不平衡引起直流电压波动应当在允许范围内,并据此对直流电容值进行设计。负载扰动中,最严重的情况应该是从空载突变到满功率负载Pmax这一动态过程[18]。
在被测设备从功率为零的空载到满载Pmax的突变瞬间(t=0),直流电容电压下降,直流电压控制外环输出一个电流参考量与直流输出电流前馈量相加作为内环参考值,电流环将跟踪外环输出参考值,提高交流输入电流,从而提高直流输入功率。由于双闭环PI控制本身具有时滞,直流输入电流id无法突变。其动态过程如附录C图C1实线所示。
根据附录C电容最小值推导可知,电容的最小值与调节时间T成正比。在不加负载前馈控制下,电流的调节时间将包括电压外环的调节时间Tv与电流内环调节时间T1。而电压外环的动态响应速度要远远小于电流内环动态响应速度[19],即TvT1,因此有
式中:Cvmin为不加前馈控制时的直流电容最小值;Cfmin为加入前馈控制时的直流电容最小值。
可以证明,加入前馈控制比不加前馈控制有更好的直流电压稳定裕度,降低了直流电容取值的下限,提高了经济效益。
4 仿真与试验
4.1 仿真分析
为了验证前馈控制在负载扰动下对抑制直流电压波动,提高功率接口的系统动态性能的有效性,利用MATLAB/Simulink搭建了功率接口的仿真模型,分别对传统与改进控制方式下负载扰动的动态响应性能进行了仿真。仿真参数见附录D表D1。
图4表示的是两种负载扰动情况下加前馈控制与不加前馈控制直流电压波动大小比较。其中0.3s时负载功率从16kW突减到12kW,0.6s时负载功率从12kW突增到16kW。可以看出,传统双闭环控制下,负载功率突减时直流电压波动的幅值为36V,负载功率突增时直流电压波动幅值为37V。加入前馈控制后负载功率突减、突增直流电压波动幅值大大减少,分别为10V和9V,而且其值相对于直流电压400V的稳态值是非常小的量。
综上可以证明,基于前馈控制的直流电压控制在负载扰动情况下抑制直流电压波动效果显著,同时也验证了本文小信号分析方法的正确性。
为评价两种控制方式下直流电容的选择,结合式(21)进行仿真验证。在相同负载功率变化和直流电压波动的情况下,加前馈和不加前馈两种控制方式下所需的电容大小对比如图5所示。
从图5分析可知,加前馈与不加前馈两种控制方式在负载扰动下直流电压波动幅值都大约为95V,然而不加前馈控制所需的直压电容为4 800μF,而加入前馈控制所需直压电容仅为1 700μF,表明使用基于前馈控制的直流电压控制能够大大减少对直流电容大小的要求,有效降低功率接口的硬件成本。
4.2 试验分析
为进一步验证本文研究内容的正确性与有效性,搭建了PHIL仿真实验平台,如附录A图A4所示。其中数字实时仿真装置采用实时仿真器(real time digital simulator,RTDS),功率接口为自主研发的100kVA大功率电力电子装置,被测设备为一额定功率为22kW光伏逆变器[20],试验参数其他与附录D表D1的仿真参数一致。
图6所示为光伏逆变器功率突降时两种控制效果比较(功率突增控制效果比较图见附录A图A5),所测波形分别为直流电压Udc、功率接口交流输入电流Is和负载电流Iout。对比图6(a)和(b)可知,在系统负载突降时,不加前馈控制会使直流电压迅速上升,导致直流电压过高,并且恢复稳定的时间较长,交流输入电流跟踪上负载电流延迟时间为三个基波周期,即0.06s;加入前馈控制后,直流电压上升很慢,几乎没有波动,并且能快速恢复至稳定工作状态,交流输入电流跟踪上负载电流延迟时间为一个基波周期,即0.02s。因此可以证明,前馈控制可以提高系统响应速度,有效抑制负载扰动所引起的直流电压波动,提高系统的稳定性。
5 结语
本文提出一种基于直流输出电流前馈的直流电压控制策略,通过提升直流电压控制响应速度,有效抑制PHIL仿真系统中负载扰动引起的直流电压波动。利用小信号分析方法从理论上证明了前馈控制的有效性,并给出前馈系数的参数设计方法。提出一种所需最小直流电容参数计算方法并证明前馈控制可以减少所需直流电容下限值,提高经济效益。为验证所提方法的有效性,搭建MATLAB/Simulink仿真模型进行对比分析,并将其应用到PHIL实验平台功率接口中,结果表明,本文所提控制策略能够有效抑制负载扰动下的直流电压波动,降低所需直流电容最小值,有较强的工程实践价值。
由于电流内环控制时滞影响,本文所提控制策略仍不能完全消除直流电压波动。如何调节前馈控制系数来补偿电流内环时滞影响将是进一步研究的方向。
直流电容电压 篇4
关键词：电容式电压互感器；电容分压器；电磁单元；瓷套；异常；应对措施
中图分类号：TM451 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）26-0095-02
1 概 述
电压互感器是电力系统中电压参数的测量元件，电压互感器运行情况、测量准确度、测量量程范围等对电力系统电气测量、控制等造成影响。目前，电容式电压互感器已广泛应用于电力系统。电容式电压互感器一般由电容分压器和电磁单元组成。电容分压器由一台或几台耦合电容器串联叠装组成。电容分压器通过中压端和低压端与电磁装置连接。电磁装置由中间变压器、补偿电抗器、保护装置、阻尼装置等组装在油箱内构成。主要用于中性点有效接地及非有效接地电力系统中，接到线与地之间为电气测量仪器、仪表和保护、控制装置提供电压信号并兼作电力线路载波耦合装置中的耦合电容器。电容分压器、电磁单元中元件损坏造成电容式电压互感器工作异常，引起二次输出电压异常甚至电容式电压互感器爆炸，对电力系统电气测量、控制等造成不利影响。
2 运行中的异常情况
