跨步电压法（精选8篇）
跨步电压法 篇1
1 前言
目前, 我国XLPE电缆的用量及电压等级正在逐年上升, 高压电缆外护套是电缆线路的重要组成部分, 其绝缘状态的优劣直接影响着电缆的使用寿命和电网的安全可靠运行。但因在施工过程中, 外护套被拖伤、压伤、石头或护联箱紧固螺栓顶穿;运行过程受白蚁破坏及外力破坏等造成电缆绝缘护套破损现, 而电缆护套一旦破损, 一方面会使电缆金属套 (或金属屏蔽层) 形成接地回路, 产生环流, 从而使电缆金属套发热, 加大电缆损耗, 降低电缆的带负载能力;另一方面由于破损处空气及水分的侵入, 会加速电缆金属套腐蚀, 而腐蚀处产生的电场集中, 易于产生局部放电和引发电树枝, 对电缆的短期运行安全造成威胁;此外破损处水分的侵入还会使主绝缘产生水树老化的几率增加, 严重影响电缆寿命。通过对电缆外护套故障工作的查找, 发现电缆外护套存在的缺陷隐患对运行安全带来一定的影响, 及时进行处理, 杜绝了安全事故发生的可能性。因此对护套破损处进行及时定位和修补非常重要。
2 故障发现、查找过程、原因分析、以下将以110kV皇石II线为例, 进行分析。
2.1 故障发现
2007年4月3日, 经对110kV皇石II线进行电缆外护套绝缘电阻测量时发现:110kV皇石II线B相外护套绝缘电阻为零。
现场数据如下:
由以上数据我们可以看到, 110kV皇石II线#1中间井——#2中间井B相的电缆外护套绝缘不合格, 存在故障。另外经测量发现, 110kV皇石I线#1中间井——#2中间井有两相的电缆外护套绝缘电阻也为零。110kV皇石II线的敷设方式有两种, 1/3是混合沟, 2/3是直埋沟, 而故障点的位置刚好在直埋沟这部分。结合以上情况, 初步判断该故障点可能由白蚁侵蚀电缆外护套所致。随即运用跨步电压法等仪器对外护套进行故障查找、修补及消缺工作。
2.2 故障查找过程
2.2.1 用电缆故障定位仪进行电桥法预定位
电桥法原理
被测电缆全长为L, 距测量点L1处有护层故障点P, 对地电阻为Rp。金属护套材料为铅或铝, 甚至不锈钢, 与电缆线芯相比, 电阻稍大, 均匀分布。因此, 当电桥平衡时, 电阻之比, 等于其长度之比。图中ZGH为高压恒流源, r为比例臂电阻。
其电路原理如图2, XP间的金属屏蔽电阻为R1, PYNM间的金属屏蔽电阻为R2。
接入电桥后构成如右电路
图中r1+r2=r0
则由电桥原理可得:
P为指示比例臂电阻的刻度盘读数
L为测试电缆的全长。L1为故障点距测量点的距离。
因此L1=2·P‰·L, 即可算出护层故障点P距测量点L1的大概距离。
经过公式L1=2·P‰·L算L1, 即故障点就在距#2中间井440米的地方。
2.2.2 用跨步电压法精确定点
由于电压测量误差、电缆总长度误差、及电缆蛇形敷设引起的偏差等, 使定位不准。进一步用跨步电压法精确定点。
跨步电压法基本设备为高压信号发生器和一套带有探针的电位差计或毫伏表。其原理如下图, 在电缆金属套与地之间施加一高压脉冲电流, 用电位差计沿电缆路径探测,
从护套不良点流入土壤的电流如示意图所示, 电源电压为负极性, 土壤表面电位呈漏斗状分布, 跨步电压法正是通过探棒寻找土壤中电势最低点或跨步电压零点。用这种方法, 找到使跨步电压指示仪最敏感、指针摆动幅度最大的点, 进而精确确定故障点的位置。
很快故障点被找到, 其故障位于110kV皇石II线经过益田路与福荣路交汇处的过路穿管口处。
经分析用电桥法所测故障点位置与用跨步电压法所测故障点不在同一个点上, 误差为3米。经开挖后, 发现故障点电缆外护套已被白蚁侵蚀的“斑斑点点”。
2.3 引起故障原因
2.3.1 高压电缆本体本身是无防白蚁的护套, 所以受到白蚁的侵蚀。
2.3.2 高压电缆施工时未做防白蚁处理。长期深埋与地下, 无法喷白发蚁药, 得不到常规的防蚁维护, 容易引起白蚁。所以对高压电缆本体一定要进行防白蚁处理。
2.3.3 施工单位在工程完成后, 回填泥土时, 没有及时清理施工现场, 遗留多余木板, 给白蚁在木板里面造巢穴带来便利。所以电缆沟道土层要干净, 不能有木屑等杂物。
3 处理方法
3.1 先将路面开挖, 打开盖板, 刨出细沙, 找到电缆外护套的故障点。
3.2 用葫芦将故障相电缆吊起, 用抹布把粘在电缆上的泥沙清理干净。
3.3 在故障相的两侧及故障点的位置, 用玻璃片将石磨层刨干净。
3.4 用绝缘自粘带、防水绝缘带及PVC, 将故障点修复。
3.5 将吊起的电缆放下, 沙子回填, 又喷洒了防白蚁药水。
3.6 在直埋段装了一根药管, 方便以后喷白蚁药水时, 药水能很好的渗入沟中。
3.7 再做一次绝缘电阻测试及试验。
3.8 检测数据合格后, 恢复该线路运行。
4 结论
最后检测数据:
跨步电压法的优点是原理简单、易操作、抗干扰好、破坏性少、定点直观准确, 适用于敷设于泥土地面内的电缆。而传统的直流冲击法冲击电压及能量较高, 长时间放电时对电缆金属护套及外护套都有破坏性, 且会将正常运行时不必处理的薄弱点击穿扩大为故障点, 因此对已投运的高压电缆不提倡使用此法。
跨步电压法也有不足之处:
4.1 易受地下金属管线 (如水管、天然气管等电位体) 的干扰, 特别在变电站或电缆接头井周围的干扰更为严重。
4.2 在干燥地面或马路上接受信号很弱, 需采取措施, 否则可能很难测到信号。
在实际查找故障过程中, 要结合不同设备特点及不同情况, 根据现场经验来判断选择不同的设备和方法。
摘要：高压交联聚乙烯绝缘电力电缆在我市的使用和发展已有二十多年的历史, 由于生产技术的发展、材料工业的进步, 以及相关产业日新月异的变化, 使得高压交联聚乙烯绝缘电力电缆在各个方面都有了显著的进步。本文就高压电缆外护套故障定位及用跨步电压法进行电缆外护套故障精确定点进行分析和介绍。借此能引起同业人员的关注, 以共同探讨。
关键词：电缆故障定位仪,跨步电压法,电缆外护套故障
跨步电压法 篇2
教学目的
1．知道电压的作用。知道电源是提供电压的装置。
2．知道电压的单位。能对电压的不同单位进行变换。
3．记住干电池、家庭电路的电压值。教具
U形管连通器一个，干电池一节，小灯泡一个，开关一个，导线若干条。教学过程
1．复习
(1)把一节干电池、小灯泡、开关放在示教板上，请一位同学按所画电路图，用导线将电路连接起来(连接电路之前，开关应当是断开的)。
(2)提问：什么叫电路，它由哪几部分组成？
2．引入新课
演示：闭合示教板上电路中的开关，灯泡亮了，说明电路中产生了电流。
提问：电流是怎样形成的？
取下电路中的干电池，闭合开关，灯泡不发光。
提出问题：在这种情况下，为什么电路中不能形成电流，电源的作用是什么？
3．进行新课
为了说明在什么情况下才能形成电流，我们先用水流作比喻，看看水流是怎样形成的？
提问：将装有水的U形管连通器的底部用止水钳夹住，两管内水面相平。打开止水钳，两管内的水会不会发生流动？
演示：向U形管左管内加水，使左管水面高出右管水面(图1)。(提问：打开止水钳，两管内的水会不会发生流动，如果发生流动，水怎样流动？)打开止水钳，水从左管向右管流动。
提出问题：为什么在连通器里的水面相平时，水不发生流动，而在左管水面高时，水从左管流向它的右管？U形管中的水能不能持续不断地流动？
(利用投影幻灯片或电脑设计程序表现出连通器水流的动态过程，反映出在这一过程中，水位的变化和连通器底部液片受到的压强变化的情况。见图2所示。)
可见，水位差(又叫水压)是使水定向流动形成水流的原因。
下面我们再来看一看如图3所示的复合投影幻灯片(或用电脑设计程序表示出它的动态过程)。
甲图中A处的水位高于B处的水位，打开阀门，管中的水从A处通过涡轮向B处流动，水的流动使涡轮转动。A处的水面下降，B处的水面上升，当A、B两处水面相平时，水位相同，水停止流动，涡轮不再转动，幻灯片要显示上述过程。可见，水位差(水压)使水管中形成水流。
现在，我们用一台抽水机不断地把水从B处抽到A处(如图3乙所示，将抽水机置入，同时表现出抽水的动态情况)、使A处的水总比B处的水位高，由于水管两端总保持一定的水位差(水压)，于是水管内就有持续的水流。
下面我们来看看图4所示的电路(示数板上接好的简单电路)的情况。
电源的正极聚集有大量的正电荷，负极聚集有大量的负电荷，在电源的正、负极之间就产生了电压。这个电压使电路中电荷发生定向流动，使正电荷从正极流向负极，或者使负电荷从负极流向正极，于是在电路中产生了电流。
可见，电压是使电路中形成电流的原因。
