基于CVT的沖擊電壓過沖補償?shù)难芯?/h1>
2015-06-11 11:22:14楊永明等
信息周刊 2015年10期
楊永明等
【摘 要】本文從IEC60060-1對高電壓設備試驗的要求出發(fā)，對特高壓電容式電壓互感器（CVT）試驗過沖補償回路進行了深入的理論分析，并利用pSpice軟件對此試驗回路進行了仿真，理論分析和仿真均表明：只采用沖擊電壓發(fā)生器無法滿足特高壓CVT雷電波波形的需求，必須在沖擊電壓發(fā)生器輸出端串入過沖補償裝置才能滿足IEC對特高壓CVT試驗的要求；過沖補償裝置的電容和電阻具體參數(shù)的選擇必須嚴格保證標準雷電波形的要求。為此，需要對過沖補償裝置的形式進行理論分析、電路仿真分析及實驗驗證，從而設計出參數(shù)合理、效果明顯的過沖補償裝置。試驗表明并驗證了采用沖擊電壓發(fā)生器及參數(shù)合理的過沖補償能夠解決目前特高壓發(fā)展所帶來的試品容量不斷增大的難題。
【關鍵詞】沖擊電壓發(fā)生器；CVT；過沖補償
1引言
隨著電網超著特高壓、智能化方向的發(fā)展，特高壓直流輸電成為其重要的組成部分，而特高壓直流輸電的重要設備之一就是換流變壓器，根據(jù)IEC60060-1的規(guī)定，特高壓CVT的絕緣試驗中雷電波的波形是要得到嚴格保證的[1]。然而，由于入口電容都大大增加，這就對沖擊電壓發(fā)生器的帶載能力提出了很高的要求。然而，目前僅靠沖擊電壓發(fā)生器是無法滿足換流變壓器的試驗能力的。因為沖擊電壓發(fā)生器本體內電感的限制，沖擊電壓發(fā)生器其隨著電壓的升高內電感也不斷的增大，使其帶負荷能力也不斷降低。目前，國際上有兩種方法來抑制雷電波的過沖，一是采用串聯(lián)過沖補償裝置，二是采用并聯(lián)過沖補償裝置。然而，對于此兩種方法的優(yōu)缺點及其設計方法并沒有相關理論和實際研究。
本文從串聯(lián)過沖補償和并聯(lián)過沖補償?shù)纳钊敕治鋈胧?，闡明了兩種方法的不同之處，給出了采用串聯(lián)過沖補償?shù)暮侠硇约霸O計方法。對此類問題的解決提供理論和實際的參考。
2并聯(lián)過沖補償電路的分析及仿真
圖1是并聯(lián)過沖補償法的等效電路，其中CT是被試品電容，Ls是回路電感，Roc、Loc及Coc構成并聯(lián)過沖補償裝置，Loc是并聯(lián)過沖補償裝置電感，Cs為沖擊電壓發(fā)生器主電容，Rf為波頭電阻，Rt為波尾電阻。
對于圖1，并聯(lián)補償裝置是一個吸收電路，當Loc與Coc發(fā)生串聯(lián)諧振時，諧振頻率為fres，如果Roc足夠小的話，此支路相當于短路。由Cs、CT及Ls產生的頻率為fres震蕩波形會被吸收掉。此頻率可由公式（1），計算出來。
在此對串聯(lián)回路[2]，[3]進行詳細的理論分析，圖2是R、L、C串聯(lián)電路，其中Cs是被試品電容，Ls是諧振電感，Rs是串聯(lián)回路的總電阻。
由此可見，串聯(lián)諧振回路，在加上頻率等于其諧振頻率的震蕩電壓后，電路將出現(xiàn)一個由原來的初始狀態(tài)到最終完全諧振狀態(tài)的過渡過程，此過渡過程的長短完全取決于衰減系數(shù)δ，其值越大則過渡過程越短。并聯(lián)過沖補償電路，要求過渡過程盡量的長以減少電容和電感上的電壓，同時又要求電阻盡量的小，從而快速的吸收過沖電壓，從這里的理論分析看出，二者之間存在沖突。
為了對以上的理論分析結果有一個直觀的認識，利用Matlab中的Simulink對串聯(lián)諧振電路進行了仿真分析[4]，所得到的結果如下圖所示。
從上述仿真分析可知，串聯(lián)諧振回路隨著品質因數(shù)的增大，串聯(lián)諧振的過渡過程也大大增加，表明串聯(lián)諧振回路中，短的過渡過程和高的諧振效率是不能同時獲得的，即小的電阻和長的過渡過程是無法同時獲得的。
