特高壓電抗器局部放電試驗(yàn)方法探索

吳鵬

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

特高壓局部放電試驗(yàn)技術(shù)

特高壓電抗器局部放電試驗(yàn)方法探索

吳鵬

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

局放試驗(yàn)是檢測(cè)電力設(shè)備絕緣狀況最為有效的手段之一，目前在中國(guó)特高壓1000 kV電壓等級(jí)并聯(lián)電抗器現(xiàn)場(chǎng)局部放電試驗(yàn)還處于論證摸索階段。相比1000 kV變壓器局放試驗(yàn)，1000 kV電抗器局放試驗(yàn)具有試驗(yàn)容量大、試驗(yàn)裝置復(fù)雜、屏蔽難度大等特征。文中對(duì)1000 kV并聯(lián)電抗器局放試驗(yàn)的主回路原理進(jìn)行了分析，對(duì)主回路參數(shù)如試驗(yàn)電流、電容補(bǔ)償量、損耗等試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)局放檢測(cè)回路的檢測(cè)靈敏度和抗干擾性進(jìn)行了分析，結(jié)合試驗(yàn)裝備技術(shù)水平對(duì)主要試驗(yàn)設(shè)備補(bǔ)償電容器、變頻電壓、勵(lì)磁變壓器、阻波電抗器等進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)和選型，為試驗(yàn)裝備研制和現(xiàn)場(chǎng)開展試驗(yàn)提供了基礎(chǔ)。

特高壓；并聯(lián)電抗器；局部放電

我國(guó)能源分布和需求極不均衡，建設(shè)特高壓電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大容量、低損耗輸送電能，已成為國(guó)家能源發(fā)展、清潔發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。1000 kV特高壓輸變電工程線路側(cè)均配置1000 kV并聯(lián)電抗器，來補(bǔ)償遠(yuǎn)距離輸電線路容抗。并聯(lián)電抗器作為電網(wǎng)可靠運(yùn)行的重要組成部分其安全穩(wěn)定直接影響電網(wǎng)的安全。截止2014年底，全國(guó)在運(yùn)1000 kV并聯(lián)電抗器共60臺(tái)，750 kV并聯(lián)電抗器321臺(tái)。已投運(yùn)1000 kV特高壓及750 kV超高壓輸變電工程中，均發(fā)生過多起高壓并聯(lián)電抗器絕緣缺陷故障，對(duì)特高壓輸變電工程安全運(yùn)行及跨區(qū)能源供應(yīng)造成了威脅［1-6］。2008年，馬繼先、巴桑次仁、劉赟等對(duì)電抗器串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)的可行性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了500 kV并聯(lián)電抗器局放測(cè)量方案，并開展現(xiàn)場(chǎng)局部放電試驗(yàn)［7-10］。隨著1000 kV特高壓輸變電工程建設(shè)，國(guó)內(nèi)主要高壓試驗(yàn)研究單位掌握豐富的1000 kV變壓器現(xiàn)場(chǎng)局放試驗(yàn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)［11，12］。

試驗(yàn)裝備制造者也積累了大量的試驗(yàn)裝備設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)。由于1000 kV并聯(lián)電抗器局放試驗(yàn)存在諸多難題尚未解決，如試驗(yàn)容量大所需試驗(yàn)裝備復(fù)雜；高壓區(qū)域范圍廣，局放屏蔽技術(shù)難度大，局放檢測(cè)回路設(shè)計(jì)復(fù)雜。目前GB 50150—2006和Q/GDW 310—2009中在電抗器現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)中未對(duì)高壓側(cè)主絕緣和繞組縱向絕緣提出考核試驗(yàn)要求［13，14］。針對(duì)以上難題，本文從試驗(yàn)主回路參數(shù)計(jì)算出發(fā)，給出主回路設(shè)備參數(shù)和性能需求，能夠滿足試驗(yàn)容量大的要求；通過設(shè)計(jì)主回路中的阻波電抗器參數(shù)、分析不同局放測(cè)量回路特點(diǎn)，推薦滿足局放測(cè)量最有利的方案。

1　試驗(yàn)基本原理

試驗(yàn)采用串聯(lián)諧振原理，利用RLC串聯(lián)電路，通過改變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)頻率（通常范圍30～300 Hz），使電抗器電壓達(dá)到試驗(yàn)要求，而試驗(yàn)電源容量較小，可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電抗器縱絕緣的耐壓試驗(yàn)及局放測(cè)量。基本原理如圖1所示。