在电路中，电源在工作时不断地使正极聚集正电荷，负极聚集负电荷，保持电路两端有一定的电压，使电路中有持续的电流。电源是提供电压的装置。
板书：<电压使电路中形成电流，电源是提供电压的装置。电压用符号U表示>
在图3所示装置中，不同的抽水机可以在水管两端产生不同的水位差，即大小不同的水压。同理，不同的电源可以在电路的两端产生大小不同的电压，为此，首先要确定电压的单位。在国际单位制里，电压的单位是伏特，简称伏(V)。此外，常用单位还有千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(μV)等。介绍它们的换算关系。
板书：<在国际单位制里，电压的单位是伏特(V)>
看课本几种电压值的图。
要求记住的电压值有：
一节干电池电压：1.5伏。
家庭电路的电压：220伏。
对人体安全的电压：不高于36伏。
练习题：
(1)电压使电路中形成______，______是提供电压的装置。
(2)220伏=______千伏=______毫伏。
4．小结
这节课讲授的电压是电学中又一个重要的物理量。由于知识所限，我们用水流作比喻讲述了电压使电路中形成电流。电源是提供电压的装置。要知道电压的单位，会进行单位变换。此外，还要记住干电池和家庭电路电压值。
(四)说明
1．“电压”这堂课既是重点，又是难点，不易被学生掌握。对于初学电学的学生来说，只要求知道电压是电路中形成电流的原因，电源是提供电压的装置和电压的单位。至于电压的定义、公式和电压的单位──伏特的物理意义留待高中再讲，在这节课内不要出现这些内容，否则因难度过大使学生不能接受。
2．用水流作比喻来讲电压，对于学生来说形象、生动，容易被学生所接受。在这里利用水压引出电压，从而认识电压使电路中形成电流。
3．为了使学生便于理解，在讲水流的形成时，最好用复合幻灯片模拟出它的动态过程。有条件的，用电脑设计出程序，将有更好的效果。
实验：用电压表测电压
教学目的
1．会按照电压表使用规则正确使用电压表，会选择电压表的量程和试触，会正确读出电压表的示数。
2．会用电压表测量电池的电压。通过实验研究串联电池组和并联电池组的电压跟每节电压的关系。
3．通过实验研究串联电路、并联电路中的电压关系。实验器材
学生实验：每组一个学生电源(或三节干电池)，一只学生电压表，两个阻值不同的小灯泡，一个开关，导线若干。
演示实验：教学电压表一只，电源一个，开关一个。教学过程
1．复习
提问：
(1)怎样区分电压表和电流表？
(2)电压表和电流表在使用规则上，有哪些不同之处？有哪些相同之处？
2．引入新课
演示实验：将教学电压表通过开关与电源的正、负极相连，见图①。
提问：
(1)这种接法行不行？测出的是哪个元件两端的电压？
(2)在接线过程中要注意哪些问题？(注意：开关断开；并联在被测电路两端，电流从电压表“+”接线柱流进，从“-”接线柱流出；量程的选择和试触。)
(3)读出电压表的示数。
这个示数就是电源的电压。
3．进行新课
介绍这堂课的实验目的和所研究的内容。
实验的目的是：
(1)练习用电压表测干电池电压和一段电路两端的电压。
(2)研究干电池串联和并联时的电压关系；串联电路、并联电路中的电压关系。
这次实验分两个部分进行。
第一部分：测干电池电压，研究干电池串联、并联时的电压关系。
一、先取三节干电池，分别测出每节电池的电压。再将这三节干电池按图②串联成电池组，测出串联电池组的电压，将测得的数据记到表1内。分析串联电池组的电压跟各节干电池电压之间的关系，写出结论。
二、将两节相同的干电池按图③并联组成电池组，用电压表测这个并联电池组的电压，将测量数据填入表2内。分析并联电池组的电压跟每节电池的电压之间的关系，写出结论。
表1：串联电池组的电压
结论：________________。
表2：并联电池组的电压
结论：__________________。
第二部分：研究串联电路和并联电路的电压关系
一、按图④将L1、L2组成串联电路，用电压表分别测出：灯泡L1两端的电压U1，灯泡L2两端的电压U2，灯泡L1与L2串联的总电压U。要求：
先在作业本上画出将电压表接入电路的三幅电路图，并标出电压表的“+”、“-”接线柱。学生自己设计记录表格，做好记录后，分析实验结果，写出结论。
二、按图⑤，将L1、L2组成并联电路，用电压表分别测出灯泡L1两端的电压U1，灯泡L2两端的电压U2，A、B两点之间的总电压U。要求：
先在作业本上画出将电压表接入电路的三幅电路图，并标出电压表的“+”、“-”接线柱。学生自己设计记录表格；做好记录后，分析实验结果，写出结论。
实验完毕，断开电源，整理仪器，进行讲评。
4．小结
由学生汇报实验数据和所得到的结论。
(1)串联电池组的电压等于各节电池的电压之和。并联电池组的电压等于每节电池的电压。
(2)串联电路的总电压等于各部分电路两端电压之和。在并联电路里，各支路两端的电压相等，并且总电压等于各支路两端的电压。
练习题：(1)一个小电动机工作时，要求电源电压是6伏，要用几节干电池，怎样连接？
(2)在图⑥甲中，VA=6伏，VB=______，VC=______，在乙图中，V1=2伏，V=6伏，V2=______。
(四)说明
用电压表测电压的实验，对于大多数学生来说，并不困难。教师在教学中应注意：
1．严格要求学生按电压表使用规则进行实验操作。
应用向量法检测电压凹陷 篇3
该文讨论了三相电压凹陷特征, 包括凹陷幅度、相位跳变和持续时间, 同时, 应用了一个有效的信号处理算法, 该算法能准确的表征相电压和正序电压的凹陷特征。另外, 也比较了相电压和正序电压发生凹陷时对电能质量的影响严重程度。
1 数据测量方法
电能质量监测器从某电厂中的三相三线低压网络电缆获取原始数据。当电压有效值低于一个阀值时, 电能质量监测器将被触发运行, 而这个阀值通常为额定电压的0.9 p.u.。
该文中用于评估所提方法的数据是来自电能质量监测器和同步相量测量单元 (PMU) 。电能质量监测器采集的数据是每周期三相电压中32个采样点的瞬时值, 而PMU的数据是每周期估计一次的正序电压值。虽然PMU的数据有一定的缺陷, 但它仍是一种新颖的测量装置。
2 实验结果及分析
如图1所示, 由于在118~168 ms之间电压幅值减少很多。为了找到电压凹陷的特点, 就必须计算出电压有效值。
2.1 电压有效值的估算
通过下列公式 (1) 利用上一周期电压的瞬时值估算电压有效值, 计算时间为0.52 ms。
式 (1) 中, N为每周期采样点数, Vj为在j时刻的瞬时采样电压。
图1中的瞬时值计算得到的有效值 (相对地电压) , 发生了三相不平衡电压凹陷, 三相电压的幅值和持续时间都不相同。通常, 考虑最多的是电压凹陷幅值和持续时间, 因此, 该电压凹陷的幅值为0.9 p.u., 持续时间为50 ms。
2.2 基本电压的估算
估算电压时通常会用到离散傅里叶变换 (DFT) , 通过计算基本电压可以很容易地获得电压幅值、相角以及相位跳变、对称分量等特征。
基本电压的幅值与电压有效值一样, 都是时间的函数。当电压谐波等级低于某个水平的时候, 电压凹陷幅值认定为电压的有效值或基本电压的最低值。
基本电压通过DFT公式获得, 相位跳变也就得到了。相位跳变将之前的相角作为参考点, 计算采样瞬时相角与之前相角的差。发生三相不平衡电压凹陷时每相相位跳变都不同。利用跳变相位值表征三相电压, 可用于判定是否出现三相电压凹陷。
2.3 电压凹陷特征的向量测量单元
正常情况下, PMU只能提供正序电压的幅值和相角。为了检验电能质量监测器工作的可行性, 首先利用从它获得的相应数据进行PMU仿真。正序电压的幅值和相角分别绘于图2和图3。
从图2和图3中可以观测到, 用于表征凹陷特征的值有很大的差异。有时电压凹陷的幅值很巧合会很相似, 但跳变的相位却有了很大的差异, 如图3的箭头指向处所示, 每周期估算32次的结果 (-14°) 大约是每周期估算一次结果 (-8°) 的2倍。
对国内某煤矿的130 k V的电缆, 此外有一个50 k V的电缆用于无功补偿。将PMU连接到变电站的变压器, 测量电压和电流 (幅值和相角) 的正序相量、频率以及频率的变化率。
由PMU估计的正序电压需要进行分析。因为实际频率不是额定频率, 因此记录的相位角会有一定的偏差。为了获得一个静态相量, 所记录的相量被分解一个新的坐标系统, 该系统在相对之前的频率不同之处是会有一个旋转度。因此, 获得了向量幅值不变的正序电压, 该电压对于之前的电压相角为零。正序电压的幅值和相位角分别示于图4和图5。圆点显示每一次循环相量估计值。
