平波電抗器電容器放電試驗(yàn)電壓波形高頻過(guò)沖的抑制

張德順 吳玉坤 張?jiān)氯A 王 楠

（北京電力設(shè)備總廠，北京 102401）

平波電抗器是直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE1277[1]的規(guī)定和設(shè)備技術(shù)規(guī)范的要求，用于800kV特高壓工程的干式空心平波電抗器必須進(jìn)行電容器放電試驗(yàn)，在電容器與試品之間形成逐漸衰減的、頻率為 300～900Hz的中頻振蕩電壓，振蕩電壓的第一個(gè)最大峰值要求等于電抗器的操作沖擊耐受電壓。在樣機(jī)的試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，平波電抗器匝散電容和試驗(yàn)引線電感之間存在高頻率的能量交換，引起試品電壓在波前上升過(guò)程中出現(xiàn)暫態(tài)的高頻振蕩分量。在戶外試驗(yàn)場(chǎng)觀測(cè)到，該暫態(tài)振蕩具有460kHz以上的頻率，其幅值可引起1.8倍以上的過(guò)沖。這種高頻振蕩的疊加使電容器放電試驗(yàn)的瞬時(shí)峰值超過(guò)平波電抗器的雷電沖擊耐受電壓，對(duì)試品形成不利影響，因此必須設(shè)法加以抑制。

1 高頻過(guò)沖的特性與電阻阻尼的效果

使用PSCAD軟件進(jìn)行仿真，試品為75mH電感的特高壓平波電抗器，操作沖擊水平為 845kV。根據(jù)試品電感和試驗(yàn)裝置的電容器規(guī)格，充電電容取0.5μF，振蕩頻率為822Hz，符合標(biāo)準(zhǔn)[1]的要求。

圖1 仿真模型

圖1給出了計(jì)算模型。圖中，C為沖擊電壓發(fā)生器中的電容器，Lc為電容器自身雜散電感，Rt為波尾電阻，Cs為分壓器電容，Ca為截波裝置電容，Lz、Cz、Cz、Rz分別為試品的電感、自身電容。其余為引線的寄生參數(shù)。截波裝置高壓引線位置較高不容易進(jìn)行接線操作，進(jìn)行各種試驗(yàn)時(shí)截波裝置并不從回路中摘除，其電容總是介入回路。因此，電容器放電試驗(yàn)時(shí)雖然不必連接截波裝置，在仿真計(jì)算時(shí)還是以400pF的電容來(lái)計(jì)入它的影響。電抗器端對(duì)端匝散電容是實(shí)際測(cè)量值，電路中其余雜散參數(shù)為估計(jì)值。開關(guān) K（球隙）接通回路之前電容器的電壓取 845kV。按此條件計(jì)算，獲得了電抗器兩端之間的電壓波形，如圖2所示。為了觀察波前細(xì)節(jié)，圖2只是給出了起始階段50μs的波形。由圖2可見(jiàn)，波前階段的高頻振蕩使電壓波最大幅值達(dá)到1556kV，過(guò)沖系數(shù)高達(dá)1.86，振蕩頻率為475kHz。