通过对运行中的几起电容式电压互感器二次电压输出电压异常、渗漏油等异常情况进行分析，提出应对措施。探讨如何加强电容式电压互感器日常巡视、维护工作，及时发现异常情况，采取应对措施，确保电容式电压互感器设备、电网安全稳定运行。
2.1 二次电压输出电压异常
某变电站运行中220 kV母线B相CVT，运行中相二次电压升高到60.5 V，比其他两相偏高约2.5%（A、C相二次电压59 V左右），外观检查完好，返厂试验发现电容、介损变化较大， 初步分析认为上节分压电容器有多只电容元件击穿，电容、介损试验数据表，见表1。
解体检查发现上节分压电容器4只电容元件击穿，从上往下数第26、30、36、38只，如图1所示。
2.2 CVT变比异常
某变电站220 kV母线CVT运行仅3个多月，后台监控机上出现母线CVT电压回路断线等异常信号，现场检查端子箱二次回路电压异常（Ua=Uc=61 V，UB=54.8 V），同时听到电压互感器发出时续时断、时大时小的异常的放电声；外观无异常。油箱油色谱发现B相油中乙炔含量达590 μL/L，总烃含量也超注意值，电气验发现CVT变比异常。
返厂检查电容分压器无异常，对电磁单元进行变比试验，当输入电压在40%的额定电压时，变比与正常值相差约50%，继续升压至50%的额定电压时，在电磁单元内听到有放电的声音，并观察到火花放电现象，放电点为XL与接地端子相接处。XL接线端与地相连的连接导线联接过紧，产品在运行过程中，连线因电动力的作用崩断虚接，变比发生变化，电磁单元内的变压器油因虚接处放电而产生乙炔等气体含量超标、产品输出电压出现波动。放电点及放点痕迹，如图2所示；CVT缺陷点示意图虚接处，如图3所示。
2.3 电容单元渗漏油
运行人员发现某变电站两台220 kV 母线电容式电压互感器瓷外套、法兰盘上有油迹，电磁单元油箱油位正常，初步判断是电容单元渗漏油，如图4所示。
按照《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（修订版）11.1.3.5等相关条款要求，立即把渗漏电容单元的CVT退出运行、组织检查、处理。对渗漏电容单元的CVT开展电气、油气试验未发现异常，返厂对电容单元渗漏油的两台CVT（B、C相）进行解体，发现C相上节瓷套上下两端部瓷套开裂、C相下节瓷套完好，B相上节瓷套上端瓷套开裂。
2.3.1 C相上端部瓷套开裂
C相上端部瓷套开裂，裂缝大约 3/4圈，如图5所示。
C相下端部瓷套开裂，如图6所示。
2.3.2 B相上节瓷套上端部瓷套开裂
B相上节瓷套上端部瓷套开裂，如图7所示。
3 应对措施
①发现电容式电压互感器二次电压输出异常应停电组织检查，查明原因后方可恢复送电。
②新安装的电容式电压互感器应取磁单元油做色谱、微水、耐压等试验，报告存档作为原始数据，运行中发现电容式电压互感器电磁单元油色谱数据异常应停电组织检查，查明原因。
③电容式电压互感器电容单元渗漏油应立即停止运行并组织检查处理。避免受潮，发生爆炸事故。④新安装的电容式电压互感器瓷套应开展探伤检查。
参考文献：
[1] GB/T 20840.5-2013，电容式电压互感器[S].
[2] GB 7252-2001，变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].
超级电容直流操作电源 篇5
1 超级电容代替蓄电池的可行性
超级电容器[2,3,4,5]包括双电层电容器EDLC (Electric Double-Layer Capacitor)和电化学电容器2大类。EDLC超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件,其多孔化电极采用活性炭粉和活性炭纤维,电解液采用有机电解质。工作时在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成了双电层中聚集的电容量。其多孔化电极是使用多孔性的活性碳,有极大的表面积在电解液中吸附着电荷,因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量,超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。超级电容与铅酸蓄电池特性比较如表1所示。
超级电容与蓄电池相比,具有环保、寿命长、对环境要求低、可提供大电流充放等特点,近年来已成为电动汽车研究与应用的重点,电动汽车的开发又促进了超级电容的发展[6,7,8,9,10]。在直流操作电源事故负荷较大的变电站中,可用超级电容与铅酸蓄电池并联的方式[11,12]:在直流操作电源事故负荷较小或要求不高的中小变电站中,可用超级电容代替铅酸蓄电池[13,14,15]来提高电源系统可靠性,减少系统维护工作量。
2 超级电容直流操作电源系统设计
超级电容直流操作电源的最大特点是免去了铅酸蓄电池的日常维护工作量,设备环保,成本低。超级电容寿命长(大于10年),这样可以使直流操作电源系统的寿命达到10年以上。缺点是超级电容的储能密度不如铅酸蓄电池高,如果事故负荷较大,会增加设备的体积和成本。对此设计了双充冗余热备份的高可靠直流操作电源系统。通过冗余备份解决了电源系统的可靠性。超级电容直流操作电源如图1所示(图中,Z1、Z2为自动切换装置)。
超级电容直流操作电源采用2套完全相同的整流器,输出通过单母线分段向负荷供电。具有下面3个特点。
a.整流器采用冗余热备份设计,其交流输入均采用双路自动切换,只要2路交流进线有一路正常,一路整流器正常,整流器就可提供正常电源输出。
b.超级电容用于为冲击负荷和故障负荷提供电能,可根据负荷大小确定超级电容的容量,一般选择1F/300 V,一只或多只并联。
