大容量群集电容器组不平衡电流测试技术研究

曾星宏 姜杏辉

摘   要：传统大容量群集电容器组的不平衡电流检测方案具有针对性差、工作量大、精度不足等缺点。为了解决这些问题，本文采用一次主回路测试方案，通过选择合适的谐振电抗器研制了一套大容量电容器组不平衡电流精确测量的试验仪器和方案，实现大容量群集电容器组停电检修下不平衡电流的检测，实现设备投运前或检修时电容器组容值配平的检测，能够有效提升检修的质量和效率。

关键词：电容器组  不平衡电流  一次主回路  谐振电抗器

中图分类号：TM53                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）02（b）-0092-03

大容量群集电容器普遍应用于串补装置、SVC、换流站内的交、直流滤波器等装置。环境的变化及电容器内部单元存在老化失效、损坏等问题都将导致大容量群集电容器的不平衡度增大。传统检修方法具有盲目性，工作量大且效果不理想。低电压小电流试验法精度不够，其结果无法反应电容器的实际运行工况，仅能作为参考依据[1]。检修人员更换、调平电容困难，检修时间长。对此研究了一次主回路的并联谐振式[2]、变频式[3]，或二者结合这三种方案，本文综合考虑选取的电抗类型和电抗值，实现大容量群集电容器组停电检修下不平衡电流的检测并研制了一套大容量电容器组不平衡电流精确测量的试验仪器。该仪器提供了一种准确高效的群集电容器组不平衡电流检测方案，可以在设备装运、例行检修时准确检测不平衡电流。

1  大容量群集电容器组不平衡电流测试技术原理

电容器不平衡电流检测试方案一次主回路研究。从现有电容器不平衡测试方案的一次主回路来看，采用并联谐振式、变频方式、或二者结合方式。结合选定的一次主回路实现方式，综合考虑工程适用性、现场操作方便程度、现场试验电源等因素，选择合适的电抗器类型和电抗器值[4]。励磁变压器、变频电压控制器的容量及频率范围满足测试要求。测试不平衡电流所用的高精度电流互感器的选型及高精度、便携式不平衡电流测试方法及装置的研制。

研制大容量电容器组不平衡电流精确测方法及试验仪器满足以下技术要求：

（1）大容量电容器组工作大电流产生方法：电容器不平衡电流检测试方案一次主回路研究。根据目前电容器不平衡测试方案，一次主回路采用并联谐振式、变频方式，或二者结合方式。

（2）大容量群集电容器组不平衡电流测试成套装置（含软件）（含补偿电抗器、变频调压器、励磁变压器及相关附件）。

（3）多支路的电流检测装置。

利用并联谐振的原理[5]，测量电容器组不平衡电流时，在电容器组回路中并入电抗器，对电容器容抗进行补偿，使电容器组的电流水平达到100A以上的水平，原理图如图1所示。

不同电容器组参数下匹配的电抗器参数不同，需要根据并联谐振计算原理计算电抗器参数使电路满足串联谐振条件需要。

在交流电源（AC：500V，40A），仅利用并联谐振，在正常500V试验电压下，流过电容组的电流可达100A左右，符合要求，但对电源容量要求不大于40A。

电路的关键是配置轻便的补偿电抗器、变频调压器、励磁变压器，使之能适应不同容量的电容器检测要求。

结合选定的一次主回路实现方式，综合考虑工程适用性、现场操作方便程度、现场试验电源等因素，选择合适的电抗器类型和电抗器值。至少满足电容器A：192.3?F（等效容抗16Ω），电容器B：109?F（等效容抗29Ω）范围的补偿。

励磁变压器的应采用单相、干式设计。容量不宜大于20kVA。带仪表测量线圈。应有较大的工作频率范围（200～380Hz）。

变频电压控制器应采用三相输入（减小电源电缆要求）單相输出的方式[6]，输出电压：0～500V，单相，电压分辨率、频率调节分辨率符合至少满足电容器A：192.3?F（等效容抗16Ω），电容器B：109?F（等效容抗29Ω）范围的测试要求。

2  大容量群集电容器组不平衡电流测试技术实现路线

串补装置所在变电站内常用试验电源为AC220/380V检修电源，根据表1的数据，常用试验电源下，电容器组的电流约在10～20A左右。根据电容器的过电压水平要求，不平衡电流应控制在μA以内，该值对测量设备精度要求非常高，串联电容器组实际安装电流互感器无法满足这一要求。同时，高压电容器组在通过电流较小时，无法真实反映电容器的工作特性[7]。因此，在测量电容器不平衡电流时，需要在电容器组上施加一定幅值的电流。

