电抗器作用:电抗器杂散电容测试方法研究

      摘 要：干式空心平波电抗器端对端、端对地杂散电容的测量数据对于直流输电线路保护段的设计起到重要的指导意义。根据现场试验测量数据分析，得到回路中RC等效电路，针对继电器的动作过程，提出减少杂散值和提高中间继电器动作可靠性的防范措施。笔者根据多年生产实际及现场测试经验，对于干式空心平波电抗器杂散电容的测试方法进行了反复摸索，并通过现场试验数据以及仿真计算校验了国家标准推荐用方法的实际测试数据的准确性，并摸索出新的杂散电容测量方法——导纳电桥测试法，实现了干式平波电抗器杂散电容的准确测量，保证了测量数据的有效、可靠。

　　关键词：电抗器；杂散电容；电桥测量；电平比较法；直接测量法
　　
      引 言
　　随着中国经济的高速发展，一次能源和电力负荷分布不均衡的问题更加突出，发展特高压电网，特高压大容量、远距离输电的安全性经济性，是提高能源利用率、保障能源安全的必然选择。按照国家电网“十一五”规划和国家电网公司的总体部署，2015年前将相继建成向家坝——上海奉贤、裕隆——同里、溪洛渡右——浙江武义等多条直流输电工程。同时，南方电网溪洛渡、糯扎渡等直流输电工程也在相继进行中。
　　　
　　干式空心平波电抗器作为特高压、超高压直流输电换流站中三大关键设备之一，其作用不容小觑。其产品质量和可靠性对系统的安全、稳定、可靠运行提出了严格要求，同时干式平波电抗器的各类电气参数、机械参数就成为衡量设备安全与否的重要依据，其中，平波电抗器杂散电容的有效测量为系统计算提供了不可或缺的设计参数，因此成为设备制造企业和网联公司都密切关注的重要参数。
　　　
　　与此同时，无论是国外还是国内，杂散电容的测试手段都没有成熟的经验，国际相关平波电抗器标准从未涉及杂散电容测试，而国内相关平波电抗器标准推荐的测试方法也是根据我国现有的几条特高压、超高压直流输电工程总结下的经验得到的，且经验较少。本文，结合国家标准中的推荐测试方法以及笔者实际现场测量摸索出的方法进行对比分析，为今后平波电抗器杂散电容测试提供参考。
　　
      1、基本情况
　　目前，电抗器行业内常用的杂散电容的测试方法主要有直接测量法、电平比较法、导纳电桥测试法。其中直接测量法和电平比较法为平波电抗器国标推荐使用方法。导纳电桥测试法为笔者根据多年实际测量经验，通过与国标推荐方法实测数据相比较得出的第三种方法。下文将对上述三种方法做详细分析比较。
　　
      1.1直接测量法
　　原理：据笔者了解平波电抗器生产厂商利用高频阻抗直接测量法进行测量杂散电容时，通常使用的测试仪器为7600RLC参数精密测量分析仪。该仪器能测量及分析被试品的R、L、C、D、Q、Gp、Bp、Xs、Y等14种参数并同时显示14种参数的任意两种组合。设备标注的工作频率范围10Hz-2MHz。7600自动平衡电桥的阻抗测量是基于矢量电压、电流比的测量。被试品（out）的阻抗是由测量被试品上施加的信号电压和流过的电流间的矢量比而定，然后由电压和电流之比计算测试端阻抗。这种方法可用于多端测量结构，在电路中消除残余阻抗的影响。同时测量电路比较简单、量程宽。根据该仪器的特点，能够直接在仪表盘上读出被试品的杂散电容值。
　　
      优点：测试仪器单一，工作效益高，可以实现扫频测量。
　　缺点：仪表测试信号电压最高为1V，测试引线长时，会引起误差（因仪表制造厂规定不得超过2m），由于测试方式为宽频，频率大于600kHz时测试误差为±5%，高频时测试误差由于仪表的信号电压低易受干扰，测试误差很难估计。而国标要求的测试频率范围为30kHz—1000kHz。
　　
      1.2电平比较法
　　原理：在实际现场测量时，由于空间电磁干扰过强，无法使用高频阻抗测试仪或其他弱小电流的网络分析仪直接测量，采用高频振荡器向试品逐一施加指定频率的高频电流，用窄带选频电平表测量试品的电压电平以及与试品串联的标准电阻的电压电平，通过公式得出该频率下试品的阻抗值，根据谐振点为阻抗最大点得出自谐振频率，然后根据LC谐振方程和试品实测电感值得到自谐振频率下得杂散电容值。测试回路图如下：
　　
      优点：该方法试验设备、操作方法简单，易于实现。
