伍弘,吳旭濤,王文昭,牛勃,沙偉燕,熊慶,汲勝昌,吳志勇

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,寧夏 銀川 750011;2.西安交通大學(xué)電工材料電氣絕緣全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049;3.國網(wǎng)寧夏電力有限公司吳忠供電公司,寧夏 吳忠 751100)

0 引 言

隨著新型電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,電力系統(tǒng)的源-網(wǎng)-荷側(cè)特性發(fā)生了巨大變化,電力電子元件以及非線性元件的引入使得高頻次諧波的含量在電網(wǎng)中快速增長[1-4]。氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear,GIS)受其機(jī)械結(jié)構(gòu)影響,在復(fù)雜諧波的影響下易發(fā)生機(jī)械諧振,輕則出現(xiàn)異常噪聲,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞,給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響[5-7]。因此,開展新型電力系統(tǒng)中高次諧波對(duì)GIS振動(dòng)特性的影響研究,對(duì)保障GIS穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)GIS振動(dòng)特性及其影響因素開展了大量研究。從20世紀(jì)80年代開始,清華大學(xué)錢家驪、中國電科院郭碧紅等人開始通過GIS外殼振動(dòng)信號(hào)對(duì)內(nèi)部放電故障進(jìn)行檢測(cè)[8-10],但是局部放電引起的振動(dòng)信號(hào)頻率較高,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)到的GIS產(chǎn)生的低頻振動(dòng)噪聲不同,與GIS的機(jī)械特性并無直接聯(lián)系。目前通過振動(dòng)信號(hào)對(duì)GIS的機(jī)械故障診斷主要從振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理和故障診斷特征參數(shù)兩方面研究。河海大學(xué)馬宏忠分析了三相分體式和共體式GIS的振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理,利用模態(tài)分析手段對(duì)GIS母線氣室進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究[11-12]。河海大學(xué)徐天樂基于希爾伯特-黃變換(hilbert-huang transform,HHT)的時(shí)頻譜和邊際譜檢測(cè)對(duì)GIS設(shè)備機(jī)械故障進(jìn)行診斷[13]。江蘇電力公司黃清提出了通過高頻振動(dòng)諧波與100 Hz振動(dòng)幅值的比值檢測(cè)母線觸頭松動(dòng)缺陷的方法[14]。山東大學(xué)侯焰將在變分模態(tài)分解(variational mode decomposition,VMD)參數(shù)的優(yōu)化中引入了混沌布谷鳥優(yōu)化算法和改進(jìn)的K-means聚類算法,通過此方法對(duì)存在自由微粒和螺絲松動(dòng)的GIS機(jī)械故障進(jìn)行診斷[15]。中國電科院程林從功率譜中提取特征參量研究了開關(guān)觸頭和導(dǎo)向環(huán)公差配合過大情況下的GIS外殼振動(dòng)特性[16]。目前研究主要針對(duì)GIS承載工頻電壓和電流時(shí)的振動(dòng)特性,缺少諧波對(duì)GIS振動(dòng)特性影響的研究。

本文對(duì)新型電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的特性進(jìn)行總結(jié),建立GIS諧波電流激勵(lì)下的振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái),根據(jù)新型電力系統(tǒng)中的諧波種類,進(jìn)行不同諧波激勵(lì)下GIS的振動(dòng)特性研究。

1 新型電力系統(tǒng)諧波特性

1.1 源側(cè)諧波特性

新型電力系統(tǒng)被劃分為源-網(wǎng)-荷3部分,相比于傳統(tǒng)電力系統(tǒng),新型電力系統(tǒng)引入了風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電等新能源,由于其自身的運(yùn)行機(jī)理與特性,在并網(wǎng)時(shí)不可避免地產(chǎn)生諧波。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)時(shí)的諧波主要來源于脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)及換流器等開關(guān)器件[17]。光伏發(fā)電系統(tǒng)含電力電子開關(guān)器件,諧波主要由PWM、開關(guān)器件死區(qū)特性等因素產(chǎn)生,同樣受到濾波器結(jié)構(gòu)及控制策略的影響[18]。由于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電存在波動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn),風(fēng)速的變化和晝夜更替使得換流器的工作狀態(tài)更復(fù)雜,從而增大了諧波產(chǎn)生的概率。諧波電流的幅值一般與發(fā)電機(jī)組輸送到電網(wǎng)的功率成正比。新能源并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波主要為奇次諧波,6n±1(n=1,2,3…)次含量更多,并且各次諧波的有效值隨著次數(shù)的升高逐漸變小。