c.2路整流器输出通过单母钱分段方式向负荷供电,根据用户不同可以选择2段母线分段运行,故障时母联开关自动投入或人工投入;或选择2段母线一并运行,2路整流器一主一备,一路故障另一路自动投入或人工投入;或选择2段母线、2套整流器直接并联的运行方式,任何一路整流器故障,将会自动退出。
3 超级电容直流操作电源可靠性分析
超级电容直流操作电源与铅酸蓄电池直流操作电源相比,系统可靠性、可用性和可维护性得到提高。
整流器采用2套并联冗余结构,其可靠性高于单套整流器的可靠性,系统具有容错能力。由于2套整流器的可靠度相等,根据并联系统可靠性计算公式,当单套子系统可靠度为Ri(t)=e-λ0t(i=1,2,…,n)时,N套并联后的可靠度为Rs(t)=1-(1-e-λ0t)n,并联后系统的平均故障间隔时间MTBF (Mean Time Between Failure)记为ts:
即可写为,t0为,为套子系统的,MTBF，可见并联结构系统的MTBF比单套子系统提高倍。本系统采用2套相同的整流器,故系统的平均故障间隔时间将提高1.5倍[16,17]。
本系统通过超级电容代替铅酸蓄电池,提高了直流操作电源系统对中小变电站的环境适应范围,特别是在环境温度相对较高的变电站,将解决铅酸蓄电池的寿命急剧变短的问题,从而提高直流操作电源系统的可用性。
通过超级电容代替铅酸蓄电池,不存在铅酸蓄电池的定期活化问题,由于蓄电池活化可能影响生产的正常进行,有些重要用户实现很不方便。这样直流操作电源系统的维护工作将大为减少;另外,2路整流器和输出母线系统的任何维护都不影响电源系统的正常运行,系统结构简单、运行灵活,具有较高的可维护性。
4 结语
用超级电容代替铅酸蓄电池,通过采用冗余的方式提高系统的可靠性,设计的直流操作电源系统,解决了由于蓄电池自身为电源系统带来的环保、维护、寿命等问题,提高了电源系统的可靠性、可维护性和可用性。该电源系统已经在矿井变电所等工矿企业成功应用,实践表明用超级电容代替铅酸蓄电池是直流操作电源系统的一个发展方向,并将随着超级电容发展不断扩大应用范围。
摘要：提出采用超级电容，即双电层电容器EDLC(Electric Double-Laver Capacitor)代替铅酸蓄电池设计的直流操作电源系统。超级电容用于为冲击负荷和故障负荷提供电能，可根据负荷大小确定超级电容的容量，一般选择1 F/300 V，一只或多只并联。对于超级电容的储能密度不如铅酸蓄电池高的缺点，电源系统采用了双充冗余热备份结构。通过对超级电容系统的可靠性分析，表明冗余备份使电源系统的平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)提高了1．5倍。应用结果表明用超级电容代替铅酸蓄电池是直流操作电源系统的一个改进方向。
异频技术电容式电压互感器测试 篇6
电容式电压互感器 (Capacitor Voltage Transformer, 简称CVT) 具有绝缘强度高、不会与系统产生铁磁谐振、价格低廉、可兼做载波耦合电容器等优点, 在国外, 电容式电压互感器已普遍应用到72.5 k V~800 k V电力系统中。在我国, 电压范围已经覆盖了35 k V~1 000 k V电压等级。在110 k V~220 k V电压等级变电站内, CVT用量已占90%以上。而330 k V~1 000 k V电压等级变电站, 全部选用安装了CVT。即使在CVT价格无优势的35 k V~66 k V电压范围内, 为确保消除电压互感器与系统产生的铁磁谐振, 部分变电站也选用安装了CVT。二次计量仪表的数字化以及继电保护的微机化大幅度降低了CVT的二次实际使用负荷, 而对计量设备的稳定性和准确度以及计量的公平、公平要求越来越高, 这就要求需要按规程要求 (JJG1021-2007) 定期对CVT进行误差和二次回路负荷的检定, 以确保其运行误差满足国家计量相关规定的要求。以下就传统检定方法进行分析, 并找出影响检定工作的根源, 并介绍应用小信号测试法实现CVT误差检定的原理和优势, 通过现场验证得出测试方法的可行性。
1 传统CVT校验方法
1.1 基本原理
传统CVT检验方法采用测差法原理, 即将标准电压互感器, 与被检的电容式电压互感器接成并联回路, 在一次侧施加相同的电压, 并取得标准电压互感器和被检CVT的二次差压信号, 在一定的二次电压作为工作电压的情况下, 用互感器校验仪对差压信号进行测量, 取得与工作电压之间的幅值与相位关系, 即为被检CVT的比差和角差, 又称同相分量和正交分量, 测试接线原理图如图1。
测试需要使用测试设备有升压装置 (由调压器、励磁变压器、电抗器组成) 、标准电压互感器、负载箱、误差测试仪等。
1.2 发展状况
由于CVT容性负载大 (最大可达几万p F) , 所需的励磁变压器和电源的容量大、电压等级高, 故现场试验非常困难, 升压装置成为最难解决的
图中:LZ1~LZn—谐振电抗器;PT0—标准电压第感器;CVT—被检测电容式电压互感器;Y1, Y2—电压负载箱。
问题。早期, 采用搭积木式的升压方法, 即用几个升压变压器简单串联, 然后升到规程电压后测量误差。2000年左右, 开始逐渐采用谐振升压装置, 谐振升压方式有两种, 并联谐振和串联谐振。并联谐振升压测量原理如图2所示。图2中的补偿电抗器L为多个高压电抗器的组合, 误差测试升压电路通过改变电感 (即补偿电抗器) 来达到谐振。试验时, 并联接入的补偿电抗器为测试回路提供电感性 (即滞后) 的无功电流, 与被测CVT的电容性无功电流相互补偿, 使整个电路近似达到谐振。