從上述理論分析及仿真分析可知，串聯(lián)諧振回路存在著品質因數(shù)和過渡過程的矛盾[2]。然而，并聯(lián)過沖補償裝置，既需要小的電阻又需要長的過渡過程以減小電容和電感上的電壓，否則不是無法把過沖的電壓吸收掉無就是法降低電感和電容上的電壓。這與串聯(lián)電路頻率特性的結果一致，即寬的帶通和高的品質因數(shù)是無法同時獲得的。另外，此裝置可調參數(shù)為三個，即電阻、電感和電容，這就使得調試困難。
3 串聯(lián)過沖補償電路的分析及仿真
圖4是串聯(lián)過沖補償裝置等效電路[5]，[6]，其中CT是被試品電容，Ls是回路電感，Rc、Lc及Cc構成串聯(lián)過沖補償裝置，Lc是串聯(lián)過沖補償裝置的固有殘余電感（即電阻制造過程中的殘余電感），Cs為沖擊電壓發(fā)生器主電容，Rf為波頭電阻，Rt為波尾電阻。
由圖4可知，串聯(lián)過沖補償裝置與被試品電容組成了低通濾波器，高頻率的波頭過沖被阻尼掉，而低頻率的波尾和波頭都能順利通過過沖補償裝置。低通濾波器的等效電路如圖5所示。
由于雷電沖擊電壓波形的IEC標準規(guī)定，頻率超過0.5MHz且過沖幅值超過峰值的5%是不容許的。故此，必須將高頻的震蕩波濾掉。由上述理論及仿真分析可知，采用串聯(lián)過沖補償裝置是可行的。本文通過計算機仿真的方法發(fā)現(xiàn)，可以通過首先確定試品的電容量，被試品電容量的一半作為過沖補償裝置的電容參數(shù)，然后通過調整波頭電阻和過沖補償裝置的電阻，使得試品兩端的波形符合國標要求。
4實例試驗驗證
對于北京華天機電研究所有限公司的沖擊電壓發(fā)生
器CDYH4000kV/600kJ，當CVT等效負載電容為6nF，500kV電壓等級時，需要采用串聯(lián)過沖補償裝置，電阻為108Ω，電容為3000pF。此時，可以抑制過沖為40%，大大提高了帶負載能力。圖8、圖9為過沖補償電路的仿真電路及仿真結果。
圖8中Rf=40Ω，Rt=837Ω，Rc=180kΩ，L=91μH，Rs=108Ω，Cs=3000pF，CT=6000pF。圖9中上面的曲線為試品兩端的電壓波形，波頭波尾時間及過沖要求都符合國標規(guī)定。圖9中下面的曲線為過沖補償裝置兩端的電壓波形，從圖中可以看出，過沖補償裝置兩端的電壓峰值約為試品電壓峰值的40%，過沖補償效果非常的明顯。
在實驗中，半電壓調波如下，北京華天機電研究所有限公司的沖擊電壓測量軟件具有過沖不符合國標要求自動顯示功能，圖10為不加過沖補償裝置時的實驗結果，從圖10可以看出，當滿足過沖要求時，波頭波尾時間都不符合標準要求。而從圖11可以明顯看到，當過沖滿足要求時，波頭波尾時間也都符合國標的要求。圖10、圖11的數(shù)據(jù)來河南平高電氣。
5 結論
本文的理論分析、電路仿真均及實驗均表明：并聯(lián)過沖補償裝置從原理上就不適合作為過沖補償裝置在高電壓實驗領域使用，實踐中調試困難；而串聯(lián)過沖補償裝置大大提高了沖擊電壓發(fā)生器的帶負載能力，克服了目前隨著特高壓直流輸電的發(fā)展而帶來的負載電壓及等效電容不斷增大而造成的沖擊電壓實驗的困難。串聯(lián)過沖補償裝置調試簡單，只需要調整波頭電阻就可滿足實驗需要。
參考文獻：
[1] 《IEC60060_1_2011》關于雷電波波形的標準要求部分.
[2] 魏新勞，楊永明.電力電容器過電壓周期實驗主回路方案分析.哈爾濱理工大學學報，2010年第2期.
[3] 周長源.電路理論基礎[M].北京：高等教育出版社，1996.
[4] 周淵深.電力電子技術與MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2005.
[5] 張仁豫等.高電壓實驗技術[M].北京：清華大學出版社，2003第二版
[6] J.Wolf，G.Voigt： A new solution for the extension of the load range of impulse generator，10thISH Montreal，1997.