图4和图5中的连续线仅仅是一个虚构的插值曲线。此外用于表征电压凹陷的极值为:幅值0.6 p.u., 相位跳变-9.5°。这些值对于不同的系统也是不同的。
当研究电压凹陷特性的时候, 最大的限制就是PMU估算的低频值。如果PMU能在每个周期估算更多的相角, 这种限制是可以克服的。通常认为每周期记录16次是最理想的。
3 结语
该文中, 通过一些参数讨论了三相电压凹陷的幅值、相位跳变和持续时间等特征。分别利用到了在低压系统中的电能质量监测器与高压系统中的PMU获得的数据进行分析。利用从电能质量监测器中获得的数据通过信号处理公式估算基本电压和电压有效值, 结果表明基本电压的有效值和幅度有一定的相似性, 因此能从电压有效值或基本电压估算凹陷幅值和持续时间。也可以从基本电压估算相位跳变, 结果表明在不平衡电压凹陷中相位跳变不同。
摘要：该文讨论了三相电压凹陷特征, 包括凹陷幅度、相位跳变和持续时间, 同时, 应用了一个有效的信号处理算法, 该算法能准确地表征相电压和正序电压的凹陷特征。针对电能质量监测器以及同步向量测量单元 (PMU) 中获得的实测数据, 利用所用的方法对其进行运算, 比较出不同设备之间的凹陷特征的不同, 从而证明不同设备的优缺点。该文做了一些实验, 结果表明:从电能质量监测器中获得的数据能够描述一个完整的扰动特性, 而从PMU中获得的数据, 只能描述PMU频率增加时发生电压凹陷的情况。
关键词：电压凹陷,电能质量监测器,同步向量测量单元,特征
参考文献
[1]IStd.IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality[Z].IEEE XPlore, 1159-1995.
[2]陈平, 杨洪耕, 肖先勇.基于模糊失效准则的敏感设备电压凹陷敏感度评估[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (6) :8-11.
跨步电压法 篇4
近年来, 一种新兴的除盐技术——电容吸附除盐法得到很大发展。它具有以下优点:产水率高、能耗低[3];除盐性能良好;生产过程绿色无污染, 对进水水质要求不高, 再生时不消耗药品;电极间距宽, 不易堵塞[4]。该技术目前在工程上主要用于废水深度处理和回用。但电容吸附法采用电极直接与溶液接触的方式, 外加电压不得超过1.6V, 否则溶液中会产生电流, 发生电解反应而增加能耗, 而且还会对电极造成损耗。
本工作针对电容吸附法的缺点, 采用绝缘电极代替传统电极, 通过电极的绝缘处理, 使电极不与溶液直接接触, 并能够在高电压下直接运行。
1 实验部分
1.1 试剂和仪器
Na Cl:分析纯, 以Na Cl溶液模拟含盐废水。
GPS-2303C型直流电源供应器:上海宇醇电子科技有限公司;DDS-11C型电导率仪:上海三信仪表厂。
1.2 实验原理
在电化学体系中, 在电极与溶液的交界处由于固液两相的化学势不同而存在双电层。双电层具有电容的特性, 可充电或放电。因此对电极施加电压时, 在不发生电化学反应的情况下, 水中离子将会富集在电极-溶液界面[5,6], 即充电过程。当模拟废水进入阴阳电极之间的通道中, 废水中离子或带电粒子在电场力作用下朝电荷相反的电极一端移动, 并吸附在电极表面的双电层中, 从而获得净化或淡化后的出水。当电极-溶液界面达到饱和或者去除电压时, 被双电层所吸附的离子会释放到溶液中产生浓盐水[7]。这样双电层在放电过程中得以再生, 废水在这种充放电过程中实现了除盐及净化。
1.3 实验装置及方法
实验装置见图1。电极材料为石墨或不锈钢, 表面采用有机高分子薄膜包裹进行绝缘处理。电极板尺寸为55 mm×80 mm, 极板间距为2 cm。过水通道与电极间用阴/阳离子膜相隔, 离子膜与电极板之间留有空间, 在吸附过程中可在电极附近形成静止液层, 使电极附近的离子吸附层不受流体流动产生的影响, 保证更稳定的除盐效果。配置不同浓度的模拟废水, 由蠕动泵送入反应器内, 电极接入外加直流稳压电源, 进行吸附脱盐反应。吸附饱和后去除电压, 放电反冲洗, 将处理后的浓盐水排出。
1.4 分析方法
采用电导率仪测定模拟废水电导率, 按照式 (1) 计算模拟废水中的Na Cl质量浓度。
式中:к为电导率, S/m;ρ为Na Cl质量浓度, mg/L。
2 结果与讨论
2.1 外加电压对出水电导率的影响
在一定的极板间距下, 电压越大, 则两极板间电场强度越大, 对离子的吸引力也越大, 因此对Na Cl的脱除效果越好。但已报道的电容吸附法, 由于电极与溶液直接接触, 外加电压不能太高[8,9,10,11]。刘海静等[12]的研究结果表明, 当外加电压超过1.6V时水中就会出现小气泡, 即发生了水的电解。水解过程会改变溶液p H, 对电极造成损害。
本工作通过静态实验 (废水流速为0) 研究不同外加电压下的除盐效果。在Na Cl质量浓度为500mg/L、反应温度为25℃的条件下, 外加电压对出水电导率的影响见图2。
由图2可见, 反应时间越长, 出水电导率越低;当外加电压为60 V时, 处理150 min后出水电导率为82.7μS/cm, 出水Na Cl质量浓度约为40 mg/L, 去除率达90.0%以上;在相同反应时间条件下, 外加电压越大, 出水电导率越低。因此, 可通过增大电压来提高脱盐效果。当外加电压提高至60 V时, 仍没有水的电解现象产生, 电极未发生腐蚀。
2.2 废水流速对出水电导率的影响
在Na Cl质量浓度为80 mg/L、外加电压为60V、反应温度为25℃的条件下, 废水流速对出水电导率的影响见图3。由图3可见, 随废水流速的增大, 电导率逐渐升高。废水流速越大, 在反应器内的停留时间越短, 而在一定的电压条件下, 离子到达电极表面的时间不变, 因此, 停留时间的缩短导致大部分离子未被吸附就流出反应器, 降低了废水处理效果。
2.3 反应温度对出水电导率的影响
在Na Cl质量浓度为80 mg/L、外加电压为60V、废水流速为36 m/s的条件下, 反应温度对出水电导率的影响见图4。由图4可见, 不同反应温度下的出水电导率相差不大, 说明温度对脱盐效果的影响不大。因为当温度升高时, 离子更加活跃, 有利于离子向电极扩散, 但同时离子也易于从电极表面脱离重回溶液中, 两种作用相互抵消, 导致温度对出水电导率的影响不明显。
2.4 Na Cl质量浓度对出水电导率的影响
在外加电压为60 V、反应温度为25℃、废水流速为36 m/s的条件下, Na Cl质量浓度对出水电导率的影响见图5。由图5可见:在相同反应时间条件下, 进水Na Cl质量浓度越低, 出水电导率越低, 即出水Na Cl质量浓度越低;随反应时间的延长, 出水电导率先降低后升高, 当反应时间为30 min时电导率最低。
废水经多级电容吸附除盐法处理后会达到更好的除盐效果。在Na Cl质量浓度为80 mg/L、外加电压为60 V、反应温度为25℃、废水流速为36 m/s的条件下, 一级处理和二级处理的除盐效果比较见图6。由图6可见:二级处理的除盐效果明显优于一级处理;相同反应时间内, 二级处理后的出水电导率更低;当反应时间为30 min时, 一级处理和二级处理的出水电导率分别为82.4μS/cm和33.8μS/cm。一级处理和二级处理的出水Na Cl质量浓度分别为39 mg/L和16 mg/L, Na Cl去除率分别为51.3%和80.0%。因此对于处理水量较大的废水时可采用多级装置连续运行。
3 结论
a) 通过对电极进行绝缘处理, 采用高电压电容吸附法处理含盐废水。外加电压的增大有利于除盐效率的提高;外加电压为60 V时, Na Cl去除率可达90.0%以上。
b) 增大废水流速对吸附效果不利, 反应温度对处理效果影响不大。
c) 采用多级电容吸附除盐法处理废水会达到更好的除盐效果。在Na Cl质量浓度为80 mg/L、外加电压为60 V、反应温度为25℃、废水流速为36m/s、反应时间为30 min的条件下, 经一级处理和二级处理后出水的Na Cl质量浓度分别为39 mg/L和16 mg/L, Na Cl去除率分别为51.3%和80.0%。
参考文献
[1]晁雷, 邵雪, 胡成, 等.高盐废水处理工艺技术研究进展[J].安徽农业科学, 2011, 39 (31) :19387-19389, 10404.