串联谐振也称为电压谐振, 谐振时电容上的电压和电感上的电压大小相等, 方向相反, 而数值却是电源的Q倍。串联谐振测量误差原理如图3所示。谐振升压充分利用了CVT本身的电容单元, 使用多台电抗器叠装与被试CVT构成谐振回路产生高压试验电源, 达到了部分减少试验设备的目的。
对于非标准变比CVT (如550 k V) 的测量, 由于没有相同电压等级的标准电压互感器, 只能借助感应分压器来实现校验, 如图4非标准变比电压互感器校验方法原理图。但是该方法存在缺陷:低电压等级的标准校验高压等级的CVT, 不能在规程规定的电压 (80%、100%和120%) 下进行校验, 导致结果不符合实际情况。
为了降低现场测试设备的体积和重量, 也可以采用电容式电压比例标准器实现CVT的误差检定, 即使用标准电容器和电容分压箱以及110 k V电压等级标准电压互感器组成电容式电压互感器标准, 来实现220 k V以上CVT的误差试验, 这样就免去制造体积重量大、成本高的220 k V及以上电压等级标准PT, 测试过程分为校准和测量两部分。
1) 使用110 k V标准PT校验高压分压电容和低压分压电容的分压电容比的准确度达到0.05级以上, 满足校验0.2级CVT要求。
2) 利用校准后的高低压分压电容器作为标准PT测试被试CVT误差。
不论采用何种升压方式来进行现场CVT的校验, 现场试验还是非常困难, 为此近年来开展了CVT在线监测项目, 通过对CVT的泄露容性电流、介损、二次电压及二次负荷等参数的实时检测来判断CVT误差是否发生变化, 但此方法并不能直接反应CVT误差的真实状况。
1.3 存在问题
1) 升压测试, 电压高, 对设备及现场电源容量要求大, 安全性差, 现场电源匹配难。
2) 设备重量重、体积大, 运输安全困难。
3) 测试成本高。
4) 现场测试条件要求高, 部分现场受条件限制难以开展现场检定工作。
2 CVT误差原理
2.1 工作原理
CVT由电容分压单元、补偿单元、中间变压器和阻尼单元组成。电容分压单元分为高压电容和中压电容, 分压点引出电压输出端, 通过补偿电抗器和电磁式互感器 (中间变压器) 相连, 负载直接和电磁式互感器的二次绕组相接, 如图6所示:
图中:C-电容分压器C1-高压电容C2-中压电容T-中间变压器δ-载波通讯端子L-补偿电抗器Z-阻尼器1a, 1n;2a, 2n-主二次绕组接线端子da, dn-剩余电压绕组接线端子da1, dn1-阻尼器接线端子
2.2 误差原理
CVT的误差公式源于等效电路的换算, 在忽略阻尼电阻的情况下, 将电磁式电压互感器的二次参数折算到一次侧, 得如下等效电路:
中间变压器 (简称TV) 采用T型等效网络表示, CVT的等效电路如图7所示。图中:ZL为补偿电抗器的阻抗, Z1为一次侧内阻抗;Z'2为二次内阻抗;Z0为励磁阻抗;Z'B为二次负载阻抗。其中, Z'2和Z'B为折算至一次侧的阻抗值。
根据互感器的误差分析理论, CVT误差由两部分组成, 即空载误差和负载误差:
由等效电路可知, 空载误差由电容分压比引起的误差和中间变压器空载误差组成。
其中, εc为电容分压比引起的误差, ε2为中间变压器空载误差。
令Z1'为图7中一次回路总阻抗, 则CVT等效电路可变为图8所示。
由上图等效电路可知,
由 (1) ~ (7) 式可得, 电容式电压互感器误差公式为:
结合式 (3) 和 (8) 可以看出, 只要测试出CVT的实际电容值和一次回路的阻抗、励磁导纳、二次回路阻抗等参数即可计算出CVT的误差。
3 异频小信号测试原理
3.1 测试原理
以电容式电压互感器的等效模型为基础, 通过在CVT的一次侧和二次侧施加异频小信号测量出影响CVT误差的各个参数, 并根据测量参数计算出电容式电压互感器的比差及角差, 测试接线如图9。
1) CVT变比测量:通过在CVT一次侧施加3k V测试信号, 采集CVT各个二次绕组的电压信号, 通过计算得出CVT在3 k V电压下的变比。
2) 中间变压器变比测量:将CVT的高压端与低压端短接, 在其与载波端子之间施加3 k V的测试信号, 并采集二次各绕组的电压信号, 通过测量计算得到CVT中间变压器各个绕组的变比。
3) 一次回路阻抗测试:将CVT的二次绕组短接, 将CVT的高压端与低压端短接, 并在其与载波端子之间施加测试信号, 并采集回路的返回信号, 通过测量计算得到CVT的一次回路阻抗。
4) 短路阻抗测试:将一个CVT二次绕组短路, 并在另外一个绕组施加电压信号, 通过测试多个参数计算出各个绕组的短路阻抗。
5) 输入阻抗测试:将CVT的一次侧短接, 然后在二次侧通入电流信号, 通过短路阻抗测试过程所得的二次阻抗值和电路运算结果得到输入阻抗。
6) 电容比测试:在CVT的一次侧施加电压信号, 采集低压端与载波端的电压信号, 通过输入阻抗值和一次回路阻抗值运算得到电容比值。
7) 铁芯导纳测试:由于铁芯导纳是非线性的, 而且考虑到CVT低压端与载波端的最大电压不超过3 k V, 因此采用降低测试信号频率的方法来达到实际电压点测试的效果, 同时为了补偿由于降低频率而带来的测试结果变动, 还采用工频下小电压信号下重复测量并对应补偿的方式。
3.2 技术优势
应用异频小信号测试原理的CVT现场测试设备整体重量可控制在20kg以内, 可同时完成三个二绕组的误差测试, 并具有良好的抗现场工频干扰性能, 因此该设备与传统测试设备相比具有较高的技术优势。
1) 测试设备运输安装非常方便, 节省了运输和安装时机械设备的测试费用支出。
2) 异频小信号在整个测试过程中最大施加电压为3 k V, 对安全距离要求大大减少, 且可增加可靠的安全保护机制。