楊永明等
【摘 要】本文從IEC60060-1對高電壓設備試驗的要求出發(fā)，對特高壓電容式電壓互感器（CVT）試驗過沖補償回路進行了深入的理論分析，并利用pSpice軟件對此試驗回路進行了仿真，理論分析和仿真均表明：只采用沖擊電壓發(fā)生器無法滿足特高壓CVT雷電波波形的需求，必須在沖擊電壓發(fā)生器輸出端串入過沖補償裝置才能滿足IEC對特高壓CVT試驗的要求；過沖補償裝置的電容和電阻具體參數(shù)的選擇必須嚴格保證標準雷電波形的要求。為此，需要對過沖補償裝置的形式進行理論分析、電路仿真分析及實驗驗證，從而設計出參數(shù)合理、效果明顯的過沖補償裝置。試驗表明并驗證了采用沖擊電壓發(fā)生器及參數(shù)合理的過沖補償能夠解決目前特高壓發(fā)展所帶來的試品容量不斷增大的難題。
【關鍵詞】沖擊電壓發(fā)生器；CVT；過沖補償
1引言
隨著電網超著特高壓、智能化方向的發(fā)展，特高壓直流輸電成為其重要的組成部分，而特高壓直流輸電的重要設備之一就是換流變壓器，根據(jù)IEC60060-1的規(guī)定，特高壓CVT的絕緣試驗中雷電波的波形是要得到嚴格保證的[1]。然而，由于入口電容都大大增加，這就對沖擊電壓發(fā)生器的帶載能力提出了很高的要求。然而，目前僅靠沖擊電壓發(fā)生器是無法滿足換流變壓器的試驗能力的。因為沖擊電壓發(fā)生器本體內電感的限制，沖擊電壓發(fā)生器其隨著電壓的升高內電感也不斷的增大，使其帶負荷能力也不斷降低。目前，國際上有兩種方法來抑制雷電波的過沖，一是采用串聯(lián)過沖補償裝置，二是采用并聯(lián)過沖補償裝置。然而，對于此兩種方法的優(yōu)缺點及其設計方法并沒有相關理論和實際研究。
本文從串聯(lián)過沖補償和并聯(lián)過沖補償?shù)纳钊敕治鋈胧?，闡明了兩種方法的不同之處，給出了采用串聯(lián)過沖補償?shù)暮侠硇约霸O計方法。對此類問題的解決提供理論和實際的參考。
2并聯(lián)過沖補償電路的分析及仿真
圖1是并聯(lián)過沖補償法的等效電路，其中CT是被試品電容，Ls是回路電感，Roc、Loc及Coc構成并聯(lián)過沖補償裝置，Loc是并聯(lián)過沖補償裝置電感，Cs為沖擊電壓發(fā)生器主電容，Rf為波頭電阻，Rt為波尾電阻。
對于圖1，并聯(lián)補償裝置是一個吸收電路，當Loc與Coc發(fā)生串聯(lián)諧振時，諧振頻率為fres，如果Roc足夠小的話，此支路相當于短路。由Cs、CT及Ls產生的頻率為fres震蕩波形會被吸收掉。此頻率可由公式（1），計算出來。
在此對串聯(lián)回路[2]，[3]進行詳細的理論分析，圖2是R、L、C串聯(lián)電路，其中Cs是被試品電容，Ls是諧振電感，Rs是串聯(lián)回路的總電阻。
由此可見，串聯(lián)諧振回路，在加上頻率等于其諧振頻率的震蕩電壓后，電路將出現(xiàn)一個由原來的初始狀態(tài)到最終完全諧振狀態(tài)的過渡過程，此過渡過程的長短完全取決于衰減系數(shù)δ，其值越大則過渡過程越短。并聯(lián)過沖補償電路，要求過渡過程盡量的長以減少電容和電感上的電壓，同時又要求電阻盡量的小，從而快速的吸收過沖電壓，從這里的理論分析看出，二者之間存在沖突。
為了對以上的理論分析結果有一個直觀的認識，利用Matlab中的Simulink對串聯(lián)諧振電路進行了仿真分析[4]，所得到的結果如下圖所示。
從上述仿真分析可知，串聯(lián)諧振回路隨著品質因數(shù)的增大，串聯(lián)諧振的過渡過程也大大增加，表明串聯(lián)諧振回路中，短的過渡過程和高的諧振效率是不能同時獲得的，即小的電阻和長的過渡過程是無法同時獲得的。
