提高大电流温升试验系统效力的补偿技术研究_王小龙.pdf

检测与试验电器与能效管理技术(2023No 3)王小龙(1964)，男，高级工程师，主要从事中高压开关设备的研究和试验管理工作。刘爱华(1966)，女，正高级工程师，主要从事高中低压电器的研发。刘雪吉(1986)，女，高级工程师，主要从事高压开关设备的研发和设计。提高大电流温升试验系统效力的补偿技术研究王小龙1，刘爱华2，刘雪吉3(1 甘肃电气集团有限公司，甘肃 兰州730000;2 天水长城控制电器有限责任公司，甘肃 天水 741018;3 天水长城开关厂集团有限公司，甘肃 天水741018)摘要:在大电流开关设备温升试验中，为解决试验系统由于大电感效应使输出电流达不到要求的问题，基于温升试验系统和大电流试品回路的阻抗特性，通过施加小电流试验方法进行测试和分析计算，获得回路整体的感性分量数据，提出适宜的电容补偿解决方案，并给出了补偿电容器组参数选择、分级投切和保护设置的分析计算方法。采取容性补偿措施后，温升试验系统输出电流满足被试大电流开关设备的试验需要。所提方案无须对原有系统调压升流装置进行增容更换改造，具有效果良好、技术可靠、成本低的优点。关键词:补偿电容器;功率因数;无功补偿;大电流试验系统中图分类号:TM714 3文献标志码:A文章编号:2095-8188(2023)03-0069-04DOI:10 16628/j cnki 2095-8188 2023 03 011esearch on Compensation Technology for Improving Efficiency ofHigh Current Temperature ise Test SystemWANG Xiaolong1，LIU Aihua2，LIU Xueji3(1 Gansu Electrical Equipment Group Co，Ltd，Lanzhou 730000，China;2 Tiansui Changcheng Control Electric Appliance Co，Ltd，Tianshui 741018，China;3 China Tianshui Changcheng Switchgear Group Co，Ltd，Tianshui 741018，China)Abstract:In the temperature rise test of high current switchgear，in order to solve the problem that the outputcurrent of the test system can not meet the requirements due to the large inductance effect，the impedancecharacteristics of the temperature rise test system and the high current test circuit are tested and calculated byapplying the small current The overall inductive component data of the circuit is obtained The appropriatecapacitance compensation solution is proposed The analysis and calculation method of the parameter selection，grading switching and protection setting of the compensation capacitor bank is given After taking the capacitivecompensation measures，the output current of the temperature rise test system meets the test requirements of thetested high current switchgear The proposed scheme has the advantages of good effectiveness，reliable technologyand low cost，and does not need to change the capacity of the pressure regulating and flow raising device of theoriginal systemKey words:compensation capacitor;power factor;reactive power compensation;high currenttest system96电器与能效管理技术(2023No 3)检测与试验0引言中压开关柜温升试验系统主要由调压器、升流器、试验母线共 3 部分组成。在使用 3 台额定输出 10 kA 的升流装置进行 12 kV、7 kA 大容量开关柜温升试验时，发现试验电流无法升至 1 1倍试品额定电流，无法进行试验。经分析，由于大电流开关柜内部一次回路各相由多片母线排并联组成，母线路径较长且在柜内呈现许多折转处，自感、互感效应较强，加上导体的支撑和开关柜外壳、隔室之间的隔板等钢结构件磁路产生的电感，导致试验时试品回路的感性阻抗过大，致使试验电流无法达到要求值。本文通过试验方法，确定了试验回路的感性分量占比，据此设计并应用了适宜的补偿方案。1试验回路参数的确定单相试验系统结构图如图 1 所示。3 台调压器引入三相交流电源电压，然后分别连接每一相的升流器，由升流器给大电流开关柜提供工作电流1。