可調(diào)式升流補(bǔ)償裝置研發(fā)

楊 嫻，羅丹青，黃 玨，馮彥元，黃開來，邢 菁

(海南電網(wǎng)公司 計(jì)量中心，海南 海口 570203)

0 引言

JJG313-2010《測量用電流互感器》檢定規(guī)程和JJG1021-2007《電力互感器》檢定規(guī)程規(guī)定[1,2]：電流互感器周期檢定時(shí)必須檢定1%、5%、20%、100%和120%額定電流、額定負(fù)荷和下限負(fù)荷下誤差。電流互感器特別是大電流互感器檢定時(shí)，由于存在一次回路感抗，升流器負(fù)載呈感性、功率因數(shù)低，導(dǎo)致電源容量利用率很低[3](一般只能用到額定容量的35%左右)，因此給調(diào)壓器和升流器帶來很大的浪費(fèi)且無法升到標(biāo)準(zhǔn)互感器額定的最大電流，目前電流互感器實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)互感器試驗(yàn)一次電流只能升到2 000 A,還達(dá)不到實(shí)驗(yàn)室建標(biāo)所需最大電流5 000 A的目標(biāo)。

針對電流互感器檢定時(shí)一次電流升流困難的問題，國內(nèi)許多學(xué)者提出了相應(yīng)的解決辦法，如加大一次大電流導(dǎo)線截面積、減小回路長度和縮小回路包圍面積等措施，還有文獻(xiàn)提出通過電容補(bǔ)償?shù)霓k法[4-7]。這些辦法和措施無疑都是有效的，特別是電容補(bǔ)償法，包括：①一次回路串聯(lián)電容法；②一次回路并聯(lián)電容法；③升流器輸入端并聯(lián)電容法。方法①可同時(shí)減小調(diào)壓器和升流器容量，但電容通過電流等同一次電流，電容器體積龐大；方法②升流器輸出電壓低，電容壓降小，補(bǔ)償效果不明顯；方法③效果明顯，但只能減小調(diào)壓器容量，且補(bǔ)償電容值的選擇因一次電流值大小和回路包圍面積而異，電容值大小不好確定[8]。基于以上分析，本文提出了十進(jìn)制可調(diào)電容器組無功補(bǔ)償方法并設(shè)計(jì)了可調(diào)式升流補(bǔ)償裝置。

1 一次回路無功功率分析計(jì)算

大電流互感器檢定時(shí)，由于存在一次回路感抗，升流器負(fù)載呈感性，通過電容補(bǔ)償來平衡回路的感性負(fù)荷無疑是經(jīng)濟(jì)高效的。

電流互感器校驗(yàn)時(shí)，調(diào)壓器和升流裝置為一次回路提供大電流，一次回路消耗的功率包括三部分：①標(biāo)準(zhǔn)電流互感器一、二次功率消耗；②被試電流互感器一、二次功率消耗；③大電流導(dǎo)線電阻和感抗功率消耗。忽略①、②部分功率，電流互感器校驗(yàn)時(shí)功率消耗主要為第③部分。

根據(jù)戴維南原理，電流互感器校驗(yàn)一次回路等效電路如圖1所示。

圖1 電流互感器校驗(yàn)一次回路等效電路

圖1中，I1為調(diào)壓器和升流裝置等效電源的輸出電流，其為一次回路電流值;R為一次回路等效電阻;X為一次回路等效感抗。

一次回路等效電阻計(jì)算公式為：

(1)

其中：l為一次大電流導(dǎo)線的長度，m；J為連接導(dǎo)線的電流密度，J=5 A/mm2。

考慮極限工作條件，取l=20 m，I1=5 000 A，代入式(1)，計(jì)算得R=0.4 mΩ。

有功功率P的計(jì)算公式為：

(2)

將I1=5 000 A、R=0.4 mΩ代入式(2)，計(jì)算得P=10 kW。

視在功率S的計(jì)算公式為:

(3)

其中：Q為無功功率，kVar。

當(dāng)I1>2 000 A時(shí)，則：

(4)

其中：K2為阻抗系數(shù)，K2=(0.5～1)×10-3Ω。當(dāng)I1=5 000 A時(shí),經(jīng)計(jì)算得S=(12.5～25) kVA。

