GB/T 15576-2008涌流試驗影響因素分析及對策研究

信天，李洪亮，竇慧，王鑫，張超

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，濟南 250102）

引言

涌流試驗是GB/T 15576-2008《低壓成套無功功率補償裝置》[1]標(biāo)準(zhǔn)中主要的型式試驗之一，作為長期從事低壓成套無功功率補償裝置產(chǎn)品檢測認(rèn)證工作的第三方檢測實驗室，在標(biāo)準(zhǔn)的實際使用過程中，檢驗人員發(fā)現(xiàn)依據(jù)GB/T 15576-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涌流試驗時，試驗線路的短路容量、投切角度、電容殘壓等都會對涌流大小產(chǎn)生影響。諸如：試驗線路容量直觀反映了線路阻抗的大小，試驗線路容量越小線路阻抗就越大，從而會引起較大的分壓效果，使得電容器兩端電壓變小，繼而降低了涌流值。在極端情況下，當(dāng)短路容量很小時，如果線路串聯(lián)有電抗器，電容器兩端還可能由于過電壓甚至無法正常工作；電容器的投切角度不同涌流也會有差異，投切開關(guān)兩端電壓較大時，一般投入涌流也較大。涌流還與補償裝置投入時電容器的殘壓值有關(guān)，當(dāng)電容器的殘壓在電壓負(fù)峰值時刻投入電容器，會產(chǎn)生很大的涌流。這些因素在不同情況下對涌流試驗的影響大小不一，若不能確定相關(guān)檢驗要求和具體參數(shù)，涌流試驗將沒有復(fù)現(xiàn)性，檢驗機構(gòu)之間的檢測數(shù)據(jù)也將無法進(jìn)行比較。因此，通過研究試驗線路的短路容量、投切角度、電容殘壓等對涌流值的影響，進(jìn)而規(guī)范統(tǒng)一各第三方檢測機構(gòu)涌流試驗的檢驗要求和檢測方法，實現(xiàn)相同的低壓成套無功功率補償裝置類產(chǎn)品在開展檢測認(rèn)證工作時，不同檢驗機構(gòu)的檢測數(shù)據(jù)具有真正的可比性，從而有效評價行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，達(dá)到促進(jìn)全行業(yè)質(zhì)量提升的目的。

1 涌流試驗國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析

目前在國際上，暫時還沒有與國內(nèi)GB/T 15576-2008《低壓成套無功功率補償裝置》標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)的IEC或ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，比較相近的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE Std 1031TM-2011（Revision of IEEE Std 1031-2000）IEEE Guide for the Functional Specification of Transmission Static Var Compensators[2]，而標(biāo)準(zhǔn)中未提及涌流試驗。在國內(nèi)，則主要是研究該標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61439-1[3]和IEC 60439-1[4]的對比差異[5-7]，集中在材料與部件的強度、工頻耐受電壓、溫升等的研究，且均未提及涌流試驗中試驗線路短路容量、投切角度、電容殘壓等會對涌流大小產(chǎn)生影響。

1.1 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中涌流試驗規(guī)定的檢驗要求、檢測方法

GB/T 15576-2008標(biāo)準(zhǔn)中7.13規(guī)定：涌流試驗應(yīng)檢測投入最后一組電容器時電路中的涌流值。試驗時，先將其余電容器全部通以額定電壓，待它們工作穩(wěn)定后再投入最后一組電容器，檢測該最后一組電容器的涌流值。隨機投入試驗應(yīng)不少于20次（或在峰值時投入，試驗3次），如果最大涌流值不大于標(biāo)準(zhǔn)中6.10.4規(guī)定值，則此項試驗通過。

JB/T 10695-2007《低壓無功功率動態(tài)補償裝置》[8]標(biāo)準(zhǔn)中7.7規(guī)定：涌流試驗只驗證投入最后一組電容器時電路中的涌流值，即先將其余電容器全部接上額定電壓，待它們工作穩(wěn)定后再投入最后一組電容器，將分流器串接在最后一組電容器的電路中，通過示波器觀察涌流值，如果裝置中電容器投入瞬間所產(chǎn)生的涌流不大于該組電容器額定電流峰值的三倍，則本項試驗通過。