圖1　串聯(lián)諧振法基本原理

串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)中，補(bǔ)償電容容抗與電抗器感抗相等時(shí)，電抗中的磁場(chǎng)能量與補(bǔ)償電容中的電場(chǎng)能量相互補(bǔ)償，電源只提供回路有功損耗。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由無局放變頻電源、勵(lì)磁變壓器、諧振電容器、阻波電抗器、無局放電容分壓器等組成。耐壓試驗(yàn)與局部放電測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，利用電抗器高壓套管末屏電容進(jìn)行局放耦合取樣，接至局放儀進(jìn)行測(cè)量。

2　試驗(yàn)主回路分析

2.1被試并聯(lián)電抗器參數(shù)

1000 kV并聯(lián)電抗器一般采用單相油浸式結(jié)構(gòu)、三相星形接線。以特高壓盱眙站1000 kV并聯(lián)電抗器為例，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　1000 kV并聯(lián)電抗器技術(shù)參數(shù)

2.2試驗(yàn)主回路參數(shù)分析

圖1串聯(lián)諧振基本原理圖中，勵(lì)磁變壓器等效電感、并聯(lián)電抗器的等效電容、電容分壓器的電容遠(yuǎn)小于并聯(lián)電抗器電感量和補(bǔ)償電容器的電容量，可以在主回路參數(shù)計(jì)算分析中忽略，如圖2所示。

圖2　主回路等效

根據(jù)圖2主回路等效圖，主回路各參數(shù)滿足公式：

補(bǔ)償電容器容量：

（1）確定試驗(yàn)頻率。式（2）中，試驗(yàn)電壓U和并聯(lián)電抗器電感L均為定值，為降低補(bǔ)償電容器容量S，控制試驗(yàn)裝備體積，應(yīng)盡可能將試驗(yàn)頻率f提高。目前成熟的變頻電源可調(diào)頻率范圍為30～300 Hz。另外，頻率的增大會(huì)相應(yīng)增加補(bǔ)償電容器的有功損耗。綜合考慮，選定試驗(yàn)頻率為f=250 Hz左右。

圖3特高壓電抗器耐壓試驗(yàn)加壓程序

（3）補(bǔ)償電容量。根據(jù)式（1）、式（2）可以計(jì)算出，補(bǔ)償電容器電容C=75.8 nF，補(bǔ)償電容器容量S=138.78 MV·A。

（4）試驗(yàn)電流計(jì)算。試驗(yàn)過程中流經(jīng)電抗器的最大電流I=U1/ωLr=128.5 A。

（5）電抗器額定參數(shù)狀態(tài)下的銅損：

由式 （3）得到電抗器額定參數(shù)狀態(tài)下的銅損為230 MW。電抗器額定參數(shù)狀態(tài)下的鐵損：

由式 （4）得到電抗器額定參數(shù)狀態(tài)下的鐵損為220 kW。

試驗(yàn)參數(shù)下的銅損：

由式（5）得到試驗(yàn)參數(shù)下的銅損為26 kW。

試驗(yàn)參數(shù)下的鐵損：

式（6）中：Utm為最高試驗(yàn)電壓；Ur為額定電壓；ft為試驗(yàn)頻率；fr額定頻率。

由式（6）得到試驗(yàn)參數(shù)下的鐵損為256 kW。

試驗(yàn)參數(shù)下的電抗器總損耗：

由式（7）可以得到試驗(yàn)參數(shù)下的電抗器總損耗為282 kW。

當(dāng)tanδ=0.3%時(shí)，補(bǔ)償電容器的有功損耗為：

由式（8）得到當(dāng)tanδ=0.3%時(shí)，補(bǔ)償電容器的有功損耗為416 kW。

3　局放測(cè)量回路分析

3.1補(bǔ)償電容器側(cè)加壓

根據(jù)圖1串聯(lián)諧振基本原理圖，得到回路等效電路如圖4所示。試驗(yàn)主回路中，中間勵(lì)磁變壓器等效為電抗L2，被試電抗器等效為電抗L和電容C3。局放測(cè)試回路中，檢測(cè)阻抗從電抗器高壓套管末屏取信號(hào)，檢測(cè)阻抗等效為電阻R、電感L3和電容Cd并聯(lián)。

圖4　等效電路圖

由于局部放電信號(hào)頻率較高，約100 kHz左右。補(bǔ)償電容器容量大，在100 kHz頻率下，容抗偏小，局放測(cè)試回路簡(jiǎn)化等效如圖5所示。

設(shè)被試品內(nèi)部存在放電量q2，試品兩端形成一個(gè)脈沖電壓：

圖5　局放測(cè)量回路等效

得Cd兩端的脈沖電壓為：

設(shè)補(bǔ)償電容器側(cè)內(nèi)部或外部存在放電量q1，傳播到檢測(cè)阻抗，得Cd兩端的脈沖電壓為：

從式10、式11可以看出，補(bǔ)償電抗器側(cè)內(nèi)部或外部存在的放電量與被試并聯(lián)電抗器內(nèi)部局部放電量存在相同的信號(hào)傳遞函數(shù)，均可以無差異地傳遞到局放檢測(cè)阻抗上，難以分辨放電量的來源，對(duì)局放檢測(cè)造成干擾。

