GB/T 15576-2008涌流试验影响因素分析及对策研究

信天，李洪亮，窦慧，王鑫，张超

（山东省产品质量检验研究院，济南 250102）

引言

涌流试验是GB/T 15576-2008《低压成套无功功率补偿装置》[1]标准中主要的型式试验之一，作为长期从事低压成套无功功率补偿装置产品检测认证工作的第三方检测实验室，在标准的实际使用过程中，检验人员发现依据GB/T 15576-2008标准进行涌流试验时，试验线路的短路容量、投切角度、电容残压等都会对涌流大小产生影响。诸如：试验线路容量直观反映了线路阻抗的大小，试验线路容量越小线路阻抗就越大，从而会引起较大的分压效果，使得电容器两端电压变小，继而降低了涌流值。在极端情况下，当短路容量很小时，如果线路串联有电抗器，电容器两端还可能由于过电压甚至无法正常工作；电容器的投切角度不同涌流也会有差异，投切开关两端电压较大时，一般投入涌流也较大。涌流还与补偿装置投入时电容器的残压值有关，当电容器的残压在电压负峰值时刻投入电容器，会产生很大的涌流。这些因素在不同情况下对涌流试验的影响大小不一，若不能确定相关检验要求和具体参数，涌流试验将没有复现性，检验机构之间的检测数据也将无法进行比较。因此，通过研究试验线路的短路容量、投切角度、电容残压等对涌流值的影响，进而规范统一各第三方检测机构涌流试验的检验要求和检测方法，实现相同的低压成套无功功率补偿装置类产品在开展检测认证工作时，不同检验机构的检测数据具有真正的可比性，从而有效评价行业产品质量的优劣，达到促进全行业质量提升的目的。

1 涌流试验国内外标准现状分析

目前在国际上，暂时还没有与国内GB/T 15576-2008《低压成套无功功率补偿装置》标准相对应的IEC或ISO国际标准，比较相近的标准为IEEE Std 1031TM-2011（Revision of IEEE Std 1031-2000）IEEE Guide for the Functional Specification of Transmission Static Var Compensators[2]，而标准中未提及涌流试验。在国内，则主要是研究该标准和IEC 61439-1[3]和IEC 60439-1[4]的对比差异[5-7]，集中在材料与部件的强度、工频耐受电压、温升等的研究，且均未提及涌流试验中试验线路短路容量、投切角度、电容残压等会对涌流大小产生影响。

1.1 国内标准中涌流试验规定的检验要求、检测方法

GB/T 15576-2008标准中7.13规定：涌流试验应检测投入最后一组电容器时电路中的涌流值。试验时，先将其余电容器全部通以额定电压，待它们工作稳定后再投入最后一组电容器，检测该最后一组电容器的涌流值。随机投入试验应不少于20次（或在峰值时投入，试验3次），如果最大涌流值不大于标准中6.10.4规定值，则此项试验通过。

JB/T 10695-2007《低压无功功率动态补偿装置》[8]标准中7.7规定：涌流试验只验证投入最后一组电容器时电路中的涌流值，即先将其余电容器全部接上额定电压，待它们工作稳定后再投入最后一组电容器，将分流器串接在最后一组电容器的电路中，通过示波器观察涌流值，如果装置中电容器投入瞬间所产生的涌流不大于该组电容器额定电流峰值的三倍，则本项试验通过。

GB/T 22582-2008（IEC61291:2003，MOD）《电力电容器 低压功率因数补偿装置》[9]标准中8.2.14规定：涌流试验只验证投入最后一组电容器组时电路中的涌流值，即先将其余电容器全部投入，待它们工作稳定后再投入最后一组。投入时应能控制使涌流值最大，试验3次；不能控制时，则随机试验30次。相邻两次试验时间间隔应大于切除-投入最小时间间隔。通过记录示波器测量各次试验中最后一组电容器组电路中的涌流值。装置内电容器组容量不相同时，最小容量的电容器最作为最后一组电容器组进行试验。

综上可见，各国内外标准中均没有明确指定涌流试验的具体检验要求[10-13]，为长期从事低压成套无功功率补偿装置产品检测认证工作的第三方检测实验室，我们在实际的大量检验过程中发现，涌流试验中试验线路的短路容量、投切角度、电容残压等都会对涌流大小产生影响。而且，标准中规定的峰值投入实际就是投切角度的选择问题。