GB/T 22582-2008（IEC61291:2003，MOD）《電力電容器 低壓功率因數(shù)補償裝置》[9]標(biāo)準(zhǔn)中8.2.14規(guī)定：涌流試驗只驗證投入最后一組電容器組時電路中的涌流值，即先將其余電容器全部投入，待它們工作穩(wěn)定后再投入最后一組。投入時應(yīng)能控制使涌流值最大，試驗3次；不能控制時，則隨機試驗30次。相鄰兩次試驗時間間隔應(yīng)大于切除-投入最小時間間隔。通過記錄示波器測量各次試驗中最后一組電容器組電路中的涌流值。裝置內(nèi)電容器組容量不相同時，最小容量的電容器最作為最后一組電容器組進(jìn)行試驗。

綜上可見，各國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中均沒有明確指定涌流試驗的具體檢驗要求[10-13]，為長期從事低壓成套無功功率補償裝置產(chǎn)品檢測認(rèn)證工作的第三方檢測實驗室，我們在實際的大量檢驗過程中發(fā)現(xiàn)，涌流試驗中試驗線路的短路容量、投切角度、電容殘壓等都會對涌流大小產(chǎn)生影響。而且，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的峰值投入實際就是投切角度的選擇問題。

1.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電容殘壓的要求

現(xiàn)行各標(biāo)準(zhǔn)中對電容器斷電后，以及通電過程中，都有剩余電壓的要求：

GB/T 15576-2008標(biāo)準(zhǔn)中6.9.8規(guī)定“裝置的放電設(shè)施應(yīng)保證電容器斷電后，從額定電壓峰值放電至50 V的時間不大于3 min”。標(biāo)準(zhǔn)中6.10.2規(guī)定“采用機電開關(guān)投入電容器時，應(yīng)保證每一組電容器在自動投入過程中，其端子間的電壓不高于電容器額定電壓的10 %（例如：當(dāng)電容器再次投入時有一定的延時時間）”。

JB/T 10695-2007標(biāo)準(zhǔn)中6.11.8規(guī)定“裝置應(yīng)有放電設(shè)施，放電設(shè)施應(yīng)保證電容器斷電后，從額定電壓峰值放電至50 V，歷時不大于1 min”。標(biāo)準(zhǔn)中6.12.2規(guī)定“在自動投切時，每一組電容器投入或切除，在設(shè)計上應(yīng)保證有一定的時間延時，以保證電容器再次投切時，其端子間的電壓不高于電容器額定電壓的10 %”。

GB/T 22582-2008（IEC 61291:2003，MOD）標(biāo)準(zhǔn)中5.3.4規(guī)定“任一電容器組再次投入時，其線路端子上的剩余電壓不超過電容器的額定電壓的10 %”。標(biāo)準(zhǔn)中8.2.14規(guī)定“相鄰兩次試驗時間間隔應(yīng)大于切除-投入最小時間間隔”，“裝置內(nèi)電容器組容量不相同時，最小容量的電容器組作為最后一組電容器組進(jìn)行試驗”。

同樣，標(biāo)準(zhǔn)中電容殘壓的規(guī)定，也可以看做是電容殘壓對涌流值的影響問題。

2 短路容量、投切角度、電容殘壓對涌流值的影響

文獻(xiàn)[5]中的表1合閘涌流的計算公式表提供了國內(nèi)外主流涌流計算方法。但是，其各方提供的計算方法相互之間差異很大，尤其是在多組電容器回路結(jié)構(gòu)情況下。而在實際使用中，多組電容器情況下，合閘涌流的計算公式表[5]中提到的完全由容量相等的電容器組成的補償裝置是難以尋找的，基本都是存在不同規(guī)格的電容器組，以及三相補償、單項補償，甚至相間補償?shù)榷喾N補償形式并存[14-18]。并且，包括文獻(xiàn)[5]在內(nèi)的涌流計算公式的推導(dǎo)[5,6]，為了簡化分析，一般都是基于線路中電阻較小的前提，從而忽略電阻的影響。而實際試驗時，尤其是試驗電源端，其電阻仍然較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到可以忽略的情形[19，20]。由此，通過理論推導(dǎo)出一個確定的、精確的計算公式已變得不切實際，這甚至是一個無法解決的難題[21-23]。基于此，本文使用PSIM仿真軟件搭建了一個涌流試驗仿真系統(tǒng)，同時購買元器件組裝了一臺確定電阻、電感、電容的低壓無功補償裝置樣機，采用仿真+實際試驗驗證的模式，通過定量的方法，詳細(xì)分析試驗線路容量、投切角度、電容殘壓對涌流值的影響。