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跨步电压法 篇5
电压质量问题是农村配电网面临的挑战之一,有的地方电压始终偏低,有的地方电压始终偏高,还有的地方有时电压高(后半夜)有时电压低(白天)[1]。对于电压始终偏低和电压始终偏高的供电区域,往往只需恰当调整配电变压器分接头就可以比较满意地解决电压偏差问题,但是一般不能解决电压波动和电压闪变问题。对于有时电压高有时电压低的供电区域,调整变压器分接头不能解决电压质量问题。
目前在配电网电压治理方面已经取得了大量研究成果:文献[2]论述了1种在配电线路串入可调电容稳定负荷侧电压的方法。文献[3]从全寿命周期管理的角度研究了主线换径、无功补偿及调整变压器分接头等措施的规划问题。文献[4]建议了1种采用变电站、线路、配变电压3级联调提高电压质量和降低网损的方法。文献[5]探讨了中低配网无功补偿及其在配电网中应用时可能造成的过补偿和谐波问题。文献[6]论述了1种通过配电网重构改善电压质量的方法。近年来,有关利用分布式电源[7]、电力电子装备[8]、储能设备[9]等解决农村配电网电压质量问题的研究也比较活跃。
储能措施和电力电子设备的建设费用及运行维护费用高,而且会增大损耗,不适合在农村配电网使用;分布式电源对于电压质量有一定影响,但是它不适于仅仅作为电压支持手段而建设;并联电容器是1种较高的技术手段,但是如果需要动态投切则费用较高,且增加运行维护的费用及复杂程度;网络重构也有助于解决电压偏差问题,但是需要安装配电终端和建设通信网络。
减少负荷与母线间馈线段的阻抗以缩短其电气距离的方法,能够从根本上降低电压降,从而有效改善负荷的电压质量。相比其他解决措施,这类方法不需要控制手段,而利用改造后的馈线的自然适应性就能达到目的,因此比较简单[10]。本文即探讨这种解决方案。
1 基本原理
设1条长度为L的馈线首端电压为U1,末端电压为U2,馈线的电阻率为ρ,电抗率为x,则有:
式中:为馈线流过的电流。
式中:φ为功率因数角。
图1为馈线电压相量图。由图1可知:
对于配电馈线而言,由于功率传输过程中U2+ΔU>>δU,故引起的电压相移α较小[11]。可见δU对电压降的幅值的影响很小。
因此有:
则电压降百分比为:
式中:Un为馈线的标称电压。
由式(8)可知,ρ,x和L是产生电压降的根源,也是电压偏差、电压波动和电压闪变的根源,降低ρ,x和L,可以有效解决电压质量问题。
增大架空线导线的截面积能够降低ρ,但是对x的改变并不明显,因此增大导线截面积的措施仅针对截面积较小的导线时效果较好。当导线截面积增大到一定程度后,ρ/x已经较小,馈线的阻抗主要取决于x,再继续增大导线截面积,对电压降落的改善效果较小。
例如,当功率因数取0.9,由式(8)可得不同线路长度下,各种截面积的钢芯铝绞线LGJ架空线每1 MVA负荷产生的电压降百分比与导线截面积的关系曲线,见图2。各种截面积的LGJ架空线和JKYJ架空铜芯电缆的参数如表1所示[12]。
由图2可以看出,随着导线截面积的增大,对电压降的改善作用越来越弱。
缩小架空导线相间距离虽然可以减少x,但是不适合已有线路,而对于新建线路具有一定的可行性。
U1和U2的关系可表达为:
当有功功率P较小(如后半夜轻载)、无功功率Q较大(如固定补偿电容器容量过剩)时,有可能会出现馈线末端电压偏高现象,其原因在于|Q|x与Pρ的差。将架空馈线的一部分改造成3芯电缆,可以极大地缩小导线相间距离并有效减少x,采用较大截面的铜导体又能有效减少ρ,且由表1可见改造时x的减小幅度大于ρ,从而降低|Q|x与Pρ的差抑制电压越上限,既能解决电压偏高问题也能解决电压偏低问题,达到治理电压偏差、电压波动和电压闪变等电压质量问题的目的。
当功率因数取0.9,由式(8)可得部分截面积的架空导线和3芯铜芯电缆的每1 MVA负荷产生的电压降百分数与线路长度L的关系,见图3所示。
由图3可知横截面积为95 mm2的3芯铜芯电缆JKYJ-95在相同距离上的电压损耗已经小于横截面积为240 mm2的架空线LGJ-240。
替换一部分架空线的3芯电缆可以在原有配电线杆上架空敷设,由于越接近母线的馈线段上流过的电流往往越大,因此一般可以选择将靠近母线的馈线段更换为3芯电缆。采用3芯电缆后还可以显著改善受树木侵害区域的可靠性,因此也可以选择将容易受到树木侵害的架空馈线段更换为3芯电缆。
2 敷设架空电缆的应力校验
敷设电缆时,如果需要专门挖沟或对原架空线杆进行更换或加强,则代价较高也非常不方便。本节通过对原架空线杆应力的校验,论证利用原有配电线杆架空敷设架空电缆的可行性。
在配电线路中一般不需要验算断线应力,而且由于10 kV配电线路中档距较小(城市为40～50 m,城郊及农村为60～100 m),电杆一般都能满足垂直荷载的要求[13]。故对于直线杆来说,只需要验证在最大风速时,采用架空电缆代替架空线后电杆所承受的弯矩是否超过其允许承载力弯矩。对于转角杆、耐张杆还需要验证原有拉线是否满足要求。
导线、杆塔的风荷载W可采用式(10)计算[13]:
式中:C为风载体型系数,环形截面钢筋混凝土杆为0.6,矩形截面钢筋混凝土杆为1.4,直径小于17 mm导线为1.2,直径大于等于17 mm导线为1.1,导线覆冰,不论直径大小均为1.2;F为电杆杆身侧面的投影面积或导线直径与水平档距的乘积;V为设计风速。
图4为电杆的受力结构图,电杆所承受的合成弯矩M可采用式(11)计算[14]:
式中:W1为上导线风荷载;W2和W3为下导线风荷载;h1和h2分别为上下导线距地面高度;h3为地面以上电杆的重心高度(一般可取地面以上电杆高度的一半)。
一般可以考虑将架空电缆敷设在上导线位置,则由式(10)和式(11)可以计算出在最大风速(一般可取25 m/s)时,电杆所承受的合成弯矩。例如图5所示为杆长10 m,梢径190 mm的电杆顶端敷设各种截面的架空电缆时所承受的合成弯矩与档距l的关系曲线。
根据GB/T4623—2006《环形混凝土电杆》[15],校验中可取承载力综合系数β=2,即须满足:
电杆才能满足要求,其中Mk为GB/T4623—2006《环形混凝土电杆》[15]中规定的电杆开裂检验弯矩,见表2。
由图5和表2可见,在档距为40～100 m时,原有电杆采用杆长10m,梢径190 mm电杆时,线路改造后电杆所承受的合成弯矩都在电杆的承受范围之内。对其他杆长的分析结果也得出同样的结论,即3芯JKYJ电缆可以直接在原有电杆上进行敷设。
对于带拉线的转角杆,敷设架空线时拉线所承受的拉力F1为[14]:
式中:δ为拉线与线杆的夹角(一般取45°);h5为拉线点到地面的距离;Th1和Th2分别为上下导线拉力的合力,可采用式(14)计算[14]。
式中:Tal为导线最大允许拉力;γ为线路转角。
由于相同截面的3芯JKYJ电缆和LGJ架空线的最大允许拉力相差很小[16],且在进行线路改造时只需要在上导线位置或者下导线位置挂载电缆即可,则换电缆时拉线所承受的拉力F2为:
或
对比式(13)和式(15),式(16)可知,在导线横截面相同时:
即原有拉线都可以满足要求。
对于导线横截面积不同时,须根据计算得出的拉线所承受拉力查询手册更换合适的拉线。
对于耐张杆而言,需要考虑水平风荷载及临档导线拉力差引起的水平纵向荷载[14]。假定电杆两侧电线最大允许拉力分别为T1和T2,且T1>T2。则导线拉力T1-2为
断线时最大拉力可采用式(18)计算[14]:
