复杂高次谐波电流作用下GIS振动特性研究

伍弘,吴旭涛,王文昭,牛勃,沙伟燕,熊庆,汲胜昌,吴志勇

(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院,宁夏 银川 750011;2.西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室,陕西 西安 710049;3.国网宁夏电力有限公司吴忠供电公司,宁夏 吴忠 751100)

0 引 言

随着新型电力系统的不断发展,电力系统的源-网-荷侧特性发生了巨大变化,电力电子元件以及非线性元件的引入使得高频次谐波的含量在电网中快速增长[1-4]。气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)受其机械结构影响,在复杂谐波的影响下易发生机械谐振,轻则出现异常噪声,严重时会导致结构损坏,给电网安全运行带来严重影响[5-7]。因此,开展新型电力系统中高次谐波对GIS振动特性的影响研究,对保障GIS稳定运行具有重要意义。

国内外学者针对GIS振动特性及其影响因素开展了大量研究。从20世纪80年代开始,清华大学钱家骊、中国电科院郭碧红等人开始通过GIS外壳振动信号对内部放电故障进行检测[8-10],但是局部放电引起的振动信号频率较高,与现场实际测到的GIS产生的低频振动噪声不同,与GIS的机械特性并无直接联系。目前通过振动信号对GIS的机械故障诊断主要从振动产生机理和故障诊断特征参数两方面研究。河海大学马宏忠分析了三相分体式和共体式GIS的振动产生机理,利用模态分析手段对GIS母线气室进行了仿真和实验研究[11-12]。河海大学徐天乐基于希尔伯特-黄变换(hilbert-huang transform,HHT)的时频谱和边际谱检测对GIS设备机械故障进行诊断[13]。江苏电力公司黄清提出了通过高频振动谐波与100 Hz振动幅值的比值检测母线触头松动缺陷的方法[14]。山东大学侯焰将在变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)参数的优化中引入了混沌布谷鸟优化算法和改进的K-means聚类算法,通过此方法对存在自由微粒和螺丝松动的GIS机械故障进行诊断[15]。中国电科院程林从功率谱中提取特征参量研究了开关触头和导向环公差配合过大情况下的GIS外壳振动特性[16]。目前研究主要针对GIS承载工频电压和电流时的振动特性,缺少谐波对GIS振动特性影响的研究。

本文对新型电力系统中产生谐波的特性进行总结,建立GIS谐波电流激励下的振动试验平台,根据新型电力系统中的谐波种类,进行不同谐波激励下GIS的振动特性研究。

1 新型电力系统谐波特性

1.1 源侧谐波特性

新型电力系统被划分为源-网-荷3部分,相比于传统电力系统,新型电力系统引入了风力发电及光伏发电等新能源,由于其自身的运行机理与特性,在并网时不可避免地产生谐波。风力发电并网时的谐波主要来源于脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)及换流器等开关器件[17]。光伏发电系统含电力电子开关器件,谐波主要由PWM、开关器件死区特性等因素产生,同样受到滤波器结构及控制策略的影响[18]。由于风力发电和光伏发电存在波动性和间歇性等特点,风速的变化和昼夜更替使得换流器的工作状态更复杂,从而增大了谐波产生的概率。谐波电流的幅值一般与发电机组输送到电网的功率成正比。新能源并网产生的谐波主要为奇次谐波,6n±1(n=1,2,3…)次含量更多,并且各次谐波的有效值随着次数的升高逐渐变小。

1.2 网侧谐波特性

随着直流电网的建设和电力电子化电网进程的推进,如今电力系统网侧也出现了较多导致谐波增多的因素[19]。由于风力发电、光伏发电新能源的接入,以及负荷侧用电设备的变化和储能系统的发展,直流电网成为新型电力系统发展的选项,但同时引入了较多的电力电子元件,在工作时难以避免地产生谐波。以高压直流输电网中常用的脉动换流器为例进行分析:电流在换相的过程中,由于电力电子器件的非线性会产生谐波,脉动电桥引起的谐波次数主要为n=(p·i)±1,i为正整数,p为脉动数,如系统中使用6次脉动换流器,则产生6i±1次谐波。直流电网在实际运行情况下,除产生有一定规律的特征谐波,还有些不规律的非特征谐波,这与换流站网侧的具体工况有关。

1.3 负荷侧谐波特性

电子设备和电力电子设备的大量使用,储能系统的应用以及电气化铁路的快速发展,导致配电系统产生了大量谐波污染,储能变流器在正常工作时会产生不同次数的谐波含量[20]。选用正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)技术对变流器中开关管进行控制,会使储能变流器并网电流产生开关频率次数附近的高次谐波。由于死区时间产生的谐波为3,5,7等低次谐波,并且谐波畸变率随着死区时间的增加而增加。

电气化铁路运行时存在工作的电力电子器件产生的谐波问题成为电网谐波的重要来源之一[21]。电力机车主电路通过控制晶闸管的导通角或PWM原理来控制车速,因此电气化铁路运行产生的谐波含量与机车运行速度有关,机车速度越高,产生的谐波电流值就越大。机车网侧主要谐波次数为3,5,7等低次谐波,高次谐波以45,47,49,51,53,55次谐波为主。

通过分析某220 kV变电站母线电流录波数据,绘制该换流站一次侧及二次侧的母线谐波电压幅值,如图1所示。其中,一次侧基波电压幅值为131.72 kV,且33次以上谐波电压幅值几乎为0;二次侧基波电压幅值为59.879 V,33次及以上谐波电压幅值也几乎为0。故为方便观察,只比较2-33次谐波幅值。可以发现,一次侧和二次侧的谐波含量及特性几乎相同,两侧均为奇次谐波含量更大,其中5,7,11,13,17,19,23,25,29,31次尤为突出,这与前文的分析一致。