典型的涌流試驗數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

其中：Us為試驗系統(tǒng)電源；Rs為試驗系統(tǒng)電源電阻，Ls為試驗系統(tǒng)電源電感；R0為試驗系統(tǒng)與補償裝置連接線電阻，L0為試驗系統(tǒng)與補償裝置連接線電感；R1為補償裝置分支1電阻；L1為補償裝置分支1電感；C1為補償裝置分支1電容；R2為補償裝置分支2電阻；L2為補償裝置分支2電感；C2為補償裝置分支2電容；TRIAC1為選相合閘開關(guān)。

圖1 涌流試驗等效原理圖

試驗時，分支1電容投入運行，待工作穩(wěn)定后，開關(guān)合閘，然后投入分支2電容，通過電流測量裝置測量分支2電流的最大峰值，即為分支2的涌流值。其中分支1也可以等效認(rèn)為是若干個分支的并聯(lián)等效電路。

2.1 短路容量對涌流值的影響

參照圖1涌流試驗等效原理圖，組裝一臺補償裝置樣機，經(jīng)實際測量樣機參數(shù)，R0、L0、R1、L1、C1、R2、L2、C2的值見圖1中所示。

PSIM下的仿真分析：

以補償裝置樣機為參考，根據(jù)圖1涌流試驗等效原理，在PSIM里搭建涌流試驗仿真環(huán)境。在固定投切角度、電容殘壓為零的前提下，僅考慮試驗系統(tǒng)線路容量（短路電流大小），即試驗系統(tǒng)短路阻抗、對涌流值的影響。設(shè)試驗系統(tǒng)電源有效值為230 V。通過改變、大小，仿真1～30 kA短路電流下的涌流值如表1所示。

從表1的仿真數(shù)據(jù)可以明顯看出，試驗系統(tǒng)短路容量對涌流值存在較大影響，當(dāng)短路容量越大，涌流值越大。

低壓無功功率補償裝置樣機的實際試驗分析：

將前述搭建的補償裝置樣機通電，僅考慮試驗系統(tǒng)容量，即試驗系統(tǒng)短路阻抗、對涌流值的影響。通過改變、大小來實際改變試驗系統(tǒng)短路電流為1 kA、5 kA、10 kA、15 kA、20 kA、25 kA、30 kA的情況下，固定投切角度、電容殘壓為零時的涌流值如表2所示。

從表2的試驗數(shù)據(jù)也可明顯看出，試驗系統(tǒng)短路容量對涌流值有較大影響，且其涌流值與短路電流對應(yīng)規(guī)律和仿真結(jié)果具有明顯的一致性。

2.2 投切角度對涌流值的影響

PSIM下的仿真分析：

同2.1節(jié)，在PSIM涌流試驗仿真環(huán)境下，在固定試驗系統(tǒng)短路容量、電容殘壓為零的情況下，通過改變TRIAC1的投切角度來驗證投切角度對涌流值的影響。在典型的試驗系統(tǒng)短路電流15 kA下、電容殘壓固定為零的PSIM仿真涌流值，如表3所示。

從表3的仿真數(shù)據(jù)可以明顯看到，投切角度的不同對涌流值有較大影響。投切角度在90 °附近時達(dá)到涌流最大值，而且與90 °時涌流值差異率僅為0.22 %。

低壓無功功率補償裝置樣機的實際試驗分析：

同2.1節(jié)，將前述搭建的補償裝置樣機通電，在典型的試驗系統(tǒng)短路電流15 kA下、電容殘壓為零時，測試80 °～100 °不同投切角度下的涌流值，如表4所示。

表1 1~30 kA短路電流下，固定投切角度、電容殘壓為零時的PSIM仿真涌流值

表2 1~30 kA短路電流下，固定投切角度90 °、電容殘壓為零下的實際試驗涌流值

表3 典型短路電流15 kA下，電容殘壓為零、不同投切角度下的PSIM仿真涌流值

表4 80~100 °不同投切角度下的實際試驗涌流值

觀察表4的試驗數(shù)據(jù)，可以明顯看出，投切角度的不同對涌流值也存在較大影響，且其涌流值與投切角度的對應(yīng)規(guī)律和仿真結(jié)果也具有明顯的一致性。