比较T1-2和T的大小,可取其大者计算拉线所承受的拉力F,其余计算同转角杆,根据计算结果选取合适拉线。在进行架空电缆替代架空线改造时,当电杆两侧线型相同时,由于相同截面积的3芯JKYJ电缆和LGJ架空线的断线拉力相差很小[16],则不需要更换拉线。当两侧线型不同时,则在必要时需根据计算更换合适的拉线。
3 算例分析
为了验证在近母线馈线段上采用架空型3芯铜芯电缆代替部分架空线可以取得较好的电压治理效果,本文采用了图6所示典型的10 kV馈线系统作为算例,其中节点1代表10 kV母线,各支路的距离参数和导线型号见表3。
各节点的负荷见表4,其中最大负荷反映农村配电网白天负荷高峰的情形,最小负荷反映后半夜负荷低谷期的情形,馈线上采取中压固定电容器补偿方式以提高负荷峰期的功率因数,其中12,14,16为补偿节点。
表5和表6分别为计算得到的最大、最小负荷时各个节点的电压分布。
从表5和表6可以看出:改造前,最大负荷时部分节点电压偏低,最小负荷时由于无功过剩导致部分节点电压偏高。在负荷高峰期即使全部改造成LGJ-240架空线,9,15,16节点依然存在电压偏低的问题；而在负荷低谷期,全部改造成LGJ-240架空线对改善电压偏高的作用并不明显。当把近母线的1-2,2-3段馈线改造为JKYJ-240电缆,3-4段馈线改造为JKYJ-185电缆,其他馈线不做任何改动时,既解决了电压偏低又解决了电压偏高问题。电压偏高和电压偏低本质上都是由于馈线段的电压降引起的,只是该电压降的符号不同而已,电缆替代架空线后,馈线段的p和x都显著降低,因此电压降的幅值显著降低,则无论电压偏高还是电压偏低都能解决,算例分析结果验证了这个效果。
假设原馈线采用了杆长10 m,梢径190 mm的F级环形混凝土电杆,最大档距没有超过100m。电杆承载力检验弯矩2Mk为36.22 kN,由图5可知更换JKYJ-240电缆、JKYJ-185电缆后电杆在档距为100m时需承受的弯矩分别为25.17 kN和23.32 kN,小于电杆承载力检验弯矩并留有一定裕度。故可直接在原有电杆上进行敷设。
通过式(13)和式(15)验算,在1-2,2-3和3-4馈线段,原线型分别为3相LGJ-185,LGJ-185和LGJ-150,其拉线所承受的拉力仍大于线型分别为JKYJ-240电缆、JKYJ-240电缆和JKYJ-185电缆时的拉线所承受的拉力,故所有馈线段的转角杆、耐张杆原有拉线均可满足要求。
上述对比分析结果验证了部分架空电缆替代架空线改造解决电压质量问题的可行性。
4 结语
跨步电压法 篇6
关键词：光伏电池,最大功率点跟踪,改进型恒定电压法
所谓光伏, 是指通过太阳能电池为媒介, 将太阳光转化为电能的过程。随着全球工业化的进程, 煤炭、石油等常规能源的频频告急。目前以化石能源为主体的能源结构, 对人类环境的破坏日益加剧, 它是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。能源问题将严重制约人类工业和经济的发展, 面对全球范围内的能源危机和环境压力, 人们渴望用可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。从长远看, 太阳能是资源最丰富的可再生能源, 它分布广泛、可再生、不污染环境, 是国际公认的理想替代能源[1,2]。
然而, 由于材料特性上的限制、所采用的制造工艺以及光伏电池的结构设计等因素造成光伏电池的光电转换效率低下, 且光伏电池的输出功率随着温度、光照强度的变化而变化。在一定的电池温度和光照强度下, 光伏电池可以工作在不同的输出电压, 但只有工作在某一输出电压时, 光伏电池的输出功率才能达到最大值, 该工作点称之为最大功率点 (maximum power point, MPP) 。所以, 为了充分利用光伏电池方阵的效能, 有必要采取措施实现光伏电池方阵输出功率的最大化, 最常用的方法是最大功率点跟踪法 (maximum power point tracking, MPPT) 。
根据光伏电池非线性输出特性, 且其输出功率受电池温度、光照强度等因素的影响。本文先从光伏电池的输出特性出发, 分析了传统的恒定电压法的优缺点, 针对传统的恒定电压法中忽略了温度对光伏电池输出特性的影响的缺点, 本文结合单片机技术介绍了一种改进型恒定电压法, 更好的跟踪光伏阵列的最大功率点。
1、光伏电池的输出特性
根据电子学理论, 硅型光伏电池的等效电路可以用一个直流电流源并联一个二极管电路来表示 (如图1所示) 。
图1中, Iph为光生电流, ID为暗电流, Rsh为旁路电阻, Rs为串联电阻, Rs和Rsh均为电池的内阻, 在理想光伏电池中Rs→0, Rsh→∞, 所以在进行理想的电路计算时, 它们可以忽略不计;RL为光伏电池的外负载电阻;UOC为电池的开路电压, 在标准条件 (STC) 下光伏电池输出两端开路 (RL→∞) 时所测得的输出电压值, 其值与入射光辐照度的对数成正比, 与温度成反比。通过对光伏电池的等效电路进行分析, 以及根据二极管的P-N结的V-I, 可列出光伏电池的数学模型[3]:
其中, Io为光伏电池内部等效二极管的P-N结反向饱和电流, 一般是常数, 不会受光照强度的影响;UD为等效二极管的端电压;q为电子电荷, 1.6×10-19C;k为波尔兹曼常量, 0.86×10-4e V/K;T为绝对温度;A为P-N结的曲线常数;Isc为电池的短路电流, 根据式 (1) 、式 (2) 可得光伏电池的输出特性曲线如图2所示。
由图2可知, 光伏电池的P-U曲线具有明显的非线性特征且该曲线为单峰曲线, 图2中的M点为最大功率点。当输出电压为Vmp时, 光伏系统的输出功率Pmp最大。为了更好的利用光伏电池效能, 使光伏阵列的工作点保持在最大功率点是很有必要的。然而光伏电池的输出性能受电池温度等因素的影响很大, 导致光伏阵列的最大功率点不确定[3]。如图3所示:
为此, 光伏阵列有必要实时调整光伏电池的工作点, 使之始终工作在最大功率点附近, 这一控制过程就称之为最大功率点跟踪。
2、恒定电压法分析及改进
由图3 (b) 可知, 在电池温度一定的情况下, 光伏电池的开路电压基本保持恒定, 当光照强度变化时, 诸曲线的最大功率点几乎都分布在一条垂直线上[1], 这说明光伏阵列的最大功率点大致对应于某一恒定电压 (对大多数光伏电池来说, 最大功率点处的电压值大约位于0.71~0.78Uoc) [4]。恒定电压法仅需从光伏阵列说明书获取Uoc数据, 并使阵列的输出电压固定在0.71~0.78Uoc之间的某一值, 一般为0.75 Uoc, 这就构成了光伏系统恒定电压法的MPPT控制。采用恒定电压法的输出功率较之直接耦合的工作方式高, 对于一般的光伏阵列可望获得多至20%的电能[5]。该控制方法简单且易于实现, 费用低, 系统工作电压具有较好的稳定性。但跟踪精度较差, 忽略了温度对光伏电池开路电压的影响:如图3 (a) 所示, 当温度升高时最大功率点处的电压值相应地降低, 其开路电压降低率约为-0.003 mv/℃[3]。为了减少温度变化所造成的跟踪精度偏差, 提高光伏阵列的输出功率, 本文介绍一种改进型恒定电压法。加入一个单片机温度采集模块 (如图4) 用于获取即时温度值[6,7]。
该模块以AT89S52单片机为核心集成DS18B20数字温度传感器, 可以高精确度的实现温度检测、采集。根据光照强度、温度对光伏电池特性的影响, 得出开路电压与温度变化的关系式以及最大功率点电压与开路电压的关系式如下式[3]:
光伏阵列说明书中开路电压Uoc的值是在标准条件下 (T=25℃) 的参数值, 当温度发生变化, Uoc也跟着发生变化。代入单片机温度采集模块获取到的即时温度值、标准条件下的开路电压值等参数, 通过式 (3) 可计算出即时开路电压。再把该即时开路电压值、即时温度值代入式 (4) 可计算出某一确定温度下的最大功率点电压。将该电压值反馈给MPPT控制模块作为当前工作电压, 每间隔一定时间反馈一次, 使工作电压实时保持在最佳工作点上。
3、数值仿真结果与讨论
为了验证改进后的效果, 根据光伏电池的数学模型, 利用Matlab/Simulink建立仿真模型, 将光伏电池仿真模型封装接入系统函数模块, 在系统函数中写入程序。比较传统型恒定电压法与本文提出的改进型MMPT法这二种方法的最大功率跟踪效果如图5所示:
图5传统型恒定电压法与改进型MMPT法的跟踪效果
分析仿真结果可知, 改进型MMPT法在较小于时间之内找到了最大功率点, 在最大功率点附近有较好的稳定性, 避免在最大功率点附近好较大的振动而造成的功率损失。因此, 改进型三点重心比较法在跟踪精度和跟踪速度方面有较好的改善。
4、结语
光伏发电系统中的MPPT技术是高效利用太阳能、实现最优输出的一项关键技术。为了克服传统型恒定电压法忽略温度因素的缺点, 本文介绍了一种改进型恒定电压法, 结合单片机技术。该方法改善了最大功率点的跟踪精度, 提高了光伏阵列的输出效能。对于光伏系统的最大功率点跟踪技术的研究具有参考性意义。
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跨步电压法 篇7
关键词：配网,电缆,振荡波,局部放电
0 引言
振荡波电压法检测系统OWTS(Oscillating Wave Test System),是近几年尝试使用并替代交流耐压方法的一种新兴试验技术[1,2,3]。广州电网近期引进了10 k V振荡波电压电缆局部放电检测与定位系统,专门用来解决当前10 k V电缆的绝缘状态诊断问题。本文介绍了振荡波电压法的基本原理和主要部件构成,并通过在一条退运短电缆上人工设置若干常见绝缘缺陷,对该系统的检测效果进行了初步分析,以期为今后振荡波电压法检测技术在广州电网及其他地区的使用提供一定参考。
1 基本原理和部件构成
1.1 试验原理
振荡波电压试验方法的基本思路是利用电缆等值电容与电感线圈的串联谐振原理,使振荡电压在多次极性变换过程中电缆缺陷处会激发出局部放电信号,通过高频耦合器测量该信号从而达到检测目的[4,5,6,7]。振荡波电压试验接线图如图1所示,整个试验回路分为2个部分:一是直流电源回路;二是电缆与电感充、放电过程,即振荡过程。这2个回路之间通过快速关断开关实现转换[8,9,10]。
检测过程中可以根据情况施加0~28 k V的直流预电压,合上半导体开关后,被试电缆与电感产生阻尼振荡。该装置可以检测的电缆电容范围为0.05~2μF。当被测电缆较短时,为将振荡频率保持在一定范围,需要在电缆上并联一个电容。
1.2 局部放电定位原理
振荡过程中,利用行波法对局放信号进行定位。测试一条长度为l的电缆,假设在距测试端x处发生局部放电(见图2,图中表示局部放电信号脉冲的起始位置,Q为放电信号幅值,Ck为高压电容,Zk为匹配阻抗),脉冲沿电缆向2个相反方向传播,其中一个脉冲经过时间t1到达测试端;另一个脉冲向测试对端传播,在电缆末端发生反射,之后再向测试端传播,经过时间t2到达测试端,如图2所示。根据2个脉冲到达测试端的时间差,可计算局部放电发生位置,即
其中,v为电缆中的波速。
脉冲反射法在10 k V电缆找故障中被广泛采用,所以这种方法很容易被操作人员掌握,非常方便现场推广使用。准确寻找入射波和反射波是提高局部放电定位准确性的关键。一般原则是入射波幅值大于反射波;入射波上升沿更加陡而反射波脉冲更宽[10,11]。
2 主要操作步骤
测试的主要步骤有:绝缘电阻测量;行波测距(确定电缆长度及接头位置);将OWTS按照说明书的要求接线;局部放电量校准;试验;结束试验;评估电缆状态。
为了获得一个合理的局部放电起始电压(PDIV)及局部放电水平(PD level),建议采取谨慎的加压方式。一些案例的统计结果为:对交联聚乙烯电缆,局部放电起始电压低于或高于运行电压分别约占29%、36%。与油纸绝缘型电缆相比,发现交联聚乙烯电缆缺陷需要更高的施加电压,甚至超过2UN(UN为电缆额定电压)。某些案例中实测结果也指出对于10 k V交联聚乙烯电缆的交接试验,振荡波电压可加至2UN;对于10 k V交联聚乙烯电缆的预防性试验考核,振荡波电压可以加至1.7 UN。振荡电压从0.1 UN开始施加,升压间隔可取(0.1~0.5)UN。当进行交接试验后,需要将振荡电压调至运行电压UN下,以确认经过试验后的电缆绝缘性能未受到影响。
整个试验操作较简单,关键是如何分析采集到的数据。制定试验方案是进行各种特殊高压试验的基本要求,其中应包含各项安全措施和试验结果预想2个基本内容。为使后续工作尽可能有效,局部放电相关特征量的分析应尽可能丰富以利于状态评估。
3 模拟试验
3.1 试品参数与检测回路
电缆型号为YJV-3×70 mm2-8.7/15 k V,长度351 m;实测电容值0.217μF,为退运电缆,运行时间不详。检测回路示意图如图3所示。
距离测试端242 m左右有一个中间接头,分别在三相设置不同类型的缺陷。其中,A相设置的缺陷是接头错用绝缘胶带;B相设置的缺陷是压接管表面有毛刺、飞边;C相设置的缺陷是接头主绝缘表面有盐水。
3.2 试验结果
3.2.1 接头错用绝缘胶带
对A相从0.1UN开始施加电压,在UN和1.7 UN时重复施加多次,保存。图4(a)为18 k V时一组典型的局部放电图谱,局部放电幅值QPD明显且重复较强。图4(b)为经过行波定位分析得出的局部放电定位图谱(l为被测电缆长度),结果表明与初始设计的缺陷位置吻合,但在测试端也出现集中性局部放电。
3.2.2 压接管表面有毛刺、飞边
对B相从0.1UN开始施加电压,在UN和1.7 UN时重复施加多次,保存。图5(a)为27 k V时一组典型的局部放电图谱,图中结果表明局部放电幅值很小,主要表现背景干扰噪声。图5(b)为经过行波定位分析得出的局部放电定位图谱,结果表明在测试端有集中性放电,而实际未在该位置设置缺陷。而在缺陷设置处,局部放电定位结果表明此处的局部放电强度较小且不集中。
3.2.3 接头主绝缘表面有盐水
对C相从0.1UN开始施加电压,在UN和1.7UN时重复施加多次,保存。图6(a)中为24 k V时一组典型的局部放电图谱,图中结果表明局部放电幅值很小,主要表现为在首个振荡周期内局部放电幅值较高且集中,但此后若干振荡周期内主要表现为背景干扰噪声。图6(b)为经过行波定位分析得出的局部放电定位图谱,结果表明在测试端有集中性放电,而实际未在该位置设置缺陷。而在缺陷设置处,局部放电定位结果表明此处的局部放电强度较小且不集中。
3.3 分析与讨论
通过利用振荡波电压法检测人工设置3种在施工过程中常见的缺陷,结果表明:对于设置的缺陷,振荡波电压法对某些类型的缺陷如错用绝缘胶带等效果十分明显,而对其他一些缺陷如压接管表面存在毛刺等效果则有待进一步研究。这种情况与实际情况一致,因为某些引入的缺陷需要经过一定时间的发展才能激发局部放电。
从模拟试验结果来看,用振荡波电压法进行电缆入网前或投运前的考核有其优点,但是否能替代耐压试验方法则有待进一步实践。
