高壓直流電纜試驗用直流分壓裝置的研究

趙海龍

（正泰電氣股份有限公司）

0 引言

近年來我國高壓直流電纜技術(shù)快速發(fā)展，±210kV、±320kV及±525kV直流電纜相繼研制成功［1-5］。高壓直流電纜在投入工程應(yīng)用前，需通過型式試驗和預(yù)鑒定試驗，通過施加規(guī)定的直流試驗電壓以考核直流電纜的電氣性能，采用的關(guān)鍵試驗設(shè)備為直流電壓發(fā)生器［6-7］。

直流電壓發(fā)生器作為高壓試驗室的主要設(shè)備之一，主要用于換流閥、高壓直流電纜、直流套管等產(chǎn)品的直流耐壓及直流局放等試驗［8-10］。直流電壓發(fā)生器的組成包括本體、分壓器、本體與分壓器之間的保護電阻等，試驗中從直流電壓發(fā)生器的頂部接線端引出一路直流高壓，接入試品進行試驗［11-12］。

國內(nèi)外電纜實驗室偶爾會采用一臺直流電壓發(fā)生器接入兩個相同額定電壓的直流電纜進行試驗，但受制于直流電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，尚無法開展一臺直流電壓發(fā)生器接兩個不同額定電壓的直流電纜進行試驗［13-14］。常規(guī)直流產(chǎn)品的試驗時間較短，通常為幾分鐘至幾小時，而高壓直流電纜的試驗如負荷循環(huán)試驗及長期電壓試驗，持續(xù)時間為1個月至1年，試驗時間很長，導(dǎo)致試驗設(shè)備、場地及人員消耗較多，試驗成本很高［15-18］。

為此，本文研究一種應(yīng)用于高壓直流電纜試驗的直流分壓裝置，通過該裝置與直流電壓發(fā)生器配套使用，首次實現(xiàn)一臺直流電壓發(fā)生器同時接入兩個不同額定電壓的高壓直流電纜進行試驗，以提高試驗效率，降低試驗成本。

1 設(shè)計思路

直流電壓發(fā)生器的主回路通常采用對稱倍壓回路，通過多級回路串聯(lián)，在最頂部實現(xiàn)高壓直流試驗電壓的輸出。若直接從直流電壓發(fā)生器的不同級引出直流電壓，即第n級接第1路試品，第n-m級接第2路試品，則第n-m級與第n級的電壓比為n-m/n，會造成：一是試驗電壓比例固定，無法調(diào)節(jié)，僅能滿足1路試品的試驗電壓，二是第2路試品不經(jīng)保護電阻直接與直流電壓發(fā)生器相連，試品擊穿或閃絡(luò)將對直流電壓發(fā)生器本體造成損害。

因此，在直流電壓發(fā)生器之外設(shè)置一臺直流分壓裝置，通過該裝置引出兩個不同的直流試驗電壓。設(shè)計思路為：將直流分壓裝置設(shè)計成2級，第1級為高壓臂電阻，第2級為低壓臂電阻；從高壓臂引出第1路直流高壓，接入第1個額定電壓試品，從低壓臂引出第2直流高壓，接入第2個額定電壓試品；高壓臂及低壓臂電阻阻值按試驗電壓要求進行分配；直流分壓裝置經(jīng)保護電阻與直流電壓發(fā)生器相連接。

直流分壓裝置初步設(shè)計圖見圖1，其中，R1為第1級電阻，即高壓臂電阻，R2與R3共同構(gòu)成第2級電阻，即低壓臂電阻，R3為屏蔽電阻，作用為電壓鉗位，防止各級電阻對地電容分布不均引起的電壓比例變化。

圖1 直流分壓裝置初步設(shè)計圖

2 裝置結(jié)構(gòu)

2.1 基本結(jié)構(gòu)

