電抗器作用:電抗器雜散電容測試方法研究

      摘 要：干式空心平波電抗器端對端、端對地雜散電容的測量數據對于直流輸電線路保護段的設計起到重要的指導意義。根據現場試驗測量數據分析，得到回路中RC等效電路，針對繼電器的動作過程，提出減少雜散值和提高中間繼電器動作可靠性的防范措施。筆者根據多年生產實際及現場測試經驗，對于干式空心平波電抗器雜散電容的測試方法進行了反復摸索，并通過現場試驗數據以及仿真計算校驗了國家標準推薦用方法的實際測試數據的準確性，并摸索出新的雜散電容測量方法——導納電橋測試法，實現了干式平波電抗器雜散電容的準確測量，保證了測量數據的有效、可靠。

　　關鍵詞：電抗器；雜散電容；電橋測量；電平比較法；直接測量法
　　
      引 言
　　隨著中國經濟的高速發展，一次能源和電力負荷分布不均衡的問題更加突出，發展特高壓電網，特高壓大容量、遠距離輸電的安全性經濟性，是提高能源利用率、保障能源安全的必然選擇。按照國家電網“十一五”規劃和國家電網公司的總體部署，2015年前將相繼建成向家壩——上海奉賢、裕隆——同里、溪洛渡右——浙江武義等多條直流輸電工程。同時，南方電網溪洛渡、糯扎渡等直流輸電工程也在相繼進行中。
　　　
　　干式空心平波電抗器作為特高壓、超高壓直流輸電換流站中三大關鍵設備之一，其作用不容小覷。其產品質量和可靠性對系統的安全、穩定、可靠運行提出了嚴格要求，同時干式平波電抗器的各類電氣參數、機械參數就成為衡量設備安全與否的重要依據，其中，平波電抗器雜散電容的有效測量為系統計算提供了不可或缺的設計參數，因此成為設備制造企業和網聯公司都密切關注的重要參數。
　　　
　　與此同時，無論是國外還是國內，雜散電容的測試手段都沒有成熟的經驗，國際相關平波電抗器標準從未涉及雜散電容測試，而國內相關平波電抗器標準推薦的測試方法也是根據我國現有的幾條特高壓、超高壓直流輸電工程總結下的經驗得到的，且經驗較少。本文，結合國家標準中的推薦測試方法以及筆者實際現場測量摸索出的方法進行對比分析，為今后平波電抗器雜散電容測試提供參考。
　　
      1、基本情況
　　目前，電抗器行業內常用的雜散電容的測試方法主要有直接測量法、電平比較法、導納電橋測試法。其中直接測量法和電平比較法為平波電抗器國標推薦使用方法。導納電橋測試法為筆者根據多年實際測量經驗，通過與國標推薦方法實測數據相比較得出的第三種方法。下文將對上述三種方法做詳細分析比較。
　　
      1.1直接測量法
　　原理：據筆者了解平波電抗器生產廠商利用高頻阻抗直接測量法進行測量雜散電容時，通常使用的測試儀器為7600RLC參數精密測量分析儀。該儀器能測量及分析被試品的R、L、C、D、Q、Gp、Bp、Xs、Y等14種參數并同時顯示14種參數的任意兩種組合。設備標注的工作頻率范圍10Hz-2MHz。7600自動平衡電橋的阻抗測量是基于矢量電壓、電流比的測量。被試品（out）的阻抗是由測量被試品上施加的信號電壓和流過的電流間的矢量比而定，然后由電壓和電流之比計算測試端阻抗。這種方法可用于多端測量結構，在電路中消除殘余阻抗的影響。同時測量電路比較簡單、量程寬。根據該儀器的特點，能夠直接在儀表盤上讀出被試品的雜散電容值。
　　
      優點：測試儀器單一，工作效益高，可以實現掃頻測量。
　　缺點：儀表測試信號電壓最高為1V，測試引線長時，會引起誤差（因儀表制造廠規定不得超過2m），由于測試方式為寬頻，頻率大于600kHz時測試誤差為±5%，高頻時測試誤差由于儀表的信號電壓低易受干擾，測試誤差很難估計。而國標要求的測試頻率范圍為30kHz—1000kHz。
　　
      1.2電平比較法
　　原理：在實際現場測量時，由于空間電磁干擾過強，無法使用高頻阻抗測試儀或其他弱小電流的網絡分析儀直接測量，采用高頻振蕩器向試品逐一施加指定頻率的高頻電流，用窄帶選頻電平表測量試品的電壓電平以及與試品串聯的標準電阻的電壓電平，通過公式得出該頻率下試品的阻抗值，根據諧振點為阻抗最大點得出自諧振頻率，然后根據LC諧振方程和試品實測電感值得到自諧振頻率下得雜散電容值。測試回路圖如下：
　　
      優點：該方法試驗設備、操作方法簡單，易于實現。