1.2 国内标准中关于电容残压的要求

现行各标准中对电容器断电后，以及通电过程中，都有剩余电压的要求：

GB/T 15576-2008标准中6.9.8规定“装置的放电设施应保证电容器断电后，从额定电压峰值放电至50 V的时间不大于3 min”。标准中6.10.2规定“采用机电开关投入电容器时，应保证每一组电容器在自动投入过程中，其端子间的电压不高于电容器额定电压的10 %（例如：当电容器再次投入时有一定的延时时间）”。

JB/T 10695-2007标准中6.11.8规定“装置应有放电设施，放电设施应保证电容器断电后，从额定电压峰值放电至50 V，历时不大于1 min”。标准中6.12.2规定“在自动投切时，每一组电容器投入或切除，在设计上应保证有一定的时间延时，以保证电容器再次投切时，其端子间的电压不高于电容器额定电压的10 %”。

GB/T 22582-2008（IEC 61291:2003，MOD）标准中5.3.4规定“任一电容器组再次投入时，其线路端子上的剩余电压不超过电容器的额定电压的10 %”。标准中8.2.14规定“相邻两次试验时间间隔应大于切除-投入最小时间间隔”，“装置内电容器组容量不相同时，最小容量的电容器组作为最后一组电容器组进行试验”。

同样，标准中电容残压的规定，也可以看做是电容残压对涌流值的影响问题。

2 短路容量、投切角度、电容残压对涌流值的影响

文献[5]中的表1合闸涌流的计算公式表提供了国内外主流涌流计算方法。但是，其各方提供的计算方法相互之间差异很大，尤其是在多组电容器回路结构情况下。而在实际使用中，多组电容器情况下，合闸涌流的计算公式表[5]中提到的完全由容量相等的电容器组成的补偿装置是难以寻找的，基本都是存在不同规格的电容器组，以及三相补偿、单项补偿，甚至相间补偿等多种补偿形式并存[14-18]。并且，包括文献[5]在内的涌流计算公式的推导[5,6]，为了简化分析，一般都是基于线路中电阻较小的前提，从而忽略电阻的影响。而实际试验时，尤其是试验电源端，其电阻仍然较大，远远达不到可以忽略的情形[19，20]。由此，通过理论推导出一个确定的、精确的计算公式已变得不切实际，这甚至是一个无法解决的难题[21-23]。基于此，本文使用PSIM仿真软件搭建了一个涌流试验仿真系统，同时购买元器件组装了一台确定电阻、电感、电容的低压无功补偿装置样机，采用仿真+实际试验验证的模式，通过定量的方法，详细分析试验线路容量、投切角度、电容残压对涌流值的影响。

典型的涌流试验数学模型如图1所示。

其中：Us为试验系统电源；Rs为试验系统电源电阻，Ls为试验系统电源电感；R0为试验系统与补偿装置连接线电阻，L0为试验系统与补偿装置连接线电感；R1为补偿装置分支1电阻；L1为补偿装置分支1电感；C1为补偿装置分支1电容；R2为补偿装置分支2电阻；L2为补偿装置分支2电感；C2为补偿装置分支2电容；TRIAC1为选相合闸开关。

图1 涌流试验等效原理图

试验时，分支1电容投入运行，待工作稳定后，开关合闸，然后投入分支2电容，通过电流测量装置测量分支2电流的最大峰值，即为分支2的涌流值。其中分支1也可以等效认为是若干个分支的并联等效电路。

2.1 短路容量对涌流值的影响

参照图1涌流试验等效原理图，组装一台补偿装置样机，经实际测量样机参数，R0、L0、R1、L1、C1、R2、L2、C2的值见图1中所示。

PSIM下的仿真分析：

以补偿装置样机为参考，根据图1涌流试验等效原理，在PSIM里搭建涌流试验仿真环境。在固定投切角度、电容残压为零的前提下，仅考虑试验系统线路容量（短路电流大小），即试验系统短路阻抗、对涌流值的影响。设试验系统电源有效值为230 V。通过改变、大小，仿真1～30 kA短路电流下的涌流值如表1所示。

从表1的仿真数据可以明显看出，试验系统短路容量对涌流值存在较大影响，当短路容量越大，涌流值越大。

低压无功功率补偿装置样机的实际试验分析：

将前述搭建的补偿装置样机通电，仅考虑试验系统容量，即试验系统短路阻抗、对涌流值的影响。通过改变、大小来实际改变试验系统短路电流为1 kA、5 kA、10 kA、15 kA、20 kA、25 kA、30 kA的情况下，固定投切角度、电容残压为零时的涌流值如表2所示。