(a)一次侧

综上可知,新型电力系统并网产生的谐波次数为2n+1(n=1,2,3…)次,且主要集中在3,5,7等低次谐波和11,13,17,19等稍高次数的谐波。这些谐波作用到GIS时,GIS的受力将变得更为复杂,更容易导致GIS的“异响”,影响其稳定运行。

2 GIS振动特性研究

2.1 振动平台

为测量GIS在不同谐波电流激励下的振动,本文利用实验室中的可编程谐波源、升流器、220 kV单相GIS母线筒模型及振动测量系统搭建试验平台(见图2)。

图2 振动测试平台

试验回路中谐波源的输出端分别接到升流器的输入端,升流器的两级分别接到GIS两端的套管将其短接。试验中通过谐波源控制台调节谐波源输出的正弦稳态电流频率与幅值。测量回路利用粘贴于GIS罐体外壳上的压电式振动加速度传感器采集振动信号,测点1,2,3分布在母线筒侧面,如图3所示。

图3 测点分布

2.2 不同谐波激励下的GIS振动特性

为了研究复杂谐波激励下的GIS的振动特性,通过可编程谐波源分别向GIS施加幅值为1 kA,谐波总畸变率为0.5%的电流,电流频率分别为单独工频电流,工频电流与3-31次奇数次谐波的单独叠加,工频电流与多种奇次谐波的叠加,并对测得的振动数据进行分析。

2.2.1 工频电流激励

GIS母线筒1—3号测点在工频电流激励下的振动时频与频谱如图4所示。

(a)1号测点振动时域波形与振动频谱

可以发现,母线筒表面的振动从左向右依次增大,这与母线筒两端的刚度大小有关,由于罐体两端的等效刚度不同,两侧刚度略有差异。GIS罐体的固有频率f0与刚度成正比,刚度越大,固有频率越高,振动幅值的计算公式由式(1)表示。

(1)

式中:A为振动幅值,F0为激振力的幅值,m为罐体质量,f为振动频率,f0为固有频率,ζ为阻尼系数。

当刚度越大时,这可能会导致振动频率与固有频率的差值增大,使得分子部分变大,最终使得振动幅值减小。与GIS罐体右侧相接一端的刚度较小,因此振动最大的区域主要集中在与罐体右侧相接的部位,即3号点处振动加速度最大值约为0.04 m/s2,左侧1号点处振动最弱,振动最大值为0.26 m/s2。

2.2.2 工频电流与单种谐波电流叠加激励

结合目前新型电力系统中的谐波特性种类,依次施加工频与3-31次奇次谐波电流叠加激励,得到GIS母线筒外壳1号测点在不同谐波激励下的振动特性,如图5所示。可以看出,在工频电流与谐波电流叠加作用下激发出其他频率的振动。这是因为当不同频率的电流激励同时存在时,产生的磁场强度Bi由式(2)表示,母线筒所受电磁力由式(3)表示,由积化和差公式可以将式(3)表示为式(4)。发现电磁力频率不仅有激励频率的二倍频,还有不同频率之间的和频及差频。

(2)

(a)工频与3次谐波叠加

(3)

(4)

式中:μ0为真空磁导率,μr为SF6的相对磁导率,r为GIS外壳半径,Ii、Ij为不同谐波次数电流的幅值,t为时间,ωi、ωj为不同谐波次数电流的频率,F为不同谐波叠加作用下激振力的幅值。

如工频与3次谐波的和频使得200 Hz处的振动得到增强,约为0.006 15 m/s2,是工频激励下的197.39%;在工频与9次谐波和频作用下,500 Hz下的振动幅值比在工频激励下增加了0.001 3 6 m/s2;在工频与11,13次谐波叠加下,分别激发了500,600 Hz及600,700 Hz的振动;在工频分别与21次及23次叠加激励下,其在1 100 Hz处的振动增大了约0.026 m/s2,可以认为1 100 Hz的振动频率接近GIS罐体的固有频率,激发了其机械振动;除此之外,工频与其他高频谐波如31次谐波叠加作用时,也会激发出1 600 Hz的高频振动。

2.2.3 工频电流与多种谐波电流叠加激励

目前电力系统中的谐波并非单独存在,而是多种谐波同时作用,因此为模拟实际工况的同时也方便分析,将工频电流与多种谐波电流叠加激励,分析GIS的振动特性,如图6所示。

(a)工频与3,5,7,9,11次谐波叠加

可以看出,在未触发较为明显的谐振时,工频电流的2倍频即100 Hz下(振动加速度超过0.01 m/s2)的振动仍为主频振动,这是激励中主要为工频电流激励所决定的。在多种谐波共同作用下,GIS的振动频谱更加丰富,在高频处同时产生了1 100,1 300,1 400,1 600 Hz等高频振动,增大了其产生高频机械谐振的概率。

3 结 论

分析了新型电力系统并网的谐波特性,以及分析了风力发电、光伏发电、直流电网、储能系统及电气化铁路等各种典型的源-网-荷的谐波特征,建立了多频电流激励下的GIS振动试验平台,测量了GIS母线筒在不同谐波激励下的振动数据,得出以下主要结论:

1)新型源、荷并网产生的谐波基本都为奇数次,6n±1次谐波含量尤其多,谐波次数与含量一般成反比;

2)GIS外壳振动加速度的幅值在筒长方向上近似呈现出线性分布的特点,幅值从刚度大的一端向小的一端逐渐增加;

3)当存在多种谐波电流时,由于不同频率激励的叠加,其振动频率含量更为丰富,更容易产生机械谐振。