　　缺點：該測試方法在為保證測試數據有效性，回路中的R選用無感電阻，當電抗器的測試頻率不同時，應改換不同的電阻值，因電抗器的電抗值隨著測試頻率的升高為幾十千歐，由于電平表的電平開關檔在比較P1與P2的電平差為相差很大，會帶來很大誤差。除此，為避免試品受空間電磁場的干擾，測試儀表中的選頻表的輸入帶寬應小于100Hz，此時測量儀表的接地要良好，必要時要檢查接地網的接地電阻值。電壓電流法，由于取樣電阻的阻值很難配合好，只能測出阻抗分量，其測試誤差為±10%，而平波電抗器在工作頻帶內的輸入阻抗波動很大，故測試誤差較大。
　　
      1.3導納電橋法
　　原理：關于導納電橋法測雜散電容據筆者了解業內大都采用CD6型導納電橋。CD6型導納電橋用于測量頻率300Hz-1.5MHz范圍內的元件和網絡，平衡或不平衡的導納值及其頻率特性。儀器以電導值和電容值直接讀數，根據選擇開關的位置，可直接知道被測品的電納性質是容性還是感性，經計算后，可得其導納值、阻抗值或相角。該電橋在測量時配備電平振蕩器和選頻電平表組合使用。測試回路為，由振蕩器供電提供電壓信號，由選頻表進行頻率限定，然后將被試品高、低壓兩端分別接在CD6導納電橋的輸入、輸出接口處進行測量，直接在電橋表盤上進行電容值的讀數。CD6導納電橋的測試誤差為±5%。
　　
      優點：測試結果可以扣除測試引線誤差，由于電平表可采用選頻測量，測試結果不受外界干擾，可以測試平波電抗器的雜散電容與高頻阻抗參數。
　　缺點：測試為手動，需要定頻測量，無法實現掃頻，適用于單點或離散頻率下的雜散電容測量。
　　
      2、實例測試數據分析
　　雜散電容實際測試過程中，測試引線的誤差應該考慮，一般情況下要求測試引線盡可能短，同時采用單芯帶屏蔽的電纜測試線，同時單獨測量引線電容，在測試數據中手工扣除引線電容。下面是在進行平波電抗器雜散電容測量時分別利用上述三種方法得出的測試數據。同時，考慮到平波電抗器的特殊性，在測試引線作時，我們采用SYV-75-9型高頻電纜，固定在環氧桿上，測試線長度取被試品所需測試的最短長度，在其測試線總長度二分之一處接入測試儀表，高頻電纜的屏蔽層應接地，此時測試線的上端子直接與平波電抗器的上端子、測試線的下端子直接與平波電抗器的下端子連接。這種連接方法由于連接方法固定，可以使測試數據重復性高。下面筆者以南網溪洛渡±500kV直流輸電工程用干式平波電抗器（型號：PKK-500-3200-100）雜散電容的測試為例，分析三種測試方法在現場實際測量所得數據的對比、分析。
　　
      2.1端對地雜散電容
　　2.1.1現場實際測試數據
　　注：雜散電容值不隨頻率變化而變化，上述三種試驗方法所得試驗數據均規定2kHz為試驗頻率。
　　
      2.1.2仿真數據
　　為了分析比較上述三種測試方法得到的實測數據，筆者根據實際被試品（絕緣支架）進行軟件仿真建模，得到仿真下的雜散電容數據為630pF。下圖3為仿真建模圖形。
　　
      2.2端對端雜散電容
　　2.2.1現場實際測試數據
　　被試品：溪洛渡工程用平波電抗器線圈本體
　　
      2.2.2軟件仿真數據
　　同樣是為了分析比較上述三種測試方法得到的實測數據，筆者根據實際被試品（平抗線圈本體）進行軟件仿真建模，得到仿真的雜散電容數據為480pF。下圖4為仿真建模圖形。
　　
      3、結論
　　平波電抗器雜散電容的測量時一項技術難題，通過溪洛渡換流站用平波電抗器實際測試中應用上述三種測試方法得到的試驗數據和有限元軟件建模分析得到的仿真結果進行對比，得出以下結論：
　　1）7600RLC分析儀直接測量法由于測量的是整個測試回路的系統電容，而非試品本身雜散電容，且受外界干擾影響較大，測試數據與仿真數據相差較大； 　　
      2）電平比較法和導納電橋法在扣除引線電容影響后得到的數據與仿真結果能較好的吻合。
　　
　　因此在實際測量過程中，筆者建議使用電平比較法和導納電橋法進行測試，并同時考慮測試引線帶來了系統誤差，推薦使用帶屏蔽層的測試引線，然后在測試完成后扣除引線電容，從而得到真實、可靠的電抗器雜散電容。