　　缺点：该测试方法在为保证测试数据有效性，回路中的R选用无感电阻，当电抗器的测试频率不同时，应改换不同的电阻值，因电抗器的电抗值随着测试频率的升高为几十千欧，由于电平表的电平开关档在比较P1与P2的电平差为相差很大，会带来很大误差。除此，为避免试品受空间电磁场的干扰，测试仪表中的选频表的输入带宽应小于100Hz，此时测量仪表的接地要良好，必要时要检查接地网的接地电阻值。电压电流法，由于取样电阻的阻值很难配合好，只能测出阻抗分量，其测试误差为±10%，而平波电抗器在工作频带内的输入阻抗波动很大，故测试误差较大。
　　
      1.3导纳电桥法
　　原理：关于导纳电桥法测杂散电容据笔者了解业内大都采用CD6型导纳电桥。CD6型导纳电桥用于测量频率300Hz-1.5MHz范围内的元件和网络，平衡或不平衡的导纳值及其频率特性。仪器以电导值和电容值直接读数，根据选择开关的位置，可直接知道被测品的电纳性质是容性还是感性，经计算后，可得其导纳值、阻抗值或相角。该电桥在测量时配备电平振荡器和选频电平表组合使用。测试回路为，由振荡器供电提供电压信号，由选频表进行频率限定，然后将被试品高、低压两端分别接在CD6导纳电桥的输入、输出接口处进行测量，直接在电桥表盘上进行电容值的读数。CD6导纳电桥的测试误差为±5%。
　　
      优点：测试结果可以扣除测试引线误差，由于电平表可采用选频测量，测试结果不受外界干扰，可以测试平波电抗器的杂散电容与高频阻抗参数。
　　缺点：测试为手动，需要定频测量，无法实现扫频，适用于单点或离散频率下的杂散电容测量。
　　
      2、实例测试数据分析
　　杂散电容实际测试过程中，测试引线的误差应该考虑，一般情况下要求测试引线尽可能短，同时采用单芯带屏蔽的电缆测试线，同时单独测量引线电容，在测试数据中手工扣除引线电容。下面是在进行平波电抗器杂散电容测量时分别利用上述三种方法得出的测试数据。同时，考虑到平波电抗器的特殊性，在测试引线作时，我们采用SYV-75-9型高频电缆，固定在环氧杆上，测试线长度取被试品所需测试的最短长度，在其测试线总长度二分之一处接入测试仪表，高频电缆的屏蔽层应接地，此时测试线的上端子直接与平波电抗器的上端子、测试线的下端子直接与平波电抗器的下端子连接。这种连接方法由于连接方法固定，可以使测试数据重复性高。下面笔者以南网溪洛渡±500kV直流输电工程用干式平波电抗器（型号：PKK-500-3200-100）杂散电容的测试为例，分析三种测试方法在现场实际测量所得数据的对比、分析。
　　
      2.1端对地杂散电容
　　2.1.1现场实际测试数据
　　注：杂散电容值不随频率变化而变化，上述三种试验方法所得试验数据均规定2kHz为试验频率。
　　
      2.1.2仿真数据
　　为了分析比较上述三种测试方法得到的实测数据，笔者根据实际被试品（绝缘支架）进行软件仿真建模，得到仿真下的杂散电容数据为630pF。下图3为仿真建模图形。
　　
      2.2端对端杂散电容
　　2.2.1现场实际测试数据
　　被试品：溪洛渡工程用平波电抗器线圈本体
　　
      2.2.2软件仿真数据
　　同样是为了分析比较上述三种测试方法得到的实测数据，笔者根据实际被试品（平抗线圈本体）进行软件仿真建模，得到仿真的杂散电容数据为480pF。下图4为仿真建模图形。
　　
      3、结论
　　平波电抗器杂散电容的测量时一项技术难题，通过溪洛渡换流站用平波电抗器实际测试中应用上述三种测试方法得到的试验数据和有限元软件建模分析得到的仿真结果进行对比，得出以下结论：
　　1）7600RLC分析仪直接测量法由于测量的是整个测试回路的系统电容，而非试品本身杂散电容，且受外界干扰影响较大，测试数据与仿真数据相差较大； 　　
      2）电平比较法和导纳电桥法在扣除引线电容影响后得到的数据与仿真结果能较好的吻合。
　　
　　因此在实际测量过程中，笔者建议使用电平比较法和导纳电桥法进行测试，并同时考虑测试引线带来了系统误差，推荐使用带屏蔽层的测试引线，然后在测试完成后扣除引线电容，从而得到真实、可靠的电抗器杂散电容。