基于低频输电线路参数测试仪器的研究与应用

林成理 周 梁 李家灼 刘东昌 钟贤尤

(浙江省送变电工程有限公司)

0 引言

电网系统的构成条件就是输电线路, 电网系统在投入运营之前需要进行测算和审批, 而架空输电线路工频参数使用的是传统的测量方法, 在实际运营的时候能够发现不足之处, 在有些低频输变电工程中, 需要对低频线路进行参数测试, 仪器需要输出低频电压电流信号, 同时测试所有项目时不用换线, 可以使用蓝牙设备操控仪器, 测试人员与测试设备完全隔离,保证测试过程的安全。

1 低频输电线路及参数测量的重要性

低频交流输电目前的主要应用在海上风电的电力传输, 海底电缆输电的输送距离与所采用的频率成反比。降低交流输电线路的工作频率可以减小线路对地电纳和运行所需的充电无功功率, 同时还能降低输电线路的有功功率损耗(导体的集肤效应), 从而达到提升输电线路的有功功率传输容量的目的。海底电缆经济合理的输电距离可以大大的增加, 这样就可以彻底解决远海风电的送出问题。

目前电力系统已经加大了单位面积宽度的传输容量, 但是基于耦合电感与电路的原因, 导致输电线路之间的干扰因素越来越多。相关工作人员进行理论计算的时候无法保证计算结果的精准性。输电线路参数是继电保护整定、潮流计算、故障分析、网损计算、短路电流计算、故障测距的重要依据。输电线路参数的准确性关乎电力系统安全稳定运行, 其意义重大, 需要确保测量输电线路数值的精准性。如果测量的数据不能保证精准性, 那么受影响的就是电压的稳定性, 还有可能会出现误操作导致的安全事故。

2 输电线路工频测量面临的困境

2.1 传统输电线路工频测量方法

(1) 增量法

增量法是在电网系统当中根据测量方程的规则增加零序电流, 当所有的输电线路出现连续电流以后,再根据电流的特点建立增量方程。但是该项方法有明显的不足之处: 参与测量的线路出现连零序电流以后, 容易出现误差逐渐增大的情况, 这就需要工作人员使用其他方法参与测量。

工作人员在测量以后可以通过其他仪器清除零序感应, 防止电压被影响, 但此种方法只是在剪短的时间内不会导致零序感应, 零序电流依然会有些许的变化, 工作人员在测量的时候可能会忽略零序电阻产生的影响, 最终测算结果也会有不小的误差。

(2) 微分法

微分法是在电压定律和基尔霍夫电流基础之上的被测体系, 主要是通过电压的数值以及电流的数值构成的微分方程, 在微分方程里面是根据采集的样本进行分析, 通过不同样本之间的差异测量体系的准确率。

(3) 积分法

积分法是建立于微分之上的测量方法, 是利用微分法的数据, 通过积分法清除多余的导数。同时工作人员能够提高测算的精准度, 通过资料排除输电线路对于接地电容带来的干扰, 然后再有效地利用增量法, 评估线路参数测量使用哪种方法更为合适。

相关工作人员使用在线测算方法, 能够计算出最后的总参数数据和单位面积线路参数数据, 虽然运算过程并不复杂, 但是在运算期间可能会忽视了输电线路之间电容的重要性。线路不同电压数值也不同, 而且电容可能会影响电流的分布, 最终的计算结果也会被影响, 因此最终参数之间会出现较大的数据。

工频仪表法的测试接线状态

电网系统采用的是传统输电线路工频测量方法,该方法在测量输电线路的时候第1 个条件需要断电,也就意味着需要断开电能以后方可进行测量和分析,同时在测量的时候连续和正序参数值需要使用不同的测算方法, 才可获得较为准确的数据。第2 个条件是在测量输电线路的时候需要使用多种仪器测量线路是否运行正常, 使用仪器包括电流表、电压表、频率表等。测量出来的数值以后需要手动读取然后根据公式运算得到参数值, 虽然说此项测算方式对比理论运算结果更为精准, 也可避免其他不稳定的因素对其造成干扰。

2.2 存在的不足之处

在实际操作当中能够了解到, 使用线路参数法进行测量与分析时, 还会出现以下几点情况:

(1) 现如今电力网络的建设范围也越来越大,所以输电线路的范围也随之扩大, 不少线路之间会出现交点或者是平行线, 而且输电线路受到空间紧张的情况所影响, 在同一个塔架上可能会架设不同的多回路, 而且有越来越密集的趋势。如果使用传统的测量方法测量相邻的输电线路时, 那么就有可能会出现无法有效切断电源的情况。例如:

如果使用传统的测量方法测算阻抗参数数据, 但输电线路的末端是要和大地接触, 电流的压力可能就会较高; 如果测量的是电容数据, 需要线路末端需要与大地断开, 而相邻的输电线路可能会存在有电的现象, 可能会导致感应电压变强, 那么不仅测量结果不准确, 还有可能会导致测量工作出现安全隐患。

(2) 传统线路参数测量的仪器较多。其中涉及隔离变压器、电流仪表变压器以及电压仪表等多种仪器, 而每种仪器可能需要使用不同规格的设备进行测量。在连接上述仪器的时候工序也较为复杂, 连接以后不能马上进行测量, 需要安排专业的测量人员进行试验, 从而导致测量成本随之增加。

(3) 目前的变频电源由于采用变频器加隔离变压器的结构, 测试频率范围一般为40 -60Hz, 如果输出频率较低时, 隔离变压器的体积和重量会成倍增加, 对于运输来说十分不便。