2.3 電容殘壓對涌流值的影響

PSIM下的仿真分析：

同2.1節(jié)，在PSIM涌流試驗仿真環(huán)境下，在固定試驗系統(tǒng)短路電流15 kA、投切角度為90 °的情況下，通過改變最后一組要投入運行的電容器的殘壓值，驗證電容殘壓值對涌流值的影響。其不同殘壓值下的PSIM仿真涌流值，如表5所示。

從表5的仿真數(shù)據(jù)，可以明顯看到，電容殘壓值的不同對涌流值有直接影響，其反向殘壓值越高，涌流值越大。

低壓無功功率補償裝置樣機的實際試驗分析：

同2.1節(jié)，將前述搭建的補償裝置樣機通電，在典型的試驗系統(tǒng)短路電流15 kA下、投切角度90 °時，最后一組電容器不同殘壓值下的涌流值，如表6所示。

從表6的試驗數(shù)據(jù)，也可以明顯看到，最后一組電容器殘壓值的不同對涌流值有直接影響。且其涌流值與殘壓值的對應(yīng)規(guī)律和仿真結(jié)果也具有明顯的一致性。

2.4 結(jié)論

綜上分析，無論是仿真模式下，還是實際試驗驗證中，當(dāng)試驗系統(tǒng)短路容量明顯較小時，將嚴(yán)重影響涌流值的大小，甚至有可能導(dǎo)致補償裝置不能正常工作。但是在其產(chǎn)品申請認(rèn)證的短路耐受強度附近，其影響非常小。一般情況下，低壓無功功率補償裝置產(chǎn)品的短路耐受強度認(rèn)證申請常見為15 kA。因此，建議以低壓無功功率補償裝置產(chǎn)品的短路耐受強度認(rèn)證申請值作為額定試驗系統(tǒng)短路容量，以此統(tǒng)一涌流試驗時試驗系統(tǒng)的短路容量要求。

表5 最后一組投入電容不同殘壓下的PSIM仿真涌流值

同樣情況下，投切角度的不同對涌流值也存在較大影響。通常，理論上一般認(rèn)為投切角度為90 °時最大，經(jīng)過仿真和實際試驗，也基本驗證了這一理論。仿真和實際試驗數(shù)據(jù)顯示，最大涌流值出現(xiàn)在略小于90 °附近，這與電流相位角滯后電壓有關(guān)。考慮試驗的可操作性，建議以85～90 °作為峰值投入的投切角度區(qū)間，考慮到數(shù)據(jù)溯源性要求，在試驗結(jié)果中應(yīng)記錄實際的投切角度。

同樣情況下，最后一組投入的電容器殘壓值大小的不同對涌流值也有非常大的影響。根據(jù)大部分現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的電容殘壓要求，最后一組電容器在投入前，應(yīng)保證待投入電容器的殘余電壓盡可能小，或者兩次投入時間間隔應(yīng)至少保證3 min以上。考慮到數(shù)據(jù)溯源性要求，在試驗結(jié)果中應(yīng)體現(xiàn)實際涌流投入時的最后一組電容器的電壓值。

表6 最后一組投入電容不同殘壓下的實際試驗涌流值

3 總結(jié)

本文從國內(nèi)外相關(guān)低壓補償裝置的標(biāo)準(zhǔn)入手，分析比對不同標(biāo)準(zhǔn)中涌流試驗的具體檢驗要求和檢測方法，結(jié)合檢驗人員實際涌流試驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題，研究試驗線路的短路容量、投切角度、電容殘壓等對涌流大小產(chǎn)生的影響。通過仿真驗證和實際低壓無功補償裝置樣機試驗比對的方式，驗證了仿真和實際試驗的一致性，同時從短路容量、投切角度、電容殘壓三方面定量分析，并給出了涌流試驗時的具體建議。本文的研究結(jié)果有助于低壓補償裝置類產(chǎn)品涌流試驗檢驗要求和檢測方法的規(guī)范統(tǒng)一，可用來有效評價行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣，同時有利于不同檢驗機構(gòu)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)比對和試驗參數(shù)的溯源，對于低壓補償裝置類產(chǎn)品的檢驗機構(gòu)進(jìn)行產(chǎn)品檢測和用戶選型均具有較高的參考價值。