為屏蔽設(shè)備端局放信號(hào)的干擾，在補(bǔ)償電容器與被試電抗器之間加裝阻波電抗器L1，屏蔽設(shè)備端干擾信號(hào)對(duì)局放測(cè)試的干擾，增大局放檢測(cè)的靈敏度，如圖6所示。

圖6　增加阻波電抗器的等效電路圖

3.2被試并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)側(cè)加壓

主回路中，也可以采用從被試并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)端加壓、補(bǔ)償電容器在被試電抗器高壓側(cè)補(bǔ)償?shù)幕芈?，如圖7所示。主回路中電抗器與電容器位置進(jìn)行了調(diào)換，被試電抗器中性點(diǎn)交流耐壓絕緣水平為275 kV，遠(yuǎn)高于中間勵(lì)磁電壓，主回路設(shè)備參數(shù)均不變。

局放測(cè)試回路簡(jiǎn)化等效電路如圖8所示。

圖7　從電抗器中性點(diǎn)加壓的等效電路圖

圖8　局放測(cè)量回路等效

設(shè)被試品內(nèi)部存在放電量q3，傳播到檢測(cè)阻抗，得Cd兩端的脈沖電壓為：

從式（12）看出，由于C1遠(yuǎn)大于Cx，C4和Cd，當(dāng)放電量q3和放電量q2相同時(shí)，遠(yuǎn)小于ΔUd2。被試并聯(lián)電抗器所產(chǎn)生的局放信號(hào)大部分被補(bǔ)償電抗器分流，另外補(bǔ)償電容器本身及地回路的干擾信號(hào)容易干擾局放檢測(cè)單元，將嚴(yán)重降低局放檢測(cè)靈敏度。為了屏蔽干擾，提高局放檢測(cè)靈敏度，同樣需要在被試并聯(lián)電抗器和補(bǔ)償電容器之間裝設(shè)阻波電抗器，如圖9所示。

圖9從電抗器中性點(diǎn)加壓且加裝阻波電抗器等效電路圖

圖7中所示回路存在局部放電檢測(cè)靈敏度低、地網(wǎng)干擾及補(bǔ)償電容器放電量無法排除等缺點(diǎn)首先被剔除。圖4中所示回路存在補(bǔ)償電抗器側(cè)內(nèi)部或外部存在的放電量可以容易傳遞到局放檢測(cè)阻抗上，干擾同樣難以排除，因此不推薦該回路。圖6與圖9所示回路中均添加了阻波電抗器，能夠屏蔽設(shè)備端干擾信號(hào)對(duì)局放測(cè)試的干擾，增大局放檢測(cè)的靈敏度，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均可行，若補(bǔ)償電容器采用多柱結(jié)構(gòu)，圖9中可以考慮取消電容分壓器，采用在其中一柱補(bǔ)償電容器底部安裝低壓臂電容進(jìn)行電壓測(cè)量。

4　設(shè)備選型

4.1補(bǔ)償電容器

根據(jù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)諧振頻率250 Hz，以及試驗(yàn)容量138.78 Mvar和試驗(yàn)電壓1080 kV，可得相應(yīng)的補(bǔ)償電容器量C約為76 nF。所配置的諧振電容器額定電壓應(yīng)不低于1080 kV，考慮取值1200 kV，額定頻率不應(yīng)低于250 Hz。補(bǔ)償電容器工作頻率為250 Hz，相對(duì)于常規(guī)的工頻（50 Hz）電容器，因工作頻率高，有功損耗容易增大。但因受系統(tǒng)配置的電源容量限制，需將諧振電容器的有功損耗控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，須選用高頻低損耗的無局放電容器，250 Hz頻率下介質(zhì)損耗tanδ超過0.3%。因諧振補(bǔ)償電容器容量、體積較大，考慮運(yùn)輸和安裝因素，采用柱式組合結(jié)構(gòu)，選用9節(jié)三串三并組成，柱式電容器單節(jié)參數(shù)為76 nF/400 kV，尺寸D1200×2300 mm，重量約3 t。

4.2變頻電源

在試驗(yàn)回路中，勵(lì)磁變壓器的有功損耗幾乎可以忽略不計(jì)。但是在高頻下，回路諧振電容器的損耗相當(dāng)大，占據(jù)主導(dǎo)地位?；芈分须娍蛊骱碗娙萜鞯膿p耗為PLC≈282+416=698 kW。

同時(shí)，考慮到電抗器漏磁損耗偏差以設(shè)備容量裕度，無局放變頻電源容量應(yīng)不小于上述LC總損耗數(shù)值的2倍，取1500 kW，采用3臺(tái)500 kW電源并機(jī)。