圖2 波前高頻振蕩

圖3 波頭電阻26.64?的仿真波形

目前，限制上升沿過(guò)沖的普遍方法是增大回路中與脈沖電容器和試品相串聯(lián)的波頭阻尼電阻。但計(jì)算表明這與維持波形持續(xù)時(shí)間相抵觸。本文對(duì)添加阻值分別為26.64?、100?、200?的波頭阻尼電阻進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3、4、5所示。波頭電阻26.64?時(shí)，過(guò)沖系數(shù)1.76，過(guò)沖最高值為1480kV，對(duì)試品來(lái)說(shuō)顯然太高。波頭電阻100?時(shí)過(guò)沖系數(shù) 1.4，過(guò)沖最高值為 1194kV，依然比較大，并且電容器放電僅僅維持 4ms。波頭電阻增加到 200? 時(shí)過(guò)沖最高值為951kV，雖然過(guò)沖系數(shù)1.13降低到安全范圍內(nèi)，但電容器放電持續(xù)時(shí)間降低到3ms，中頻振蕩僅僅維持一個(gè)周波。根據(jù)IEEE1277[1]對(duì)電容器放電試驗(yàn)的規(guī)定，電容器放電持續(xù)時(shí)間最少應(yīng)在10ms以上。可見(jiàn)，波頭阻尼電阻取值較小時(shí)，對(duì)高頻過(guò)沖無(wú)明顯抑制作用，取值較大時(shí)，雖然可以抑制過(guò)沖，但主振蕩持續(xù)時(shí)間卻受到嚴(yán)重限制，不能滿足規(guī)范要求。

圖4 波頭電阻100?的仿真波形

圖5 波頭電阻200?的仿真波形

為了能夠兼顧抑制高頻過(guò)沖和維持主振蕩持續(xù)時(shí)間，本文提出了一種新的抑制高頻過(guò)沖的方法。該方法在試驗(yàn)回路中與試品串聯(lián)接入暫態(tài)阻波器，對(duì)施加于試品上的各種電壓分量提供有選擇的阻尼，達(dá)到既抑制過(guò)沖又不明顯影響主振蕩時(shí)間的目的。

2 快速暫態(tài)阻波器原理

阻波器,在歐美國(guó)家和日本又稱陷波器，實(shí)際是由電感器、電容器和電阻器組成的串聯(lián)濾波器。其電路如圖6中（a）所示。阻波器兩端子之間的阻抗也即濾波器的輸入阻抗在不同的頻率有不同的特性。在822Hz這樣較低的頻率，電路中調(diào)諧電容C呈現(xiàn)足夠大的阻抗，流經(jīng)電阻器R的電流小到可以忽略，因而此頻率下阻波器基本上呈現(xiàn)一只電感器的作用，其阻抗為主線圈線圈的電抗和它的交流等效電阻。在數(shù)百千赫的高頻率，電容器C的容性電抗大幅度降低，阻波器中的電阻器R相當(dāng)于直接與主線圈L并聯(lián)，因而阻波器在高頻段的阻抗以電阻分量為主。圖6中（b）給出了本課題所研制的阻波器高頻阻抗實(shí)測(cè)頻率響應(yīng)特性。

圖6 阻波器原理電路及其高頻阻抗特性

由圖6可知，在450kHz以上高頻段，阻波器呈現(xiàn)出大約420?的電阻，這就相當(dāng)于在試驗(yàn)回路中串聯(lián)了一只420?的電阻器，對(duì)波前高頻振蕩顯然應(yīng)具有很好的抑制作用。另一方面，在 300～900Hz這樣的較低頻率下，阻波器主要表現(xiàn)一只電感的作用，其電阻小的可以忽略，因而它對(duì)電容器放電過(guò)程持續(xù)時(shí)間的阻尼作用是可以忽略的，只是以大約 1%的程度（由阻波器主線圈的電感量決定）降低主振蕩的頻率和施加到試品上的電壓。由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，本課題所研制的阻波器選擇了1mH主線圈，420?阻塞電阻（高頻阻抗中的電阻分量）邊界頻率為60kHz。分析表明，阻波器參數(shù)仍可以進(jìn)一步優(yōu)化，比如主線圈電感降低到 0.3mH，將 420?阻塞電阻的邊界頻率調(diào)整到200kHz以上，或者將阻塞電阻增大到840?，阻塞電阻的邊界頻率調(diào)整到120kHz以上是完全可以的。

3 串聯(lián)阻波器后的仿真計(jì)算

圖7為串入阻波器之后的試品電壓仿真計(jì)算波形圖，電容充電電壓845kV，過(guò)沖最高值為1040kV，過(guò)沖系數(shù)達(dá)到1.26，放電開始10ms后依然有較大振蕩。串入阻波器同時(shí)加26.64?的波頭阻尼電阻時(shí)，對(duì)波前高頻過(guò)沖系數(shù)降到1.19，波形如圖8所示。

