信天，李洪亮，竇慧，王鑫，張超

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，濟(jì)南 250102）

引言

涌流試驗(yàn)是GB/T 15576-2008《低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置》[1]標(biāo)準(zhǔn)中主要的型式試驗(yàn)之一，作為長期從事低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置產(chǎn)品檢測認(rèn)證工作的第三方檢測實(shí)驗(yàn)室，在標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際使用過程中，檢驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)依據(jù)GB/T 15576-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涌流試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)線路的短路容量、投切角度、電容殘壓等都會(huì)對(duì)涌流大小產(chǎn)生影響。諸如：試驗(yàn)線路容量直觀反映了線路阻抗的大小，試驗(yàn)線路容量越小線路阻抗就越大，從而會(huì)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(shí)，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(huì)有差異，投切開關(guān)兩端電壓較大時(shí)，一般投入涌流也較大。涌流還與補(bǔ)償裝置投入時(shí)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(shí)刻投入電容器，會(huì)產(chǎn)生很大的涌流。這些因素在不同情況下對(duì)涌流試驗(yàn)的影響大小不一，若不能確定相關(guān)檢驗(yàn)要求和具體參數(shù)，涌流試驗(yàn)將沒有復(fù)現(xiàn)性，檢驗(yàn)機(jī)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(yàn)線路的短路容量、投切角度、電容殘壓等對(duì)涌流值的影響，進(jìn)而規(guī)范統(tǒng)一各第三方檢測機(jī)構(gòu)涌流試驗(yàn)的檢驗(yàn)要求和檢測方法，實(shí)現(xiàn)相同的低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置類產(chǎn)品在開展檢測認(rèn)證工作時(shí)，不同檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢測數(shù)據(jù)具有真正的可比性，從而有效評(píng)價(jià)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(yàn)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析

目前在國際上，暫時(shí)還沒有與國內(nèi)GB/T 15576-2008《低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置》標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)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(yàn)。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(duì)比差異[5-7]，集中在材料與部件的強(qiáng)度、工頻耐受電壓、溫升等的研究，且均未提及涌流試驗(yàn)中試驗(yàn)線路短路容量、投切角度、電容殘壓等會(huì)對(duì)涌流大小產(chǎn)生影響。

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

GB/T 15576-2008標(biāo)準(zhǔn)中7.13規(guī)定：涌流試驗(yàn)應(yīng)檢測投入最后一組電容器時(shí)電路中的涌流值。試驗(yàn)時(shí)，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(jī)投入試驗(yàn)應(yīng)不少于20次（或在峰值時(shí)投入，試驗(yàn)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(xiàng)試驗(yàn)通過。

JB/T 10695-2007《低壓無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置》[8]標(biāo)準(zhǔn)中7.7規(guī)定：涌流試驗(yàn)只驗(yàn)證投入最后一組電容器時(shí)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(xiàng)試驗(yàn)通過。

GB/T 22582-2008（IEC61291:2003，MOD）《電力電容器 低壓功率因數(shù)補(bǔ)償裝置》[9]標(biāo)準(zhǔn)中8.2.14規(guī)定：涌流試驗(yàn)只驗(yàn)證投入最后一組電容器組時(shí)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(shí)應(yīng)能控制使涌流值最大，試驗(yàn)3次；不能控制時(shí)，則隨機(jī)試驗(yàn)30次。相鄰兩次試驗(yàn)時(shí)間間隔應(yīng)大于切除-投入最小時(shí)間間隔。通過記錄示波器測量各次試驗(yàn)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(shí)，最小容量的電容器最作為最后一組電容器組進(jìn)行試驗(yàn)。