为满足串补装置现场试验条件，精确测量电容器组的不平衡电流，本研究从试验回路和测量精度两方面进行研究。利用变频和并联谐振方式增大电容器通过的电流，所采用的原理如图1所示。

仿真计算表时，仅利用并联谐振，在正常220V试验电压下，流过电容组的电流只有14A左右，远低于电容器组的正常运行电流。无法利用这一电流进行电容器组的不平衡测试。

但是，我们看到现场试验电源所提供的工作电流非常小，远小于串谐式试验电流。利用试验变压器变升压至500V，流过电容组的电流达300A左右，基本可满足试验要求。但随电试验电压的升高，试验变压器的成本及现场的作业强度也将成倍增高，需要进行考虑。为进一步减小电容器不平衡试验装置的体积，考虑采用高频器作为试验电源，提高流过电容器组的电流，同时减小谐振电抗器的体积和成本。采用高频电源时，流过电容器组的电流能够达到200A以上。当电流保持不变时，提高电源频率，可以减小电抗器的体积。

3  大容量群集电容器组不平衡电流测试技术及仪器工具

为了确保变频电源的操作安全可靠，其开关、急停按钮、高压通按钮、高压断按钮采用硬件按钮。在正常操作时可以确保可靠开通与停止，遇到紧急情况时可以确保可靠急停。电压和频率的调节在操作屏上进行，同时操作屏上会有相关测量参数的实时显示。

如图2所示，触控屏操作界面可以实现对电压的粗调、细调、微调。粗调的分辨率为5V，细调的分辨率为1V，微调的分辨率为0.2V。也可以实现对频率的粗调、细调、微调。粗调的分辨率为5Hz，细调的分辨率为1Hz，微调的分辨率为0.1Hz。另外触控屏可以对系统状态和各个系统数据实现实时监控。

励磁变压器的主要作用是对变频电源输出的PWM波进行升压并起到隔离保护和进一步滤波的作用[8]。可以将变频源输出的0～380V电压升压到0～500V。

励磁变压器主要参数如下额定容量：20kVA;输入电压：0～380V单相;输出电压：500V;工作频率：200～400Hz;结构：干式。

远程笔记本电脑控制设计已经基本完成，主要实现如下功能。

（1）实现笔记本远程全控制。在打开变频源时只需要在开机时选择远程控制，设备控制权就被笔记本取得。取得控制权后笔记本可以实现远程合闸（高压通）、分闸（高压断）、调压、调频、数据汇总显示、电容值计算等多种功能。

（2）远程无线急停。为了确保在远程控制时的安全，防止因通讯故障、电脑死机等突发性事件引起的系统失控，本系统配备远程免充电无线急停按钮，当发生上述故障时只需按下无线急停按钮即可停止系统，阻止事故发生或扩大。其最大有效范围为100m。

4  结语

本文采用一次主回路法实现了不平衡电流检测方法，研究了大容量群集电容器组不平衡电流测试技术，解决传统方式耗时长，准确度差等缺点，并且成功开发出整套装置，经过实际验证能够高效地检测出大容量电容器组不平衡电流。在后续工作中将会继续完善远程操作模块，增强检测的实时性。

参考文献

[1] 肖遥，张晋寅，杨晓峰，等.高压滤波电容器不平衡保护的试验研究[J].智能电网，2016，4（3）：301-306.

[2] 王旭红，胡劼睿，樊绍胜，等.采用双磁路的电流互感器在线取电方法[J].电力系统自动化，2010，18（2）.

[3] 刘秀雄，黎玉庭，段玉杰.并联补偿谐振技术在交流耐压中的应用[J].集成电路应用，2019，36（9）：28-29.

[4] 吴良科，刘浩，岳长喜，等.大电流互感器现场检定试验中的无功补偿[J].高电压技术，2010，36（6）：1560-1565.

[5] 马菁勖，钟贻，陈星.四线圈并联谐振磁耦合无线传能系统设计[J].太赫兹科学与电子信息学报，2019，17（3）：452-456.

[6] 高峰，林辉.三相四线制變频电网的谐波及无功电流检测[J].电机与控制学报，2014，18（10）：14-20.

[7] 梅念，李银红，陈东，等.HVDC工程交/直流滤波器高压电容器不平衡保护的判据研究[J].电网技术，2011，35（12）：229-234.

[8] 黄景光，赵娇娇，林湘宁，等.基于SPWM的变压器励磁涌流抑制技术研究[J].高压电器，2019，55（10）：210-215.