圖7 串聯(lián)阻波器的仿真波形圖

圖8 串入阻波器并加26.64?電阻的仿真波形圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)電感75mH的±800kV平波電抗器進(jìn)行電容放電試驗(yàn)，使用單級(jí)電容2μF的16級(jí)沖擊電壓發(fā)生器，兩極并聯(lián)為一組共8級(jí)，總電容0.5μF。為比較阻波器的效果，先后在串聯(lián)和不串聯(lián)阻波器兩種條件下進(jìn)行了電容器放電試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)均不加波頭阻尼電阻。

圖9給出了不帶阻波器時(shí)波形記錄。由圖9（b）中可以看出，波前上升沿暫態(tài)振蕩頻率為463kHz，過(guò)沖系數(shù)達(dá)1.8，這與仿真計(jì)算結(jié)果十分接近，證明了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖9 未串阻波器的試驗(yàn)波形圖

圖10 串聯(lián)阻波器的試驗(yàn)波形圖

圖10給出了串聯(lián)阻波器之后的試驗(yàn)波形，從圖10（b）可知，此條件下波前只有一個(gè)單極性小脈沖，但無(wú)振蕩，過(guò)沖系數(shù)僅 1.18。可以看到高頻過(guò)沖得到了明顯的抑制，與仿真結(jié)果基本相同。

5 試驗(yàn)分析

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電容器放電試驗(yàn)中有較大的電流通過(guò)。試驗(yàn)裝置中的脈沖電容和球隙通常是按雷電沖擊和操作沖擊單脈沖設(shè)計(jì)的，承受 10ms以上的長(zhǎng)時(shí)間放電存在一定危險(xiǎn)。首先，銅球表面經(jīng)過(guò)兩、三次長(zhǎng)時(shí)間放電后會(huì)出現(xiàn)較多的金屬毛刺，影響球隙放電的同步性并因此容易自放電，使放電電壓難于控制。其次，脈沖電容器內(nèi)產(chǎn)生大量的熱能，極易使電容出現(xiàn)滲漏油、“鼓肚”現(xiàn)象甚至電容量因內(nèi)部個(gè)別元件擊穿而降低。試驗(yàn)裝置的破壞程度與電容器放電持續(xù)時(shí)間有直接關(guān)系。因此，即使串聯(lián)插入阻波器完全可以抑制過(guò)沖，保留波頭電阻、波尾電阻從而將放電持續(xù)時(shí)間維持在一個(gè)適當(dāng)數(shù)值（10ms左右）仍然是必要的。否則試驗(yàn)裝置可能會(huì)在試驗(yàn)過(guò)程中頻繁損壞，使試驗(yàn)和工程進(jìn)度無(wú)法履行時(shí)間計(jì)劃。

6 結(jié)論

1）在平波電抗器的電容器放電試驗(yàn)回路中，雜散電容、引線電感等會(huì)在波前上升沿產(chǎn)生很強(qiáng)的高頻暫態(tài)過(guò)程，形成1.8倍甚至更高的過(guò)沖。

2）波頭阻尼電阻對(duì)于抑制高頻過(guò)沖的效果欠佳，一味加大阻尼電阻值，會(huì)嚴(yán)重縮短放電持續(xù)時(shí)間。

3）串入阻波器可以有效的消除試驗(yàn)回路在波前產(chǎn)生的高頻暫態(tài)分量，大大消減過(guò)沖電壓峰值，對(duì)試品起到了有效的保護(hù)作用。

[1]IEEE Std 1277-2000[s]. IEEE Trial-Use Standard General Requirements and Test Code for Dry-Type and Oil-immersed Smoothing Reactors for DC Power Transmission.