3) 设备采用了WINDOWS的操作系统, 测试时只需输入相应的额定参数并按接线图接线即可自动开始测试, 整个测试过程全自动化, 可一次完成三个二次绕组的误差。
4) 功耗方面, 设备整机功耗在200VA以内, 对现场电源要求低。
5) 由于设备小型化和便携化, 使得设备的运输和安装非常方便, 能及时、快速地对CVT进行检定。
4 结束语
本文详细分析了电容式电压互感器传统检定方法存在的各种问题, 通过对电容式电压互感器误差原理的研究, 得出了应用异频小信号测试方法, 以测量影响电容式电压互感器误差参数来得到电容式电压互感器误差的方法。应用此测试方法的设备与传统设备相比具有较大优势, 通过现场验证认为, 其可作为现场检定CVT误差的一种新型测试手段。
参考文献
几起电容式电压互感器故障分析 篇7
1 二次电压异常升高
1.1 故障概况
2010年5月某变电站110 kV正母压变发生二次电压不平衡故障,该压变为电容式电压互感器,型号为WVB110-20H。故障时二次电压分别为:A相77.8 V,B相66.55 V,C相66.54 V。A相电压较B,C相增高17%,现场检查该互感器无渗油及异常响声,初步分析A相电容单元内部故障。
1.2 诊断试验
对故障设备隔离后使用自激法进行了诊断试验[1],结果及上次试验数据如表1所示。故障后C1电容量与介损均增大,电容量与铭牌值相比增大7.2%(规程要求电容量≤±2%,介损<0.5%),C2正常。由此分析,C1内部有电容屏击穿导致电容量增大,中间压变的一次电压Uc2=U×C1/(C1+C2)也随之增大,这与现场二次电压上升的现象是一致的。
1.3 解体检查
对该电容式电压互感器解体发现,电容约1/3电容屏露出油面暴露在空气中,引起主电容屏内部绝缘强度不够,引发4～5片电容屏发热变形。进一步解体发现电容单元与电磁单元连通的密封圈严重变形导致电容单元绝缘油渗入电磁单元,电磁单元油位上升。
1.4 小结
该故障是由于密封圈安装时主电容单元的绝缘油渗漏至电磁互感器单元所致。设备巡视时运行人员未对电磁单元的油位上涨及时关注,未能在故障初期及时发现。
2 电磁单元有异常发热点
2.1 缺陷概况
2006年红外测温发现某变电站220 kVⅡ母压变B相图谱异常。该电容式电压互感器型号为WVB220-10H,图谱显示电磁压变单元一异常发热点达40℃,较正常高15℃,二次电压无异常。
2.2 分析判断
采用图像特征判断法结合同类比较判断法[2]进行综合分析,发热源是一个点,根据电容式电压互感器电磁单元的结构判断该位置是阻尼电阻,可能是阻尼电阻螺栓离箱壁太近造成环流引起发热。
2.3 现场检查处理
停电后首先对该压变进行了例行试验,无异常。进而对电磁单元进行检查,发现阻尼电阻的螺杆碰触箱壁,即对阻尼电阻安装位置进行了调节,重新投运后测温恢复正常。
2.4 小结
该缺陷是因为生产厂制造工艺不良所致,该类缺陷初期不影响设备运行,运行巡视也不易发现,但若长此以往会使绝缘油质裂化而导致严重的故障。
3 电磁单元整体发热
3.1 缺陷概况
2010年红外测温发现某变电站110 kV线路压变B相图谱异常。该电容式电压互感器型号为WVL110-10H,电磁单元整体发热,最高温度近90℃,判断为电磁单元故障,立即将设备停运。因为该电压互感器为备自投检无压专用压变,电压监测数据不上传,考虑到设备及检修人员的安全,未安排现场测控装置调阅实时电压数据。
3.2 解体试验及分析
对故障互感器进行了相关试验,因电容式电压互感器介损试验是从压变二次侧升压激磁进行,而压变单元故障致使无法升压,介损试验无法进行,绝缘电阻测试显示电容单元C2末端δ点对地绝缘为0。将电容单元和电磁单元分离,对电容单元进行了电容量及介损试验,结果如表2所示。
故障后电容量与介损数据与上次例行试验数据相比无明显变化,可判断电容单元未发生故障[3]。
对电磁单元进行解体分析及试验,电磁单元中绝缘油经历高温放电后颜色呈墨绿色。空载试验一合闸电流就达数安培,无法进行。随后进行了中间压变一二次直流电阻(如表3所示)和绝缘电阻试验,绕组间绝缘电阻大于1 000 MΩ。
试验数据显示,故障后一次绕组电阻值与出厂值的误差为11.6%(规程要求≤10%),二次绕组试验数据正常,初步分析是一次绕组存在匝间短路。从外观观察,电磁单元中的阻尼器及补偿电抗器无异常,对电磁式电压互感器进一步解体检查,互感器铁心无异常,一次绕组绝缘损坏,因故障发展严重无法准确判断故障的初始位置,参与解体的厂方技术人员分析是因一次绕组的调压绕组匝间绝缘损坏继而向内外延伸导致故障进一步发展。
3.3 小结
这是一起较为严重的设备故障,推测分析,该互感器电磁单元一次绕组调压绕组部分绝缘薄弱,在运行中进一步恶化导致一次绕组绝缘故障,该设备是检无压用的线路压变,电压检测量未上传,若不及时发现并停运设备将导致设备爆炸的恶性故障。
4 结束语
电容式电压互感器故障主要分为电容单元故障和电磁单元故障,二次电压监测和红外测温是发现电容式电压互感器故障及早期缺陷的有效手段。建议所有的电容式电压互感器均应具备二次电压监视功能,对于系统中检无压用的电压互感器,目前无电压监测信号上传,建议增加此信号。同时对电容式电压互感器应加强红外测温工作,其电容单元故障时温差较小(通常0.5～1 K),测温后应使用相应软件进行精确分析;电磁单元若发生整体温升或者局部过热应结合温升数值、故障部位及油试验数据进一步检查分析。采用红外测温与电压监视相结合的监测手段,能及时有效地发现各类电容式电压互感器的缺陷,保证该类设备的稳定运行。
参考文献
[1]Q/GDW168—2008,输变电设备状态检修试验规程[S].