直流試驗電壓作用下，將試品1和試品2分別等效為電阻RC1、RC2。考慮試品等效電阻后的直流分壓裝置基本結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 考慮試品等效電阻后的裝置基本結(jié)構(gòu)

R1直接與直流電壓發(fā)生器連接，通過調(diào)節(jié)直流電壓發(fā)生器的輸出電壓UDC即可調(diào)節(jié)作用于試品1的試驗電壓值。適當配合R1及R2的阻值，使得當作用于RC1上的試驗電壓為U1時，作用于RC2上的電壓恰好為標準所要求的試驗電壓U2。

2.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

直流分壓裝置在使用的過程中，需要考慮以下三個方面因素：一是試品阻值會受到電纜參數(shù)及試驗環(huán)境溫度等因素的影響，因此，直流分壓裝置需設(shè)計為可調(diào)節(jié)參數(shù)，以滿足試品阻值有一定變化時，施加于RC1和RC2上的試驗電壓仍可滿足標準要求；二是當試品擊穿或閃絡(luò)時，可能會對直流電壓發(fā)生器造成損害，因此，直流分壓裝置需經(jīng)一定保護操作后再與直流電壓發(fā)生器相連；三是作用于試品2上的電壓雖可按比例計算，但準確的電壓值仍需采取一定的方式直接測量。

考慮以上因素，將直流分壓裝置結(jié)構(gòu)適當優(yōu)化，如圖3所示，其中，R1為保護電阻，用于限制試品擊穿或閃絡(luò)時作用于直流電壓發(fā)生器上的過電壓，R2與R3以串并聯(lián)形式組成第1級電阻，即高壓臂電阻，R4與R5共同構(gòu)成第2級電阻，即低壓臂電阻，r為測量電阻，第2級電阻與r形成直流分壓裝置的測量功能，用于準確測量施加于試品2上的試驗電壓值。

圖3 直流分壓裝置優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3 參數(shù)計算

圖2中，各電壓按電阻阻值進行分配：

由式（2）得：

由于Z2中已知R3、R2，則：

RC2電流計算方法：

根據(jù)此計算方法，可通過調(diào)節(jié)R1的阻值來計算第2路試品的參數(shù)要求。

試驗時施加于RC1的試驗電壓通過調(diào)節(jié)直流電壓發(fā)生器的輸出電壓即可，RC2按一定比例取得試驗電壓，而試品2的阻值RC2隨電纜長度及規(guī)格等不同會有一定變化。

圖3中，各電阻阻值計算方法為：

4 實例研究

實驗室現(xiàn)有一臺2400kV/30mA直流電壓發(fā)生器，6級串聯(lián)，級電壓400kV，最高可輸出電壓2400kV。國內(nèi)±525kV及±320kV直流電纜試驗需求量較大，以下以±525kV及±320kV直流電纜為試品，舉例說明直流分壓裝置的電阻配置方法。

4.1 電阻配置

當試品1和試品2分別為±525kV、±320kV直流電纜時，UC1=972kV，UC2=592kV［19］。若以單根50m長度±320kV直流電纜進行測試，試驗中±320kV直流電纜在592kV試驗電壓下的試驗電流范圍為1.2mA，考慮一定變化范圍，配置直流分壓裝置時的IC2取0.85～1.74mA。

采用圖3結(jié)構(gòu)，Z2阻值調(diào)節(jié)方式分以下三種方式：方式1，保留所有的電阻，此時Z2值最小，IC2最大；方式2，去掉上一級R2及下一級R2；方式3，去掉上一級R3及下一級R3，此時Z2值最大，IC2最小。

為降低雜散電容對分壓值的影響，R4和R5宜選取大阻值電阻，R4取1500MΩ，R5取1500MΩ。根據(jù)式（7）～式（9），各電阻阻值配置見表1，則R2=212.5MΩ，R3=255MΩ。