從上述理論分析及仿真分析可知，串聯(lián)諧振回路存在著品質因數(shù)和過渡過程的矛盾[2]。然而，并聯(lián)過沖補償裝置，既需要小的電阻又需要長的過渡過程以減小電容和電感上的電壓，否則不是無法把過沖的電壓吸收掉無就是法降低電感和電容上的電壓。這與串聯(lián)電路頻率特性的結果一致，即寬的帶通和高的品質因數(shù)是無法同時獲得的。另外，此裝置可調參數(shù)為三個，即電阻、電感和電容，這就使得調試困難。
3 串聯(lián)過沖補償電路的分析及仿真
圖4是串聯(lián)過沖補償裝置等效電路[5]，[6]，其中CT是被試品電容，Ls是回路電感，Rc、Lc及Cc構成串聯(lián)過沖補償裝置，Lc是串聯(lián)過沖補償裝置的固有殘余電感（即電阻制造過程中的殘余電感），Cs為沖擊電壓發(fā)生器主電容，Rf為波頭電阻，Rt為波尾電阻。
由圖4可知，串聯(lián)過沖補償裝置與被試品電容組成了低通濾波器，高頻率的波頭過沖被阻尼掉，而低頻率的波尾和波頭都能順利通過過沖補償裝置。低通濾波器的等效電路如圖5所示。
由于雷電沖擊電壓波形的IEC標準規(guī)定，頻率超過0.5MHz且過沖幅值超過峰值的5%是不容許的。故此，必須將高頻的震蕩波濾掉。由上述理論及仿真分析可知，采用串聯(lián)過沖補償裝置是可行的。本文通過計算機仿真的方法發(fā)現(xiàn)，可以通過首先確定試品的電容量，被試品電容量的一半作為過沖補償裝置的電容參數(shù)，然后通過調整波頭電阻和過沖補償裝置的電阻，使得試品兩端的波形符合國標要求。
4實例試驗驗證
對于北京華天機電研究所有限公司的沖擊電壓發(fā)生
器CDYH4000kV/600kJ，當CVT等效負載電容為6nF，500kV電壓等級時，需要采用串聯(lián)過沖補償裝置，電阻為108Ω，電容為3000pF。此時，可以抑制過沖為40%，大大提高了帶負載能力。圖8、圖9為過沖補償電路的仿真電路及仿真結果。
圖8中Rf=40Ω，Rt=837Ω，Rc=180kΩ，L=91μH，Rs=108Ω，Cs=3000pF，CT=6000pF。圖9中上面的曲線為試品兩端的電壓波形，波頭波尾時間及過沖要求都符合國標規(guī)定。圖9中下面的曲線為過沖補償裝置兩端的電壓波形，從圖中可以看出，過沖補償裝置兩端的電壓峰值約為試品電壓峰值的40%，過沖補償效果非常的明顯。
在實驗中，半電壓調波如下，北京華天機電研究所有限公司的沖擊電壓測量軟件具有過沖不符合國標要求自動顯示功能，圖10為不加過沖補償裝置時的實驗結果，從圖10可以看出，當滿足過沖要求時，波頭波尾時間都不符合標準要求。而從圖11可以明顯看到，當過沖滿足要求時，波頭波尾時間也都符合國標的要求。圖10、圖11的數(shù)據(jù)來河南平高電氣。
5 結論
本文的理論分析、電路仿真均及實驗均表明：并聯(lián)過沖補償裝置從原理上就不適合作為過沖補償裝置在高電壓實驗領域使用，實踐中調試困難；而串聯(lián)過沖補償裝置大大提高了沖擊電壓發(fā)生器的帶負載能力，克服了目前隨著特高壓直流輸電的發(fā)展而帶來的負載電壓及等效電容不斷增大而造成的沖擊電壓實驗的困難。串聯(lián)過沖補償裝置調試簡單，只需要調整波頭電阻就可滿足實驗需要。
參考文獻：
[1] 《IEC60060_1_2011》關于雷電波波形的標準要求部分.
[2] 魏新勞，楊永明.電力電容器過電壓周期實驗主回路方案分析.哈爾濱理工大學學報，2010年第2期.
[3] 周長源.電路理論基礎[M].北京：高等教育出版社，1996.
[4] 周淵深.電力電子技術與MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2005.
[5] 張仁豫等.高電壓實驗技術[M].北京：清華大學出版社，2003第二版
[6] J.Wolf，G.Voigt： A new solution for the extension of the load range of impulse generator，10thISH Montreal，1997.