图 1单相试验系统结构图图 1 中，分别从大电流柜的三相母线输入处(D 点)设置测量用电流互感器和电压引线，电压和电流信号接入功率因数表，调节调压器带动升流器的输出电流上升，直到系统稳定，即电流值保持恒定。试验测得系统数据如表 1 所示。表 1试验测得系统数据项目内容A 相B 相C 相柜体输入端电流/A6 2656 3706 300柜体输入端电压/V948707952系统功率因数 cos0 352由表 1 可知，当柜体的三相电流平均升到6 300 A 时，系统的功率因数较低。在系统容量一定的条件下，不可继续调节控制台来升高电流。由于无功功率损耗远大于有功功率损耗，因此系统不能达到理想电流 7 kA。为了改善系统的无功功率因数分布，提高功率因数 cos，需合理配置无功补偿装置，提高负荷功率因数。2理论分析及计算无功补偿装置是用来提高系统功率因数、补偿无功损耗的，需要合理控制成本。试验系统的每一相(A 相、B 相、C 相)都是独立连接，故选择单相并联电容器补偿装置，将装置并联到升流器的输入端，用来补偿升流器、试验母线、柜体的无功损耗2。(1)系统所需补偿的最大容性无功量为Qf=Pf(tan1 tan2)=Pf1cos211 1cos22()1(1)式中:Qf 系统最大容性无功量;Pf 并联装置连接处的最大有功负荷;cos1 补偿前系统的实际功率因数;cos2 补偿后期望达到的功率因数。根据调压器最大输出计 Pf=220 kVA，为了满足电力系统用户允许的最低功率因数要求，要将 cos2提高到 0 9 以上，代入式(1)计算 Qf=482 2 kvar。(2)电容器的额定电压选择。在确定电容器额定电压时应主要考虑以下因素:电容器装置接入电网会引起电网电压升高、电容器的容差引起各电容器间承受电压不等，单台电容器的额定电压应满足的要求为NUce KUm1 A(2)其中，K=1+0 053+0 05=1 016。式中:N 电容器组中电容器串联段数，工程中，一般在 10 kV 及以下取 1;Uce 采用的电容器额定电压，安全裕度不易过高，以免容量亏损过多;K 电容器容差引起的电压升高系数，式中 0 05 是考虑到安装后的电容器组相间可能存在的最大容差比值;07检测与试验电器与能效管理技术(2023No 3)Um 系统最高运行电压，是由升流器的输入电压决定的，取升流器的最大额定输入电压 Um=650 V;A 装置调谐度，需要抑制 5 次谐波时A=4%。将数据代入计算 Uce687 92 V，故将单台电容器的额定电压选择 0 69 kV 等级。(3)电容器的额定容量为MQceNQfU2ce(1 A)3U2m(3)式中:Qce 单台电容器额定容量;M 电容器并联台数。多组电容器并联使用时，单台电容器额定容量计算表如表 2 所示。表 2单台电容器额定容量计算表参数数值M/台12345Qce/kvar113 0256 5137 6728 262260根据表 2，综合考虑选择每一相由四组并联电容器构成，支路选用额定容量为 30 kvar 的电容器并联 4 组来实现补偿。(4)单台电容器的额定电容值为Cce=QceUce 103(4)式中:Cce 单台电容器额定电容值;工频角频率。其中，=2f=2 3 14 50=314 rad/s。代入数据计算可得 Cce=138 47 F。(5)并联电容器额定电流为Ice=QceUce(5)式中:Ice 电容器额定电流值。数值代入式(5)计算得 Ice=43 48 A。3补偿装置的设计原理该补偿系统的 A、B、C 三相分别采用容量为30 kvar、额定电压为 0 69 kV 等级的 4 台单相电容器并联构成。在电容器投切运行过程中，会出现过电压、过电流等现象，需要安装其他辅助装置进行电容器的保护，以此来维护系统的正常运行3。A 相补偿装置原理图如图 2 所示。图 2A 相补偿装置原理图图2 中，塑壳断路器 QF1、QF2;熔断器 FU1 FU4;自锁功能的按钮开关 S1、S2;接触器 KM1、KM2;电容器 C1 C4;电灯 L1 L4。(1)过载、短路保护:并联的 4 组支路中，塑壳断路器 QF1、QF2 串入主电路中，额定电压为0 69 kV，目的是自由分断和承载额定电流，并能在线路和用电设备发生过载、短路的情况下，对线路进行可靠的保护。(2)过流保护:熔断器 FU1 FU4 起到过流保护的作用，按电容器额定电流的 1 5 倍选择。(3)放电保护:选用两只型号为 AD16-22D/29 的电容放电灯 L1 L8，额定工作电压为380 V，两两串联后分别并联到电容器上，目的是消耗电容器的残留电压。放电时，放电回路起作用，电容放电灯亮，试验人员不可靠近，停止操作;放电结束后，电容放电灯不发光，试验人员可以安全进行其他操作。(4)控制系统:电容器的投入和切除，都是由接触器来控制的。当试验开始时，具有自锁功能的按钮开关 S1 闭合，接触器 KM1 的线圈带电，其两对常开触点闭合，电容器 C1、C2投入到线路中，补偿容量为 60 kvar，接触器 KM1的两对常闭触点断开，放电电路断开;当试验结束后，按钮开关 S1 断开，接触器 KM1 的线圈失电，其两对常开触点断开，电容器 C1、C2从线路中切除，接触器 KM1 的两对常闭触点闭合，放电电路接入回路，将电容器残留的电压消耗干净。17电器与能效管理技术(2023No 3)检测与试验4补偿装置的验证在试验之前，检测 A、B、C 三相装置的连线状况，确定接线完好，塑壳断路器、接触器处于断开状态，操作灵活可靠才可进行试验。试验分两步进行，首先，A、B、C 三相分别切入 2 组电容器，即投入补偿容量为 60 kvar;然后切入 4 组电容器，即投入补偿容量为 120 kvar;再调节调压器，观测操作台上升流器电流的输出值以及功率因数表的读数，系统稳定后，记录试验数据。试验数据记录表如表 3 所示。表 3试验数据记录表投入补偿容量/kvar柜体 A 相输入端电流/A柜体 B 相输入端电流/A柜体 C 相输入端电流/Acos2606 6856 8606 72006871207 0357 14