1.2 網(wǎng)側(cè)諧波特性

隨著直流電網(wǎng)的建設(shè)和電力電子化電網(wǎng)進(jìn)程的推進(jìn),如今電力系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)也出現(xiàn)了較多導(dǎo)致諧波增多的因素[19]。由于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電新能源的接入,以及負(fù)荷側(cè)用電設(shè)備的變化和儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展,直流電網(wǎng)成為新型電力系統(tǒng)發(fā)展的選項(xiàng),但同時(shí)引入了較多的電力電子元件,在工作時(shí)難以避免地產(chǎn)生諧波。以高壓直流輸電網(wǎng)中常用的脈動(dòng)換流器為例進(jìn)行分析:電流在換相的過程中,由于電力電子器件的非線性會(huì)產(chǎn)生諧波,脈動(dòng)電橋引起的諧波次數(shù)主要為n=(p·i)±1,i為正整數(shù),p為脈動(dòng)數(shù),如系統(tǒng)中使用6次脈動(dòng)換流器,則產(chǎn)生6i±1次諧波。直流電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行情況下,除產(chǎn)生有一定規(guī)律的特征諧波,還有些不規(guī)律的非特征諧波,這與換流站網(wǎng)側(cè)的具體工況有關(guān)。

1.3 負(fù)荷側(cè)諧波特性

電子設(shè)備和電力電子設(shè)備的大量使用,儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用以及電氣化鐵路的快速發(fā)展,導(dǎo)致配電系統(tǒng)產(chǎn)生了大量諧波污染,儲(chǔ)能變流器在正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同次數(shù)的諧波含量[20]。選用正弦脈寬調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)技術(shù)對(duì)變流器中開關(guān)管進(jìn)行控制,會(huì)使儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)電流產(chǎn)生開關(guān)頻率次數(shù)附近的高次諧波。由于死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生的諧波為3,5,7等低次諧波,并且諧波畸變率隨著死區(qū)時(shí)間的增加而增加。

電氣化鐵路運(yùn)行時(shí)存在工作的電力電子器件產(chǎn)生的諧波問題成為電網(wǎng)諧波的重要來源之一[21]。電力機(jī)車主電路通過控制晶閘管的導(dǎo)通角或PWM原理來控制車速,因此電氣化鐵路運(yùn)行產(chǎn)生的諧波含量與機(jī)車運(yùn)行速度有關(guān),機(jī)車速度越高,產(chǎn)生的諧波電流值就越大。機(jī)車網(wǎng)側(cè)主要諧波次數(shù)為3,5,7等低次諧波,高次諧波以45,47,49,51,53,55次諧波為主。

通過分析某220 kV變電站母線電流錄波數(shù)據(jù),繪制該換流站一次側(cè)及二次側(cè)的母線諧波電壓幅值,如圖1所示。其中,一次側(cè)基波電壓幅值為131.72 kV,且33次以上諧波電壓幅值幾乎為0;二次側(cè)基波電壓幅值為59.879 V,33次及以上諧波電壓幅值也幾乎為0。故為方便觀察,只比較2-33次諧波幅值。可以發(fā)現(xiàn),一次側(cè)和二次側(cè)的諧波含量及特性幾乎相同,兩側(cè)均為奇次諧波含量更大,其中5,7,11,13,17,19,23,25,29,31次尤為突出,這與前文的分析一致。

(a)一次側(cè)

綜上可知,新型電力系統(tǒng)并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波次數(shù)為2n+1(n=1,2,3…)次,且主要集中在3,5,7等低次諧波和11,13,17,19等稍高次數(shù)的諧波。這些諧波作用到GIS時(shí),GIS的受力將變得更為復(fù)雜,更容易導(dǎo)致GIS的“異響”,影響其穩(wěn)定運(yùn)行。

2 GIS振動(dòng)特性研究

2.1 振動(dòng)平臺(tái)

為測(cè)量GIS在不同諧波電流激勵(lì)下的振動(dòng),本文利用實(shí)驗(yàn)室中的可編程諧波源、升流器、220 kV單相GIS母線筒模型及振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)搭建試驗(yàn)平臺(tái)(見圖2)。

圖2 振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)

試驗(yàn)回路中諧波源的輸出端分別接到升流器的輸入端,升流器的兩級(jí)分別接到GIS兩端的套管將其短接。試驗(yàn)中通過諧波源控制臺(tái)調(diào)節(jié)諧波源輸出的正弦穩(wěn)態(tài)電流頻率與幅值。測(cè)量回路利用粘貼于GIS罐體外殼上的壓電式振動(dòng)加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào),測(cè)點(diǎn)1,2,3分布在母線筒側(cè)面,如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)分布

2.2 不同諧波激勵(lì)下的GIS振動(dòng)特性

為了研究復(fù)雜諧波激勵(lì)下的GIS的振動(dòng)特性,通過可編程諧波源分別向GIS施加幅值為1 kA,諧波總畸變率為0.5%的電流,電流頻率分別為單獨(dú)工頻電流,工頻電流與3-31次奇數(shù)次諧波的單獨(dú)疊加,工頻電流與多種奇次諧波的疊加,并對(duì)測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2.1 工頻電流激勵(lì)

GIS母線筒1—3號(hào)測(cè)點(diǎn)在工頻電流激勵(lì)下的振動(dòng)時(shí)頻與頻譜如圖4所示。

(a)1號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)域波形與振動(dòng)頻譜

可以發(fā)現(xiàn),母線筒表面的振動(dòng)從左向右依次增大,這與母線筒兩端的剛度大小有關(guān),由于罐體兩端的等效剛度不同,兩側(cè)剛度略有差異。GIS罐體的固有頻率f0與剛度成正比,剛度越大,固有頻率越高,振動(dòng)幅值的計(jì)算公式由式(1)表示。