从表2的试验数据也可明显看出，试验系统短路容量对涌流值有较大影响，且其涌流值与短路电流对应规律和仿真结果具有明显的一致性。

2.2 投切角度对涌流值的影响

PSIM下的仿真分析：

同2.1节，在PSIM涌流试验仿真环境下，在固定试验系统短路容量、电容残压为零的情况下，通过改变TRIAC1的投切角度来验证投切角度对涌流值的影响。在典型的试验系统短路电流15 kA下、电容残压固定为零的PSIM仿真涌流值，如表3所示。

从表3的仿真数据可以明显看到，投切角度的不同对涌流值有较大影响。投切角度在90 °附近时达到涌流最大值，而且与90 °时涌流值差异率仅为0.22 %。

低压无功功率补偿装置样机的实际试验分析：

同2.1节，将前述搭建的补偿装置样机通电，在典型的试验系统短路电流15 kA下、电容残压为零时，测试80 °～100 °不同投切角度下的涌流值，如表4所示。

表1 1~30 kA短路电流下，固定投切角度、电容残压为零时的PSIM仿真涌流值

表2 1~30 kA短路电流下，固定投切角度90 °、电容残压为零下的实际试验涌流值

表3 典型短路电流15 kA下，电容残压为零、不同投切角度下的PSIM仿真涌流值

表4 80~100 °不同投切角度下的实际试验涌流值

观察表4的试验数据，可以明显看出，投切角度的不同对涌流值也存在较大影响，且其涌流值与投切角度的对应规律和仿真结果也具有明显的一致性。

2.3 电容残压对涌流值的影响

PSIM下的仿真分析：

同2.1节，在PSIM涌流试验仿真环境下，在固定试验系统短路电流15 kA、投切角度为90 °的情况下，通过改变最后一组要投入运行的电容器的残压值，验证电容残压值对涌流值的影响。其不同残压值下的PSIM仿真涌流值，如表5所示。

从表5的仿真数据，可以明显看到，电容残压值的不同对涌流值有直接影响，其反向残压值越高，涌流值越大。

低压无功功率补偿装置样机的实际试验分析：

同2.1节，将前述搭建的补偿装置样机通电，在典型的试验系统短路电流15 kA下、投切角度90 °时，最后一组电容器不同残压值下的涌流值，如表6所示。

从表6的试验数据，也可以明显看到，最后一组电容器残压值的不同对涌流值有直接影响。且其涌流值与残压值的对应规律和仿真结果也具有明显的一致性。

2.4 结论

综上分析，无论是仿真模式下，还是实际试验验证中，当试验系统短路容量明显较小时，将严重影响涌流值的大小，甚至有可能导致补偿装置不能正常工作。但是在其产品申请认证的短路耐受强度附近，其影响非常小。一般情况下，低压无功功率补偿装置产品的短路耐受强度认证申请常见为15 kA。因此，建议以低压无功功率补偿装置产品的短路耐受强度认证申请值作为额定试验系统短路容量，以此统一涌流试验时试验系统的短路容量要求。

表5 最后一组投入电容不同残压下的PSIM仿真涌流值

同样情况下，投切角度的不同对涌流值也存在较大影响。通常，理论上一般认为投切角度为90 °时最大，经过仿真和实际试验，也基本验证了这一理论。仿真和实际试验数据显示，最大涌流值出现在略小于90 °附近，这与电流相位角滞后电压有关。考虑试验的可操作性，建议以85～90 °作为峰值投入的投切角度区间，考虑到数据溯源性要求，在试验结果中应记录实际的投切角度。

同样情况下，最后一组投入的电容器残压值大小的不同对涌流值也有非常大的影响。根据大部分现行标准的电容残压要求，最后一组电容器在投入前，应保证待投入电容器的残余电压尽可能小，或者两次投入时间间隔应至少保证3 min以上。考虑到数据溯源性要求，在试验结果中应体现实际涌流投入时的最后一组电容器的电压值。

表6 最后一组投入电容不同残压下的实际试验涌流值

3 总结

本文从国内外相关低压补偿装置的标准入手，分析比对不同标准中涌流试验的具体检验要求和检测方法，结合检验人员实际涌流试验过程中发现的问题，研究试验线路的短路容量、投切角度、电容残压等对涌流大小产生的影响。通过仿真验证和实际低压无功补偿装置样机试验比对的方式，验证了仿真和实际试验的一致性，同时从短路容量、投切角度、电容残压三方面定量分析，并给出了涌流试验时的具体建议。本文的研究结果有助于低压补偿装置类产品涌流试验检验要求和检测方法的规范统一，可用来有效评价行业产品质量优劣，同时有利于不同检验机构之间实现数据比对和试验参数的溯源，对于低压补偿装置类产品的检验机构进行产品检测和用户选型均具有较高的参考价值。