从模拟试验结果可以看到,3种缺陷条件下的测试均在测试端发现了集中性局部放电,而实际未在该位置进行缺陷布置。后经过寻找原因发现是由于高压线夹处在一定电压下激发了表面放电,从而引入到测试过程中影响了对真实局部放电位置的判断。建议采取其他辅助检测手段如开关柜局部放电检测技术或对高压线夹进行防电晕处理以覆盖整个检测范围。
在对采集到的数据进行分析时,发现利用振荡波检测系统提供的自动分析局部放电定位功能效果并不十分理想,有可能出现误定位的情况。建议利用手动分析对局部放电波形进行逐个定位以提高准确度,2种结果的对比如图7(a)(b)所示。
4 结论
a.基于振荡波电压法检测技术对一条退运10 k V交联聚乙烯短电缆,通过人工设置各种模拟缺陷,对该系统的检测效果进行了初步分析,得出振荡波电压法对某些类型的缺陷如错用绝缘胶带等效果十分明显,而对其他一些缺陷如压接管表面存在毛刺等效果有待进一步研究。
b.研究也表明电缆终端缺陷的检测可能会由于高压线夹表面放电引入干扰受到影响,建议采取其他辅助检测手段如开关柜局部放电检测技术或对高压线夹进行防电晕处理以提高全范围检测效果。
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跨步电压法 篇8
关键词：预防控制,暂态电压安全,最优潮流,轨迹灵敏度,电力系统
0 引言
近年来, 电力系统暂态电压失稳和暂态电压延时恢复等不安全事故日益增多[1,2,3,4]。由于系统故障引起了系统中负荷母线的电压跌落, 负荷中的感应电动机在电压下降条件下吸收的有功先减小后不断地恢复, 其吸收的无功不断增大;感应电动机在其端电压低于某限定值下会发生堵转并从电网吸收大量的无功, 这些快速动态特性造成了系统中一些母线出现暂态电压延时恢复, 甚至快速的暂态电压失稳。特别是在天气炎热条件下, 系统中含有大量容易堵转的低转动惯量电动机的负荷, 如空调、冰箱等, 此时系统更容易发生暂态电压不安全事故[1,2,3,4,5]。
暂态电压安全预防控制是通过改变系统当前运行点, 使系统在出现暂态电压不安全的故障后, 仍能够保持暂态电压安全。虽然预防控制的代价较低, 但不管故障是否发生, 它都会付出代价, 因而一般是针对一些发生概率较大的故障进行控制[6,7]。暂态电压安全预防控制优化可通过暂态电压安全约束最优潮流 (transient voltage security constrained optimal power flow, TVSC-OPF) 模型进行求解。文献[8]通过调整发电机有功和无功出力以使暂态过程中的母线电压轨迹符合安全要求, 但没有考虑对系统暂态电压安全有很大影响的负荷动态特性。文献[9]建立了暂态电压安全预防控制优化的数学模型, 通过调整各节点的无功注入来提高系统暂态电压安全性, 但没有考虑发电机有功输出调整、有载调压变压器分接头调整等控制手段对提高系统暂态电压安全性的作用。
轨迹灵敏度分析通过将系统数学模型在系统轨迹的各个点上进行线性化, 能够直接确定系统初始条件和参数发生微小变化时系统轨迹的变化[10]。轨迹灵敏度法是以时域仿真法得到的系统轨迹为基础进行计算的, 能够方便地应用于微分代数方程组 (differential and algebraic equations, DAE) 描述的电力系统, 因此, 与暂态稳定分析的直接法相比, 其在系统元件模型的适应性上有着明显的优势。轨迹灵敏度法已广泛应用于电力系统暂态功角稳定分析、暂态功角稳定预防控制等领域[11,12,13,14]。而将轨迹灵敏度分析方法应用于暂态电压安全控制中, 通过实施控制来改变系统的初始条件或参数, 即可使系统故障后的轨迹符合暂态电压安全的要求。
本文建立电力系统暂态电压安全分析的DAE模型, 并提出求解其预防控制优化问题的TVSC-OPF模型。基于轨迹灵敏度方法, 将暂态电压安全约束转化为关于控制变量的线性不等式约束, 从而将优化控制模型转化为非线性规划 (nonlinear programming, NLP) 模型。并采用内嵌二次罚函数处理离散变量的非线性原对偶内点法求得NLP模型的近似最优解。
1 暂态电压安全分析的数学模型
用于电力系统暂态电压安全分析的DAE模型如下所示:
式中:x为系统状态变量;y为母线电压;u为控制变量。
式 (1) 为描述系统各元件动态的微分方程, 包括对暂态电压安全影响很大的发电机及其励磁系统的动态和负荷的动态。其中, 发电机采用3阶实用模型[15], 负荷采用文献[15]中的3阶机电暂态感应电动机并联恒阻抗模型, 励磁系统采用文献[16]中的模型, 具体表达式见附录A。
式 (2) 为描述网络各个节点电压、电流关系的代数方程, 具体表达式见附录A。
2 轨迹灵敏度分析
将系统DAE模型 (式 (1) 和式 (2) ) 等号两边对控制变量求导, 得到灵敏度的轨迹方程如下:
式中:xu和yu分别为状态变量和母线电压 (代数变量) 对控制变量的轨迹灵敏度矩阵;偏导数矩阵∂f/∂x, ∂f/∂y, ∂f/∂u, ∂g/∂x, ∂g/∂y, ∂g/∂u为可由系统轨迹计算得到的时变矩阵。
对于轨迹灵敏度的计算, 预防控制的实施相当于改变了系统的初始运行点, 首先由潮流方程可求得母线电压对控制变量的灵敏度初值;再由系统DAE模型的稳态方程求得状态变量对控制变量的灵敏度初值和导出参数对控制变量的灵敏度;进而采用数值积分法求解灵敏度的轨迹方程 (式 (3) 和式 (4) ) , 就可计算后面各个时刻系统状态变量和母线电压对控制变量的轨迹灵敏度。
轨迹灵敏度可用于建立暂态电压安全约束函数与控制变量之间的近似线性增量关系, 由控制变量变化Δu引起的某一时刻t状态变量变化量Δx (t) 和母线电压变化量ΔV (t) 就可近似为:
3 暂态电压安全预防控制优化模型和算法
3.1 暂态电压安全约束及基于轨迹灵敏度线性化
在暂态电压安全预防控制优化模型中, 暂态电压安全约束包括防止故障后系统发生暂态电压失稳和暂态电压延时恢复2个方面。文献[17]指出暂态电压失稳的判据为:如果感应电动机在其节点电压达到最小值时仍然加速, 则认为转差率在这之后将继续减小, 感应电动机保持稳定;如果感应电动机在其节点电压达到最大值时仍然减速, 则认为转差率在这之后将继续增大, 感应电动机失去稳定。因此, 保证暂态电压稳定的约束可写为:在负荷母线电压达到最大值时, 保持负荷中感应电动机加速, 即保持感应电动机的电磁转矩大于机械转矩, 并且留有一定的裕度, 使得在负荷母线电压达到最小值时电动机能够继续加速, 可表示为:
式中:Pelf和Pmlf分别为故障f的主导负荷母线l处感应电动机的电磁转矩和机械转矩;tvm为主导负荷母线电压达到最大值对应的时间;可取ε1=0.1 (标幺值) , 主导负荷母线的物理意义见文献[18]。
防止暂态电压延时恢复就是保证暂态电压跌落可接受[17], 按中国目前标准是保持故障清除后1 s时负荷母线电压恢复到0.75 (标幺值) 以上[19], 可表示为:
式中:Vlf为故障f的主导负荷母线l的电压幅值;tc为故障清除时间;tlim=1 s;Vlim=0.75 (标幺值) ;可取ε2为0.01～0.02 (标幺值) 。
由于轨迹灵敏度是对系统轨迹与控制变量之间关系的一种线性近似, 所以采用轨迹灵敏度处理暂态电压安全约束后得到的优化问题的解有可能还不满足原来的暂态电压安全约束, 但此解已离满足原来的暂态电压安全约束比较接近, 所以, 可在此解基础上再进行轨迹灵敏度计算并再次求解优化问题, 则得到的解会更接近满足或者已经满足原来的暂态电压安全约束, 这相当于在优化问题的外部再增加一层迭代, 以保证可靠地得到满足原来的暂态电压安全约束的解。通过轨迹灵敏度计算, 暂态电压安全约束 (式 (7) 和式 (8) ) 转化为:
t=tvm (uk-uk-1) ≥ε1 (9)
式中:
3.2 预防控制优化模型和算法
将暂态电压安全约束转化为关于控制变量的线性不等式约束后, 暂态电压安全预防控制优化可表示为如下TVSC-OPF模型:
s.t. G (uk, y0, k) =0 (12)
(16)
t=tc+tlimuk-1 (17)
式中:f=1, 2, …, F, f∈Af;Af为预想故障集;F为其故障总数;c (·) 为系统运行费用;G (·) 为故障前系统潮流方程;
对每一个故障需写2个暂态电压安全约束 (式 (16) 、式 (17) ) 。这是一个NLP模型, 可采用非线性原对偶内点法进行求解。通过引入松弛变量将不等式约束转化为等式约束, 再引入对数壁垒函数消去松弛变量的非负性约束, 并采用二次罚函数处理变压器变比和并联电容器组电纳等离散控制变量[20], 则得到Lagrange函数如下:
式中:S (·) 为暂态电压安全约束 (式 (16) 和式 (17) ) ;H (·) 为其他的不等式约束 (式 (13) 和式 (15) ) , 共有m个;yl, zl, wl, zv为Lagrange乘子向量, 且wl≤0, zl≥0, zv≥0;μ为壁垒参数, 且μ≥0;Ktj和Ktjb分别为有载调压变压器j变比及其邻域中心;Bcj和Bcjb分别为并联电容器组j电纳及其邻域中心;vkj和vcj分别为离散变量Ktj和Bcj的罚因子;p和q分别为有载调压变压器总数和可调并联电容器组总数。
根据Karush-Kuhn-Tucker (KKT) 最优性条件, 并采用牛顿法迭代求解最优性条件对应的代数方程组, 即可得到优化模型的解uk。因此, 多故障暂态电压安全预防控制优化的求解流程可用图1描述。
4 算例分析
算例采用IEEE 39节点系统 (见附录B图B1) , 系统容量基准为100 MVA, 系统线路和变压器参数见文献[21]。变压器11-12、13-12、20-19设置为有载调压变压器, 母线5和13安装有可投切并联电容器组, 控制参数见附录B表B1;发电机有功出力上下限和费用函数取自MATPOWER数据[22], 见附录B表B2, 表中还列出无功出力的上下限, 支路的最大传输功率都为50 (标幺值) , 母线电压上下限分别为1.06和0.94。暂态电压安全约束中取ε1=0.1, ε2=0.02;内点法优化的收敛判据为补偿间隙小于10-6同时最大潮流偏差小于10-3。发电机参数见附录B表B3, 其励磁调节系统参数都为:TE=0.02 s, KA=15。除发电机端的负荷31和39采用静态恒阻抗模型外, 其他各负荷都采用3阶感应电动机并联恒阻抗动态模型, 模型参数都采用附录B表B4中的值。系统初始运行方式在文献[21]初始方式的基础上增加负荷12的有功功率至70 MW, 考虑如下3个故障情况。
故障1:线路4-14距离母线4侧1%位置发生三相短路接地故障, 经过0.20 s后切除线路;
故障2:线路5-8距离母线8侧1%位置发生三相短路接地故障, 经过0.22 s后切除线路;
故障3:线路10-13距离母线13侧1%位置发生三相短路接地故障, 经过0.20 s后切除线路。
由于故障1的短路点位置与母线4的距离远小于其与其他负荷母线的距离, 因而在故障1发生后母线4最先出现暂态电压不安全, 故母线4为故障1的主导负荷母线;同样, 由短路点位置可知, 母线8为故障2的主导负荷母线, 母线12为故障3的主导负荷母线。各个故障下主导负荷母线电压如图2～图4所示。由图2～图4可以看到, 故障1造成母线4发生暂态电压失稳, 故障2造成母线8发生暂态电压失稳, 而故障3造成母线12发生暂态电压延时恢复, 故障清除后1.0 s电压只恢复到0.725 8。
通过求解含单个故障约束的TVSC-OPF模型, 分别得到这3个故障各自约束下系统运行方式如表1所示。优化后运行方式在相应故障下主导负荷母线电压见图2～图4。由图2可见, 优化后运行方式发生故障1, 母线4不仅能够保持暂态电压稳定, 而且故障清除后1.0 s电压恢复到1.055 6;由图3可见, 优化后运行方式发生故障2, 母线8不仅能够保持暂态电压稳定, 而且故障清除后1.0 s电压恢复到1.075 7;由图4可见, 优化后运行方式发生故障3, 母线12电压在故障清除后1.0 s恢复到1.011 0。可见, 各个故障预防控制优化后运行方式在发生相应故障时, 系统都能保持暂态电压安全。
通过求解3个故障共同约束下的TVSC-OPF模型, 得到系统运行方式见表1。该运行方式在3个故障下各对应主导负荷母线电压见图5。可以看到, 该运行方式在这3个故障下都能够保持暂态电压稳定;并且, 发生故障1后, 母线4电压在故障清除后1.0 s恢复到1.093 7;发生故障2后, 母线8电压在故障清除后1.0 s恢复到1.060 6;发生故障3后, 母线12电压在故障清除后1.0 s恢复到1.005 6, 暂态电压跌落都可接受。因此, TVSC-OPF模型 (式 (11) ～式 (17) ) 能够协调系统中多个不同的故障, 得到同时满足多个故障的暂态电压安全要求的运行方式。
可见, 求解TVSC-OPF模型得到的运行方式既能消除系统的暂态电压失稳问题, 又能消除暂态电压延时恢复问题。与普通最优潮流 (OPF) 模型 (式 (11) ～式 (15) ) 得到的运行方式相比, 仅考虑故障3单个约束的TVSC-OPF模型得到的运行方式和该方式相同, 这是由于该方式能够满足故障3的暂态电压安全约束;而在其他情况下, TVSC-OPF模型得到的运行方式的费用都有所提升, 这是为满足相应故障下系统暂态电压安全要求而牺牲的经济代价。
由表1可以看出, 加入故障1和故障2的电压安全约束后, TVSC-OPF模型得到的运行方式中故障1和故障2附近发电机31, 32 (线路10-11、11-6、6-5、6-7的阻抗都比较小) 的无功出力增大, 较远处发电机37, 39 (线路39-9、8-9、2-3、3-4的阻抗都比较大) 的无功出力减小, 进而提高了主导负荷母线4和8的电压水平, 减小故障中大量无功功率从远方传输到负荷所造成的电压降落, 进而加快主导负荷母线的电压恢复。而故障3安全约束的TVSC-OPF模型得到的运行方式主要通过减小有载调压变压器11-12和13-12的变比 (非标准变比都在母线12侧) , 进而增大负荷12等效到网络侧的阻抗, 提高故障中变压器网络侧的电压, 加快主导负荷母线12的电压恢复。
5 结语
本文提出了电力系统暂态电压安全预防控制优化的TVSC-OPF模型, 并基于轨迹灵敏度法建立优化模型转化的NLP模型, 采用内嵌二次罚函数处理离散变量的非线性原对偶内点法求得TVSC-OPF模型的最优解。算例分析表明, 所提出的TVSC-OPF模型和算法能够协调系统中多个不同故障, 得到同时满足多个故障的暂态电压安全要求的运行方式;通过增大故障附近发电机的无功出力, 减小离故障较远处发电机的无功出力, 有利于故障后主导负荷母线的电压恢复。
轨迹灵敏度最早应用于暂态功角稳定的预防控制, 证明是有效的。与暂态功角稳定相比, 暂态电压安全预防控制的复杂性之一表现为变压器变比和电容器组电纳这些离散控制变量参与调控, 特别是有电容器组, 它们均是分级变化的, 因此, 采用系统轨迹对离散控制变量的灵敏度进行计算可能会造成偏大的控制量或偏小的控制量。如何对离散变量的轨迹灵敏度值进行一定的补偿以得到更加准确的优化控制量, 还有待展开进一步研究。