[2]DL/T664—2008,带电设备红外诊断应用规范[S].
电容式电压互感器CVT运行分析 篇8
关键词：CVT谐振,高压熔断器,小电流接地系统
1 概述
1.1 CVT工作原理
电容式电压互感器CVT总体上可分为电容分压器和电磁单元两部分[1],其电气原理如图1所示。
C1—高压电容;C2—中压电容;TV—中间电磁式电压互感器;U2—测量电压;,L—补偿电抗器,用来减少二次负载产生的电压误差;U1—电网电压
CVT采用电容分压原理,即,其中KU=C1/(C1+C2)。因此,U2与U1成比例变化,由此可测出相对地电压。
1.2 CVT与电磁式电压互感器运行特性比较
从设备原理上分析,35kV电压互感器可采用电磁式和电容式两种。电磁式电压互感器由于短路阻抗小,在设备二次绕组发生短路时会造成输电系统严重的短路故障,因此一般需要在回路中加装熔断器。它对外电路表现为感性,正常运行时的电流较小且不易突变,所以熔断器一般不会误动作。
CVT采用电容分压原理,系统电压由电容分压器承担,容抗较大,可限制故障时短路电流的增加,从而避免系统发生相对地短路故障。但CVT对外电路表现为容性,在无功投切过程中,流入电容分压器的电流易发生突变,常使熔断器误动作,增加了维护工作量。
2 CVT运行情况及改造
2.1 CVT运行情况简介
GD变电站为500kV变电站,其35kV系统无出线,主要起调节系统电压和提供站用电的作用。该系统采用的CVT型号为WVB235-20HF,最高电压为40.5kV,额定总电容为20 000pF,高压电容为40 000pF,额定中压电容为40 000pF,额定一次电压为,二次绕组电压为,额定输出为75VA。
CVT一次侧在投运初期装设了高压熔断器FU,如图2所示。在CVT运行过程中,电容器由于对高次谐波暂态过程有放大作用,因此在操作过程(如无功设备投/退过程、母线充电过程)中流入电容分压器的电流易发生突变而使熔断器误动作。该站从2009年投运起发生过多次CVT高压侧保险熔断故障,其原因大多为操作引起的系统暂态过程,仅一次是发生了铁磁谐振。
2.2 CVT改造
结合CVT设备特点及实际运行情况的分析,经设计、实验单位的研讨和实验,并参考国网公司2011版通用设计,对GD变电站35kV CVT进行了改造,于2011年9月取消了高压熔断器FU。经过近一年的运行,系统两台CVT运行正常。
3 无高压熔断器的CVT运行
3.1高压熔断器作用
高压熔断器的作用[2]主要为:
(1)防止高压系统受CVT本身或其引线上故障的影响。
(2)保护CVT。当CVT发生一次内部故障或二次故障,但二次熔断器拒动或系统发生谐振时,高压熔断器熔断,使CVT退出运行,从而防止其进一步损坏。
3.2消谐措施
改造后的35kV系统母线CVT为无保险运行,铁磁谐振一旦发生,会将其直接损坏,因此应采取消谐振措施来保证CVT正常运行,同时也应防止CVT本身出现故障,避免事故越级影响系统运行。
66kV及以下中性点绝缘的电网由于对地容抗与电磁式电压互感器励磁感抗的不利组合,在电压大扰动(如遭雷击、单相接地故障消失过程以及开关操作等)作用下会激发铁磁谐振[3]。因此,GD变电站应采取以下措施来消除谐振:
(1)防止35kV系统单相接地。GD变电站35kV系统为小电流接地系统,系统发生单相接地时的接地电流不大,往往不能产生稳定的电弧,于是就形成了熄弧与重燃的不稳定状态。这种间歇性电弧现象引起系统运行方式的瞬息改变,导致电磁能的强烈振荡和积聚,并在健全相和故障相中产生严重的弧光接地过电压[4]。GD变电站没有35kV系统的出线,理论上不易发生单相接地情况,但也不能完全避免大风天气造成的异物接地或潮湿天气造成的爬电接地。因此,在这两种天气情况下应加强特巡,平时的巡视也应注意绝缘子的脏污程度,设备检修时应及时清擦绝缘子,防止脏污造成爬电接地。另外,该变电站曾发生过因谐振而产生的电压升高情况,因此在取消CVT高压侧熔断器后应采取措施消除谐振。同时,35kV系统无单相接地报警,一旦发生单相接地则不易察觉,可能因长时间单相接地而发生谐振。经过比较各种消谐措施,最终采取在CVT开口三角处串接电压继电器及灯泡的消谐方式(如图3所示),这样既起到了单相接地时的报警作用,又可以消除谐振。
(2)电容器的三相不同期合闸也是造成35kV谐振的一个原因。在投运电力电容器时,要做到三相同期合闸是较为困难的,这就形成了三相电路的瞬时不对称,使个别相在合闸时承受较高的电压。此外,三相之间存在互感及电容的耦合作用,致使未合闸相感应出与已合闸相极性相同的电压,待该相合闸时可能会出现反极性合闸的情况,从而产生高幅值过电压[5]。因此,在电容器检修时,应检测电容器开关三相的同期性,确保其在合格范围内,以防止发生铁磁谐振而导致CVT损坏。
4 结束语
CVT由于其特殊的构成而对系统波动非常敏感,对高次暂态电流也具有放大作用,因此易发生高压熔断器熔断的情况,影响系统的安全运行。而《110(66)kV～500kV互感器管理规范》要求CVT中间电磁单元选用0.5T以下的低磁密互感器来改善其谐振特性,因此CVT不易发生损坏TV的谐振。根据设计规范和实际运行经验,GD变电站取消了高压熔断器;同时,为防止CVT因发生谐振而损坏,采取了改造CVT回路和提高35kV系统各分路断路器的分合闸同期性等消谐措施来保障其安全运行。
参考文献
[1]张全元.变电运行一次设备现场培训教材[M].北京:中国电力出版社.2010