(1)

式中:A為振動(dòng)幅值,F0為激振力的幅值,m為罐體質(zhì)量,f為振動(dòng)頻率,f0為固有頻率,ζ為阻尼系數(shù)。

當(dāng)剛度越大時(shí),這可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)頻率與固有頻率的差值增大,使得分子部分變大,最終使得振動(dòng)幅值減小。與GIS罐體右側(cè)相接一端的剛度較小,因此振動(dòng)最大的區(qū)域主要集中在與罐體右側(cè)相接的部位,即3號(hào)點(diǎn)處振動(dòng)加速度最大值約為0.04 m/s2,左側(cè)1號(hào)點(diǎn)處振動(dòng)最弱,振動(dòng)最大值為0.26 m/s2。

2.2.2 工頻電流與單種諧波電流疊加激勵(lì)

結(jié)合目前新型電力系統(tǒng)中的諧波特性種類,依次施加工頻與3-31次奇次諧波電流疊加激勵(lì),得到GIS母線筒外殼1號(hào)測(cè)點(diǎn)在不同諧波激勵(lì)下的振動(dòng)特性,如圖5所示?？梢钥闯?在工頻電流與諧波電流疊加作用下激發(fā)出其他頻率的振動(dòng)。這是因?yàn)楫?dāng)不同頻率的電流激勵(lì)同時(shí)存在時(shí),產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度Bi由式(2)表示,母線筒所受電磁力由式(3)表示,由積化和差公式可以將式(3)表示為式(4)。發(fā)現(xiàn)電磁力頻率不僅有激勵(lì)頻率的二倍頻,還有不同頻率之間的和頻及差頻。

(2)

(a)工頻與3次諧波疊加

(3)

(4)

式中:μ0為真空磁導(dǎo)率,μr為SF6的相對(duì)磁導(dǎo)率,r為GIS外殼半徑,Ii、Ij為不同諧波次數(shù)電流的幅值,t為時(shí)間,ωi、ωj為不同諧波次數(shù)電流的頻率,F為不同諧波疊加作用下激振力的幅值。

如工頻與3次諧波的和頻使得200 Hz處的振動(dòng)得到增強(qiáng),約為0.006 15 m/s2,是工頻激勵(lì)下的197.39%;在工頻與9次諧波和頻作用下,500 Hz下的振動(dòng)幅值比在工頻激勵(lì)下增加了0.001 3 6 m/s2;在工頻與11,13次諧波疊加下,分別激發(fā)了500,600 Hz及600,700 Hz的振動(dòng);在工頻分別與21次及23次疊加激勵(lì)下,其在1 100 Hz處的振動(dòng)增大了約0.026 m/s2,可以認(rèn)為1 100 Hz的振動(dòng)頻率接近GIS罐體的固有頻率,激發(fā)了其機(jī)械振動(dòng);除此之外,工頻與其他高頻諧波如31次諧波疊加作用時(shí),也會(huì)激發(fā)出1 600 Hz的高頻振動(dòng)。

2.2.3 工頻電流與多種諧波電流疊加激勵(lì)

目前電力系統(tǒng)中的諧波并非單獨(dú)存在,而是多種諧波同時(shí)作用,因此為模擬實(shí)際工況的同時(shí)也方便分析,將工頻電流與多種諧波電流疊加激勵(lì),分析GIS的振動(dòng)特性,如圖6所示。

(a)工頻與3,5,7,9,11次諧波疊加

可以看出,在未觸發(fā)較為明顯的諧振時(shí),工頻電流的2倍頻即100 Hz下(振動(dòng)加速度超過0.01 m/s2)的振動(dòng)仍為主頻振動(dòng),這是激勵(lì)中主要為工頻電流激勵(lì)所決定的。在多種諧波共同作用下,GIS的振動(dòng)頻譜更加豐富,在高頻處同時(shí)產(chǎn)生了1 100,1 300,1 400,1 600 Hz等高頻振動(dòng),增大了其產(chǎn)生高頻機(jī)械諧振的概率。

3 結(jié) 論

分析了新型電力系統(tǒng)并網(wǎng)的諧波特性,以及分析了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、直流電網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)及電氣化鐵路等各種典型的源-網(wǎng)-荷的諧波特征,建立了多頻電流激勵(lì)下的GIS振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái),測(cè)量了GIS母線筒在不同諧波激勵(lì)下的振動(dòng)數(shù)據(jù),得出以下主要結(jié)論:

1)新型源、荷并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波基本都為奇數(shù)次,6n±1次諧波含量尤其多,諧波次數(shù)與含量一般成反比;

2)GIS外殼振動(dòng)加速度的幅值在筒長方向上近似呈現(xiàn)出線性分布的特點(diǎn),幅值從剛度大的一端向小的一端逐漸增加;

3)當(dāng)存在多種諧波電流時(shí),由于不同頻率激勵(lì)的疊加,其振動(dòng)頻率含量更為豐富,更容易產(chǎn)生機(jī)械諧振。