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(yàn)的具體檢驗(yàn)要求[10-13]，為長期從事低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置產(chǎn)品檢測認(rèn)證工作的第三方檢測實(shí)驗(yàn)室，我們?cè)趯?shí)際的大量檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，涌流試驗(yàn)中試驗(yàn)線路的短路容量、投切角度、電容殘壓等都會(huì)對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)間不大于3 min”。標(biāo)準(zhǔn)中6.10.2規(guī)定“采用機(jī)電開關(guān)投入電容器時(shí)，應(yīng)保證每一組電容器在自動(dòng)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(shí)有一定的延時(shí)時(shí)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(shí)不大于1 min”。標(biāo)準(zhǔn)中6.12.2規(guī)定“在自動(dòng)投切時(shí)，每一組電容器投入或切除，在設(shè)計(jì)上應(yīng)保證有一定的時(shí)間延時(shí)，以保證電容器再次投切時(shí)，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(shí)，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(yàn)時(shí)間間隔應(yīng)大于切除-投入最小時(shí)間間隔”，“裝置內(nèi)電容器組容量不相同時(shí)，最小容量的電容器組作為最后一組電容器組進(jìn)行試驗(yàn)”。

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(duì)涌流值的影響問題。

2 短路容量、投切角度、電容殘壓對(duì)涌流值的影響

文獻(xiàn)[5]中的表1合閘涌流的計(jì)算公式表提供了國內(nèi)外主流涌流計(jì)算方法。但是，其各方提供的計(jì)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(shí)際使用中，多組電容器情況下，合閘涌流的計(jì)算公式表[5]中提到的完全由容量相等的電容器組成的補(bǔ)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(bǔ)償、單項(xiàng)補(bǔ)償，甚至相間補(bǔ)償?shù)榷喾N補(bǔ)償形式并存[14-18]。并且，包括文獻(xiàn)[5]在內(nèi)的涌流計(jì)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(shí)際試驗(yàn)時(shí)，尤其是試驗(yàn)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(gè)確定的、精確的計(jì)算公式已變得不切實(shí)際，這甚至是一個(gè)無法解決的難題[21-23]?；诖?，本文使用PSIM仿真軟件搭建了一個(gè)涌流試驗(yàn)仿真系統(tǒng)，同時(shí)購買元器件組裝了一臺(tái)確定電阻、電感、電容的低壓無功補(bǔ)償裝置樣機(jī)，采用仿真+實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證的模式，通過定量的方法，詳細(xì)分析試驗(yàn)線路容量、投切角度、電容殘壓對(duì)涌流值的影響。

典型的涌流試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

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

圖1 涌流試驗(yàn)等效原理圖

試驗(yàn)時(shí)，分支1電容投入運(yùn)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(gè)分支的并聯(lián)等效電路。

2.1 短路容量對(duì)涌流值的影響

參照?qǐng)D1涌流試驗(yàn)等效原理圖，組裝一臺(tái)補(bǔ)償裝置樣機(jī)，經(jīng)實(shí)際測量樣機(jī)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(bǔ)償裝置樣機(jī)為參考，根據(jù)圖1涌流試驗(yàn)等效原理，在PSIM里搭建涌流試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)線路容量（短路電流大小），即試驗(yàn)系統(tǒng)短路阻抗、對(duì)涌流值的影響。設(shè)試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)短路容量對(duì)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(bǔ)償裝置樣機(jī)的實(shí)際試驗(yàn)分析：

將前述搭建的補(bǔ)償裝置樣機(jī)通電，僅考慮試驗(yàn)系統(tǒng)容量，即試驗(yàn)系統(tǒng)短路阻抗、對(duì)涌流值的影響。通過改變、大小來實(shí)際改變?cè)囼?yàn)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(shí)的涌流值如表2所示。

從表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可明顯看出，試驗(yàn)系統(tǒng)短路容量對(duì)涌流值有較大影響，且其涌流值與短路電流對(duì)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(duì)涌流值的影響

PSIM下的仿真分析：

同2.1節(jié)，在PSIM涌流試驗(yàn)仿真環(huán)境下，在固定試驗(yàn)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(yàn)證投切角度對(duì)涌流值的影響。在典型的試驗(yàn)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(duì)涌流值有較大影響。投切角度在90 °附近時(shí)達(dá)到涌流最大值，而且與90 °時(shí)涌流值差異率僅為0.22 %。