[2]北京电力学校.电气运行工人技术问答[M].北京:水利电力出版社,1976
[3]孟勇.浅谈电力系统中的铁磁谐振[J].中国科技博览,2009 (10):144
[4]陈维贤.电力系统的内部过电压[M].北京:中国工业出版社,1965
单片机控制的简易直流数字电压表 篇9
关键词:直流数字电压表;单片机;A/D转换
中图分类号:TM933.22 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0026-01
数字电压表作为一种数字仪器仪表它采用数字化测量技术,把连续的模拟量(待测的直流电压值)转换成离散的数字形式并加以显示。由于有别于传统的指针式电压表由读数带来的种种误差与不便,它具有精度高、误差小、测量速度快、读数准确方便等优点。
数字电压表的核心部件是A/D转换器,本设计中A/D转换器采用ADC0809对输入模拟量即待测电压进行转换。而控制部分则由单片机AT89C51完成对转换之后的数据进行处理,由此产生相应的段码并送入数码管显示。而在软件部分,当A/D转换结束,采用中断方式对数据进行读取、处理,相较于查询方式程序更为合理,实时性也更好。
一、功能设计
由AT89C51与ADC0809构成一个简易的直流数字电压表,采用1路模拟量输入,能够测量0-5V之间的直流电压值。显示部分采用LED数码管动态显示,能够精确到小数点后两位。
二、硬件电路
硬件电路如下图示:
1.由于采用1路模拟量输入,因此ADC0809的三根地址线C、B、A(用于通道选择)直接接地,默认选择0通道。2.单片机采用6MHz的晶振,ALE引脚输出6MHz/6=1MHz的时钟信号,经74LS74触发器2分频,最终得到500KHz的时钟信号送入ADC0809的时钟端。3.ADC0809的启动端START、地址锁存端ALE均为高电平有效,将START与ALE端连在一起,与AT89C51的P2.7相连,当P2.7输出一个高电平时,启动0809开始模数转换。4.A/D转换结束,采用中断方式进行数据的读取处理。当转换结束时,EOC端输出高电平,而单片机的外部中断均为低电平有效,因此0809的EOC端通过反相器74LS04与单片机的P3.2(即外部中断0)相连,当转换结束,外部中断0则申请中断。5.0809的输出允许OE端与单片机P2.6相连,当OE端为高电平,模数转换的结果输出到0809的8位数字量输出端。6.模数转换的8位数字量由P0口输入单片机,经单片机处理后产生用于显示的段码值,再由P1口输出驱动LED显示器动态显示电压值。三个LED数码管的位选分别由单片机的P2.0、P2.1、P2.2三根口线控制。动态显示时,每一位LED的选通时间为5ms,由延时程序实现。
三、软件设计
程序:
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0003H AJMP JINT0
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;MAIN:NOP
SETB IT0
SETB EX0
SETB EA
MOV P0,#0FFH
SETB P2.0
SETB P2.1
SETB P2.2
SETB P2.3
CLR P2.7
SETB P2.7
CLR P2.7
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
XS: CLR P2.1
MOV DPTR,#TAB
MOV A,31H
MOVC A,@A+DPTR
ORL A,#80H
MOV P1,A
LCALL YS
SETB P2.1
CLR P2.2
MOV DPTR,#TAB
MOV A,32H
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
LCALL YS
SETB P2.2
CLR P2.3
MOV DPTR,#TAB
MOV A,33H
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
LCALL YS
SETB P2.3
AJMP MAIN
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
JINT0:NOP
CLR EA
SETB P2.6
SA:MOV A,P0
CLR P2.6
MOV B,#51
DIV AB
MOV 31H,A
MOV A,B
MOV B,#5
DIV AB
MOV 32H,A
MOV 33H,B
SETB EA
RETI
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
YS:MOV R6,#5
YS1:MOV R7,#250
L:DJNZ R7,L
DJNZ R6,YS1
RET
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
TAB:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H ;0,1,2,3,4
DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH ;5,6,7,8,9