將數(shù)值代入式(3)可得Q=(7.5～22.9) kVar。

考慮到電流互感器實(shí)驗(yàn)室檢定裝置調(diào)壓器和升流器容量均為10 kW,則由上述計(jì)算結(jié)果可知：互感器一次回路視在功率已超過調(diào)壓器和升流器容量，而且無功功率占很大比重。因此，必須減小或消除無功損耗，減少無功電流，提高功率因數(shù)，以達(dá)到節(jié)能和有效利用現(xiàn)有設(shè)備的目的。

2 可調(diào)式升流補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

檢定大電流互感器時(shí)，互感器一次回路容量由調(diào)壓器和升流器提供，近似為升流器輸入容量。同樣，一次回路無功損耗也等同于升流器輸入端無功損耗，在升流器輸入端并聯(lián)電容，因升流器輸入電壓高，可有效利用電容容量平衡感性無功，且所用電容體積較小，升流器制作成本較低，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的效果。

2.1 可調(diào)式升流補(bǔ)償裝置原理

根據(jù)能量守恒定律可知，升流器輸入端感性無功近似于互感器一次回路無功損耗。由此，可調(diào)式升流補(bǔ)償裝置原理線路如圖2所示。

圖2 可調(diào)式升流補(bǔ)償裝置原理線路

圖2中，TY為調(diào)壓器，輸入端為A、X，輸出端為a、x，電源AC220 V，TA為采樣電流互感器，SL為升流器，輸入端為250 V、±，輸出端為P1、P2，I1為升流器輸出電流，等于標(biāo)準(zhǔn)電流互感器和被試品一次電流，C為十進(jìn)制可調(diào)電容器組，PPF為數(shù)字功率因數(shù)表。

2.2 十進(jìn)制可調(diào)電容器組設(shè)計(jì)

圖3 電容器組電路原理圖

圖3中，J0為電容組C0功率開關(guān)，J11、J12、J13、J14分別為C1電容組1×100 μF、2×100 μF、3×100 μF、4×100 μF相應(yīng)功率開關(guān)，J21、J22、J23、J24分別為C2電容組1×10 μF、2×10 μF、3×10 μF、4×10 μF相應(yīng)功率開關(guān)，J31、J32、J33、J34分別為C3電容組1×1 μF、2×1 μF、3×1 μF、4×1 μF相應(yīng)功率開關(guān)。

2.3 電容補(bǔ)償控制

檢定大電流互感器時(shí)，使互感器一次回路電流達(dá)到20%額定一次電流，由89C51單片機(jī)控制功率開關(guān)J，從1×100 μF開始調(diào)節(jié)電容器，使功率因數(shù)接近1，再微調(diào)C2和C3，直到功率因數(shù)cosΦ=1，接入電容器不變，繼續(xù)升電流至5 000 A。電容補(bǔ)償控制示意圖如圖4所示。

圖4 電容補(bǔ)償控制示意圖

圖4中，輸入U(xiǎn)0、I0信號即為調(diào)壓器輸出電壓、電流信號，輸出U1、I1信號即為注入可調(diào)電容器和升流器輸入端的電壓、電流信號。

由數(shù)字功率因數(shù)表PPF采集調(diào)壓器輸出電壓、電流信號，將回路功率因數(shù)傳輸至89C51控制器，由89C51控制器控制可調(diào)電容補(bǔ)償升流器感性負(fù)載，從而改變回路功率因數(shù)，循環(huán)反饋控制使功率因數(shù)接近1，直到回路抵消感性無功，輸出有功功率。

功率開關(guān)對應(yīng)檔位表如表1所示。

表1 功率開關(guān)檔位對應(yīng)關(guān)系

通過功率開關(guān)組合，實(shí)現(xiàn)電容器十進(jìn)制分檔輸出控制。表1中，“√”表示開關(guān)閉合；“×”表示開關(guān)不閉合，常開。

軟件控制流程圖如圖5所示。圖5中，i、j、m=0～9。

圖5 軟件控制流程圖

3 結(jié)束語

可調(diào)式升流補(bǔ)償裝置基于89C51單片機(jī)控制、數(shù)字功率因數(shù)表反饋，通過十進(jìn)制可調(diào)電容調(diào)節(jié)自主平衡互感器一次回路感抗，減小電流互感器一次回路無功消耗，省去了人工計(jì)算和手動(dòng)調(diào)節(jié)電容的復(fù)雜工序，解決了電流互感器一次升流困難的問題，提高了互感器試驗(yàn)效率，高效節(jié)能利用既有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了電流互感器全量程校驗(yàn)。