表1 電阻阻值配置表

保護電阻R1的阻值選取需綜合考慮，不可過小，否則起不到保護作用，也不可過大，否則保護電阻上的電壓降過大，影響試品1和試品2的試驗電壓值，R3阻值宜為kΩ級，綜合考慮，R1取值80kΩ。

4.2 過電流保護效果研究

若試品1或試品2試驗時發(fā)生擊穿或閃絡(luò)，產(chǎn)生的過電流可能會對直流電壓發(fā)生器造成影響。采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件，對試品擊穿或閃絡(luò)后的過電流進行仿真研究［20-21］。試品擊穿或閃絡(luò)采用開關(guān)接地的方式來模擬，仿真模型見圖4。

圖4 過電流仿真模型

4.2.1 試品1擊穿或閃絡(luò)

試品1（±525kV直流電纜）擊穿或閃絡(luò)時，流過直流電壓發(fā)生器的高壓硅堆的最大電流為23.7A，如圖5所示，小于高壓堆的最大瞬時耐受電流60A，直流電壓發(fā)生器處于安全狀態(tài)。

圖5 試品1擊穿或閃絡(luò)時流過硅堆的最大電流

4.2.2 試品2擊穿或閃絡(luò)

試品2（±320kV直流電纜）擊穿或閃絡(luò)時，流過直流電壓發(fā)生器的高壓各級硅堆的最大電流為8.2A，如圖6所示，高壓硅堆處于安全狀態(tài)。

圖6 試品2擊穿或閃絡(luò)時流過高壓硅堆的最大電流

4.3 分壓效果研究

對直流分壓裝置接入負載后的分壓效果進行試驗研究，試驗回路原理圖如圖7所示。

圖7 試驗回路原理圖

其中，DC為直流電壓發(fā)生器本體，Rb1為直流電壓發(fā)生器的保護電阻，R1和R2分別為電阻分壓器的高壓臂及低壓臂，Rb2為直流分壓裝置與直流電壓發(fā)生器之間的保護電阻，R3和R4構(gòu)成標準電阻分壓器，用以與試品2的測量電壓做比對，Z1和Z2構(gòu)成電阻分壓裝置，Z1為第1級電阻，Z2為第2級電阻，r為測量電阻。試驗中，接入負載電阻RL，RL=500MΩ，用以模擬±320kV直流電纜。試驗回路布置圖如圖8所示。

圖8 試驗回路布置圖

測試結(jié)果如表2所示，其中UC1為施加于試品1上的試驗電壓，由直流電壓發(fā)生器直接測量，UC2為施加于試品2上的試驗電壓，由標準電阻分壓器測量。從表2可看出，電壓偏差k%隨著試驗電壓的提高逐漸減小，當施加于試品1的電壓為試驗電壓時，偏差k%=-0.61%＜1%（試驗要求UC1/UC2=972kV/592kV=1.64），分壓效果較好，可以滿足試驗要求。

表2 直流分壓效果測試

5 結(jié)束語

本文研究的直流分壓裝置，作用為與直流電壓發(fā)生器配套使用，實現(xiàn)一臺直流電壓發(fā)生器接入兩個不同額定電壓的直流電纜進行試驗。

1）直流分壓裝置結(jié)構(gòu)為高壓臂及低壓臂2級組成，為充分考慮試品阻值的變化，其結(jié)構(gòu)為可調(diào)節(jié)式，并配置測量電阻用于準確測量試品2上的試驗電壓值。

2）以試品1和試品2分別為±525kV及±320kV直流電纜，具體說明直流分壓裝置的電阻配置方法，仿真計算試品擊穿或閃絡(luò)時產(chǎn)生的過電流是否對直流電壓發(fā)生器的高壓硅堆造成損害，采用試驗方法研究裝置的分壓效果。

3）當試品為其他額定電壓的電纜組合時，可以依據(jù)高壓直流電纜的具體試驗電壓值及試驗電壓比例關(guān)系、電纜試品的阻值情況，參考本文方法進行設(shè)計。