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
END
四、结论
由于ADC0809的分辨率为8位,当输入模拟电压的变化范围为0~5V,输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V/255≈0.0196V。这就决定了该电压表的精度只能达到0.0196V。因此测试时电压数值的变化一般以0.02V的电压幅度变化,在一般的应用场合可以完全满足要求。
参考文献:
[1]南建辉,熊鸣,王军茹.MCS-51单片机原理及应用实例[M].清华大学出版社,2004
[2]王法能,尹季昆.单片机原理及应用[M].科学出版社,2004
[作者简介]高皑琼(1981-),女,2005年毕业于兰州理工大学通信工程专业,并获得学士学位,于2005年任教于甘肃工业职业技术学院至今,讲师。
逆变器直流母线电容的作用及检测 篇10
关键词：逆变器,电容,检测
1引言
能源紧缺, 环境恶化是日趋严重的全球性问题, 人类为追求可持续发展, 正积极发展可再生能源, 太阳能作为可再生能源, 这些年来引起了各国政府和专家的日益重视。在全世界, 电能紧缺已经是一个非常严峻的问题, 拉闸、限电严重影响了人们的正常生活和企业的生产, 自去年日本发生核电站事故以后, 人们更是把目光集中到了清洁、安全、高效的太阳能上面, 用之不竭, 取之不尽的太阳能已经进入了普通人的生活, 太阳能路灯、太阳能控制器、太阳能电源、太阳能逆变器……, 这些高科技的产品, 在各行各业中发挥着它们巨大的作用, 而逆变器更是成为新能源行业的希望之星。但逆变器由于其复杂的电路拓扑结构和精确的算法, 使得许多企业和个人望尘莫及。
逆变器包括很多关键的单元, 而直流母线电容单元是逆变器很重要的一个单元, 现对逆变器直流母线电容单元的作用以及检测方法等作个分析和介绍。
2逆变器直流母线电容的作用
逆变器可看成是用直流电源供电的特殊用途的变频器, 输出频率为50Hz或与电网同步的50Hz, 其作用为吸收由逆变器产生的高频开关频率及高次谐波电流, 和逆变器升压后的储能, 以保证逆变器有稳定、纯净的直流母线电压, 这样逆变器才有干净的电能输送到电网上去。
3逆变器对直流母线电容的要求
3.1 高电压
一般大功率的逆变器, 光伏组件的输入电压为850V左右, 可以选择两只耐压为450V的电解电容串联, 这样才能保证电容的耐压值在安全范围内, 但由于电容的误差较大, 存在分压不均的现象, 所以在两只串联的电解电容的两端必须要接入两只均压电阻才能保证电容两端电压的均衡。如下图:
3.2 高耐纹波能力
逆变器的直流母线电容要能流过逆变器额定电流20%的纹波电流 (经验值) , 500kW逆变器的额定电流是1000A, 纹波电流就达到了200A, 而单个电解电容的纹波能力是10A左右, 为了能够吸收这么大的纹波电流, 就要有很多个电解电容并联才能达到吸收的效果。如上图
3.3 长寿命
在太阳能光伏发电系统中, 光伏电池板的使用寿命长达25年, 因此逆变器使用的每个器件都要求寿命超过25年, 而电解电容由于其特殊的工作原理, 会导致电解液的干涸, 寿命很难达到25年, 因此, 很多逆变器厂家把目光瞄准了寿命更长, 耐压更高的薄膜电容, 但这只是个开始, 结果还有待认证和考验。
4直流母线电容的检测
这么多电解电容并联, 有个非常棘手的问题, 就是如果其中一个电容有问题, 会导致整个母排电容有问题, 而电解电容最常见的问题就是漏电流太大, 即使世界顶级品牌的:CDE、EPCOS、黑金刚、红宝石这些品牌, 也常有漏电流过大的问题, 如上图, 当上部分并联的电容C1、C2、C3……Cn中某一个出现漏电流过大时, 会导致这些并联电容的分压电压降低, 下部分Cx1、Cx2、Cx3……Cxn并联电容的分压电压升高, 这样会使这些电容由于过压而烧坏, 在电容烧坏的瞬间, 直流电压几乎是短路为零的, 进而会导致逆变器的IGBT灌入交流电流而烧毁, 在逆变器的工作中是一个非常大的事故, 针对这种问题的预防, 设计一套检测工装, 能准确检测出电解电容的漏电流大小和电容的分压, 可有效预防此问题可能引发的严重后果。
4.1 漏电流产生分析
在25℃下, 电解电容在加额定电压下, 经过5分钟后, 通过的电流大小就是漏电流。一般情况下, 漏电流小于4mA, 就认为是合格的电解电容, 漏电流产生的原理是:电解电容氧化膜介质上依附着氯、铁、铜离子的电解液, 在施加电压时会产生微型原电池效应电流, 需要较多的电荷将其消耗掉, 这种重新形成以及修复阳极氧化膜的时候会产生一种很微小的电流称之为漏电流。
4.2 漏电流的检测原理图
直流母排电容漏电流的检测是生产制程中非常重要的一个环节, 既要做到操作方便, 又要能快速准确地判断出异常, 对产线制程提出了很高的要求, 通过多年的生产经验, 设计了一套既可准确测量, 又可满足大规模生产的测试设备, 电气原理如下:
4.3 漏电流检测原理分析
直流母排上加900V直流电压, 经并联电容C1、C2、C3……Cn/Cx1、Cx2、Cx3……Cxn和均压电阻R1、R2分压后, 送入线性光耦HCPL7840, 光耦为差分输出, 输出的电压送入CPU采样处理, 如果两路电压的差大于5V, 就准确判断出某一路里有电容存在较大的漏电流, 此检测设备在实际生产中得到了广泛的应用。
4.4 漏电流检测设备在实际应用中的案例
5结束语