4.3試驗(yàn)變壓器

變頻電源容量取值為1500 kW，決定了與其匹配勵(lì)磁變壓器的容量也不低于1500 kV·A，可采用2臺(tái)并聯(lián)構(gòu)成。勵(lì)磁變壓器的額定輸出電壓由諧振試驗(yàn)回路的品質(zhì)因數(shù)Q值決定。在滿足最大試驗(yàn)電流的前提下，對(duì)于確定容量1500 kV·A的勵(lì)磁變，可設(shè)計(jì)其最高額定輸出電壓：

根據(jù)式 （13）得到其最高額定輸出電壓為11.67 kV。勵(lì)磁變壓器采用多種電壓組合，盡可能提高變頻電源的輸出電壓，從而降低變頻電源的輸出電流，提高電源效率。輸出繞組設(shè)計(jì)為多繞組結(jié)構(gòu)，2.92 kV×4。輸入繞組同樣考慮多繞組結(jié)構(gòu)，450 V×2。

根據(jù)勵(lì)磁變壓器的電壓組合，試驗(yàn)系統(tǒng)能夠進(jìn)行試驗(yàn)的最佳Q值匹配范圍為92.5～951。

4.4阻波電抗器

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施高壓試驗(yàn)下的局放測(cè)量存在抗干擾的難題，尤其對(duì)于1000 kV并聯(lián)電抗器局放試驗(yàn)，高電位區(qū)域廣、設(shè)備體積巨大、均壓環(huán)和高壓連接線無暈化設(shè)計(jì)和處理難度高，局放檢測(cè)抗干擾面臨挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)備與被試電抗器之間局放信號(hào)的傳遞隔離，考慮采用阻波電抗器來實(shí)現(xiàn)隔離功能。阻波電抗器需符合以下要求：（1）能夠阻礙100 kHz左右的局部放電信號(hào)；（2）在試驗(yàn)頻率300 Hz以內(nèi)不影響主回路試驗(yàn)參數(shù)；（3）滿足無局放要求。

綜合阻波電抗器的要求，初步選定其電感值為2 mH，100 kHz下感抗為1256 Ω，250 Hz下感抗為3 Ω，滿足要求。阻波電抗器宜安裝在補(bǔ)償電容器的頂部，并且處于均壓環(huán)屏蔽范圍以內(nèi)。

5　結(jié)束語(yǔ)

（1）開展1000 kV并聯(lián)電抗器局放試驗(yàn)宜選用串聯(lián)諧振試驗(yàn)電路，需要在試驗(yàn)主回路上補(bǔ)償大容量諧振電容器，試驗(yàn)電壓1080 kV，試驗(yàn)容量根據(jù)具體工程確定；

（2）需在補(bǔ)償電容器與被試電抗器之間加裝阻波電抗器，屏蔽設(shè)備端干擾信號(hào)對(duì)局放測(cè)試的干擾，增大局放檢測(cè)的靈敏度，阻波電抗器推薦電感值2 mH，宜安裝在補(bǔ)償電容器的頂部，并且處于均壓環(huán)屏蔽范圍以內(nèi)；

（3）試驗(yàn)回路中，圖6與圖9所示回路均可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，若補(bǔ)償電容器采用多柱結(jié)構(gòu)，圖9中可以考慮取消電容分壓器，采用在其中一柱補(bǔ)償電容器底部安裝低壓臂電容進(jìn)行電壓測(cè)量，可減少設(shè)備和局放干擾區(qū)域。

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吳鵬（1983），男，河南西平人，高級(jí)工程師，從事線圈類電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估研究工作。

Partial Discharge Testing Scheme for Extra High Voltage Shunt Reactor

WU Peng
（State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China）

Partial discharge testing is one of the most effective methods for inspecting the insulation condition of electrical equipment.Compared with the partial discharge testing of 1000 kV transformer，the partial discharge testing of 1000 kV reactor has the features of large capacity，complicated testing equipment，difficult shielding，and so on.In this paper，the configuration of testing device for 1000 kV shunt reactor，as well as its testing method，principle and calculation，are introduced.The main partial discharge test circuit of 1000 kV shunt reactor is analyzed.The testing parameters，such as test current，capacitance compensation，loss and so on，are calculated.The detecting sensitivity of PD detection circuit and anti-interference are analyzed.According to the testing equipment technical level，the parameters design and selection of main testing equipment's compensation capacitor，frequency conversion voltage，excitation transformer，and trap reactor are carried out.Finally，the basis for equipment development and field testing is provided.

extra high voltage；shunt reactor；partial discharge

TM472

A

1009-0665（2016）04-0020-04

2016-04-18；修回日期：2016-05-27