低壓無功功率補(bǔ)償裝置樣機(jī)的實(shí)際試驗(yàn)分析：

同2.1節(jié)，將前述搭建的補(bǔ)償裝置樣機(jī)通電，在典型的試驗(yàn)系統(tǒng)短路電流15 kA下、電容殘壓為零時(shí)，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(shí)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(shí)際試驗(yàn)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(shí)際試驗(yàn)涌流值

觀察表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以明顯看出，投切角度的不同對(duì)涌流值也存在較大影響，且其涌流值與投切角度的對(duì)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(duì)涌流值的影響

PSIM下的仿真分析：

同2.1節(jié)，在PSIM涌流試驗(yàn)仿真環(huán)境下，在固定試驗(yàn)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(yùn)行的電容器的殘壓值，驗(yàn)證電容殘壓值對(duì)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(duì)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(bǔ)償裝置樣機(jī)的實(shí)際試驗(yàn)分析：

同2.1節(jié)，將前述搭建的補(bǔ)償裝置樣機(jī)通電，在典型的試驗(yàn)系統(tǒng)短路電流15 kA下、投切角度90 °時(shí)，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(yàn)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(duì)涌流值有直接影響。且其涌流值與殘壓值的對(duì)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(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證中，當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)短路容量明顯較小時(shí)，將嚴(yán)重影響涌流值的大小，甚至有可能導(dǎo)致補(bǔ)償裝置不能正常工作。但是在其產(chǎn)品申請(qǐng)認(rèn)證的短路耐受強(qiáng)度附近，其影響非常小。一般情況下，低壓無功功率補(bǔ)償裝置產(chǎn)品的短路耐受強(qiáng)度認(rèn)證申請(qǐng)常見為15 kA。因此，建議以低壓無功功率補(bǔ)償裝置產(chǎn)品的短路耐受強(qiáng)度認(rèn)證申請(qǐng)值作為額定試驗(yàn)系統(tǒng)短路容量，以此統(tǒng)一涌流試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)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(duì)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(shí)最大，經(jīng)過仿真和實(shí)際試驗(yàn)，也基本驗(yàn)證了這一理論。仿真和實(shí)際試驗(yàn)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)?？紤]試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果中應(yīng)記錄實(shí)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(duì)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(shí)間間隔應(yīng)至少保證3 min以上?？紤]到數(shù)據(jù)溯源性要求，在試驗(yàn)結(jié)果中應(yīng)體現(xiàn)實(shí)際涌流投入時(shí)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(shí)際試驗(yàn)涌流值

3 總結(jié)

本文從國內(nèi)外相關(guān)低壓補(bǔ)償裝置的標(biāo)準(zhǔn)入手，分析比對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)中涌流試驗(yàn)的具體檢驗(yàn)要求和檢測方法，結(jié)合檢驗(yàn)人員實(shí)際涌流試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，研究試驗(yàn)線路的短路容量、投切角度、電容殘壓等對(duì)涌流大小產(chǎn)生的影響。通過仿真驗(yàn)證和實(shí)際低壓無功補(bǔ)償裝置樣機(jī)試驗(yàn)比對(duì)的方式，驗(yàn)證了仿真和實(shí)際試驗(yàn)的一致性，同時(shí)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(yàn)時(shí)的具體建議。本文的研究結(jié)果有助于低壓補(bǔ)償裝置類產(chǎn)品涌流試驗(yàn)檢驗(yàn)要求和檢測方法的規(guī)范統(tǒng)一，可用來有效評(píng)價(jià)行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣，同時(shí)有利于不同檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)比對(duì)和試驗(yàn)參數(shù)的溯源，對(duì)于低壓補(bǔ)償裝置類產(chǎn)品的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行產(chǎn)品檢測和用戶選型均具有較高的參考價(jià)值。