3 仪器的设计与应用

3.1 工作原理

现如今随着科技水平的提高, 电力电子技术的发展在高频化发展。不少电力系统会使用高频法代替变频器+隔离变压器作为最新的分析方法, 电源的可以在宽频率: 15 -60Hz 输出。工作人员可以利用变频电源对变频电压以及电流信号进行详细分析, 通过科学的折算以后, 能够得到有效的工频参数。根据可靠的数据能够了解到, 使用异频法能够有效防止工作人员受到现场环境的干扰, 同时也可以方便工作人员进行小电流测试。因为测试电流小, 不需要使用大量的人力和物力, 在降低成本的同时, 也同样提高了现场工作人员的效率。

根据研究结果能够发现, 工作人员在测量线路期间受到干扰的主要原因是邻近线路, 电网的频率主要在50Hz 附近, 仪器的异频电源发出的信号可以施加到需要测量的输电线路上, 而仪器数据采集系统能够采集三相的电压电流的数据, 同时利用数字滤波算法将工频干扰滤除, 保留有效的信号, 最终根据提前设定好的程序得出参数值, 也能确保数值的精准度。

3.2 技术原理

本电源采用高频变压器设计, 通过AC/DC→DC/DC→DC/AC, 将输入的交流220V 电源转换成三相的交流电源。原理图如图2 所示。

图2 原理图

首先交流电源220V 通过整流单元转化为直流电压, 直流电压通过全桥变换器, 转换为高频方波信号给高频变压器的一次侧, 高频变压器的二次侧整流后, 通过三相桥式逆变电路转化为三相交流电源。

逆变电源以dsp 为控制核心, 采用空间电压矢量调制svpwm 技术, 由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波, 能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量PWM 与传统的正弦PWM 不同, 它是从三相输出电压的整体效果出发。SVPWM 技术与SPWM 技术相比较, 输出电流波形的谐波成分小, 旋转磁场更逼近圆形, 而且使直流母线电压的利用率有了很大提高, 且更易于实现数字化。

DSP 通过内部定时器输出3 路互补的svpwm 信号。电流互感器采集输出端电流信号, 作为反馈信号给主控单元。主控根据设定的电流值调节svpwm 的调制比, 调节电压的幅值。DSP 通过改变定时器的频率调节变频电源的输出频率。

电源输出采用继电器控制输出波形, 当正序切换到零序状态时, 只需改变继电器的控制逻辑即可, 无需外部改变接线。

信号采集系统采用电压、电流互感器, 三相互感器采集到的信号给内部的高速ADC, DSP 将采集到的数据进行运算得出参数结果。

3.3 设计优势

(1) 采用高频变压器设计, 解决了线路参数测试测量中测试设备体积大、质量大、运输不便等问题。

(2) 电源输出频率范围宽: 15 -60Hz, 可以在低频输变电线路中采用低频法进行测量。

(3) 一体化设计做到了高度集成化, 将所有的设备全部都集中到主机中, 工作人员接线的过程也简单便捷, 仅需要一次接线就可以测量所有的参数, 避免了测量期间需要拆接线, 而对现场测量人员造成伤害。

(4) 仪器可以根据干扰特征参数, 设计出自适应的数字滤波算法, 实现对工频干扰进行有效抑制,保证测试数据可靠准确。

(5) 仪器在测量的时候, 接入的是日常所用的220v 的电压, 而不是传统测量所使用的380v 电压,避免接入不方便的情况。

(6) 仪器内置蓝牙模块, 测试人员可以使用蓝牙设备操控仪器, 测试人员与设备完全隔离, 保证测量安全。

(7) 仪器配备了储存的功能, 同时也有日历芯片, 仪器可以根据日期自动保存数据, 方便作业人员和管理人员随时查看数据, 也可以随时打印。仪器配备了usb 接口, 方便工作人员随时将数据导出, 也可以在任意的pc 机上查看, 方便科研人员做工作报告。

(8) 测仪器有液晶显示屏, 即使工作人员不熟悉操作步骤也可以根据页面的操作流程进行试验, 每一环节有详细的介绍, 并不需要额外安排其他人员对现场测试人员进行培训, 自己触摸以后就能了解操作的过程。而且仪器内部还设定了接地功能, 仪器能够感应测量期间是否会出现接地情况不良的现象, 如果出现不安全的因素, 仪器可以快速地感应, 禁止人员操作, 从而保护作业人员的安全, 而且测试仪器也基本不会出现损坏的情况。

3.4 设计成果

设计的仪器体积小、重量仅为20kg, 可以完成输电线路的正序阻抗、零序阻抗、正序电容、零序电容等参数的测试, 既可以应用在工频输电线路中, 也可以测试低频输电线路参数。仪器外形如图3 所示。

图3 仪器外形

3.5 仪器的应用

在某市的输变电工程中线路参数测试使用本仪器进行测量, 在进行测量之前, 首先将线路和仪器可靠接入大地, 其次再将电源输出信号地N 也可靠与大地连接, 然后把3 个输出端ABC 分别接入到线路电流引下线, 最后将UA、UB、UC 接入线路电压引下线。工作人员完成接线工作以后, 紧接着打开线路端的接地刀闸, 此项操作能够最大限度保证工作人员及测试设备的安全性。如图4 所示。

图4 测试接线

完成接线后, 仪器开机, 首先在线路末端在短路接地情况下测试线路的正序阻抗、零序阻抗。然后将线路末端保持开路状态, 测试线路的正序电容和零序电容。

4 结束语

本设计采用高频变压器一体机设计, 频率可以实现15 -60Hz 宽范围输出, 解决了目前市场上无法用20Hz 对低频输电线路参数的测试。同时与传统的仪器相比更加轻便。采用蓝牙设备进行无接触操作, 更加安全。仪器采用自适应的数字滤波技术, 测试更加准确, 抗干扰性能更强, 提升了服务质量。