直流疊加沖擊電壓試驗回路保護電阻參數(shù)選擇與外形優(yōu)化

張貴富，傅中，程登峰，朱太云，朱勝龍，吳正陽

(1. 合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，合肥230009；2. 國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，合肥230022)

0 引言

在特高壓交流工程系統(tǒng)調試過程中，GIS母線殘余電壓和合閘的沖擊電壓共同作用可能會導致GIS母線發(fā)生閃絡情況。開展GIS母線有殘余直流電壓情況下疊加沖擊電壓試驗是研究提高GIS母線絕緣水平的必要方法。設計直流疊加沖擊電壓試驗回路是開展試驗的重要工作。在設計該試驗回路時，一個重要任務是設計特殊的電阻元件保護直流電壓發(fā)生器，防止過高的沖擊電壓施加到直流電壓發(fā)生器造成設備損壞。

國內外研究人員對于直流疊加沖擊電壓試驗方法和對直流電壓發(fā)生器采取的保護措施開展了大量研究[1 - 6]。徐喆明等人開展了正極性100 kV直流疊加正操作沖擊電壓試驗，用組裝好的阻值為3 MΩ、外絕緣長度為0.9 m的氧化膜電阻作為保護電阻，能夠有效防止沖擊電壓加到直流發(fā)生器上[1]。廖蔚明等人研究了±800 kV直流線路桿塔塔頭空氣間隙的直流疊加操作沖擊放電特性，文中設計了疊加試驗回路，選擇10 MΩ的水電阻用于保護直流電壓發(fā)生器，用絕緣繩懸掛安裝[5]。馬徑坦等人研究了±100 kV直流疊加600 kV沖擊電壓下GIS的絕緣特性，建立了疊加試驗回路，采用1 MΩ的保護電阻，用于降低沖擊電壓對直流電壓發(fā)生器的影響[6]。文獻[7 - 8]研究了棒-板、棒-棒間隙的直流疊加操作沖擊電壓試驗，試驗中施加的直流電壓分別為400 kV、600 kV、750 kV，操作沖擊電壓為不同幅值的120/4 000 μs波形電壓，其中文獻[7]采用了2.5 MΩ保護電阻來實現(xiàn)保護直流電壓發(fā)生器的目的，而文獻[8]則采用6 MΩ的電阻用于保護額定值為±750 kV、15 mA的直流電壓發(fā)生器。綜上所述，國內外已有較多對于直流電壓發(fā)生器保護電阻的研究，保護電阻的參數(shù)選擇方法值得借鑒，但由于試驗要求不同，選擇的保護電阻阻值也不同，同時由于電壓等級高，要實現(xiàn)900 kV直流電壓疊加1 800 kV操作沖擊電壓或2 400 kV雷電沖擊電壓的共同作用，保護電阻的外絕緣尺寸和外形需要進行設計，之前文獻研究則較少。

本文首先利用仿真軟件進行直流疊加沖擊電壓試驗回路中保護電阻的阻值計算，確定保護電阻的阻值；對研制的保護電阻進行試驗，基于發(fā)生的外絕緣閃絡現(xiàn)象，優(yōu)化電阻絲繞法和高壓端均壓環(huán)尺寸，最終獲得滿足試驗要求的電阻。

1 試驗回路原理圖

直流與沖擊電壓疊加試驗的試驗回路如圖1所示。其中左邊為沖擊電壓發(fā)生器，右邊為直流電壓發(fā)生器。沖擊電壓發(fā)生器通過隔直電容與相應的GIS試驗段連接，GIS試驗段為1 000 kV電壓等級母線串聯(lián)500 kV母線試驗平臺，其中1 800 kV操作或2 400 kV雷電沖擊電壓是1 000 kV GIS母線額定操作或雷電沖擊耐受電壓。為了防止沖擊電壓會加到直流電壓發(fā)生器造成損壞，在回路的直流電壓發(fā)生器與試品之間增加了保護電阻Rd。Rd的阻尼會使直流發(fā)生器上承受的沖擊電壓減少[1]。正確選擇Rd的大小是實現(xiàn)保護的關鍵[1]。

圖1 直流與沖擊電壓疊加試驗回路原理圖Fig.1 Schematic diagram of DC and impulse voltage superimposed test circuit

2 保護電阻電阻值選擇

2.1 保護選擇原理

根據(jù)試驗回路的等效電路計算，將沖擊波等效成持續(xù)時間為沖擊電壓半峰值時間T2的矩形波時, 可算出選擇保護電阻Rd的條件[1]。

(1)

式中：Um為沖擊電壓峰值；Uk為直流電壓發(fā)生器的承受電壓；T2為沖擊電壓半峰值時間，雷電過電壓可取50 μs，操作過電壓可取2 500 μs；Cd為濾波電容，在直流電壓發(fā)生器輸出側一般有50 nF的電容值，可視為濾波電容。

此外，保護電阻的阻值選擇還應滿足遠小于分壓器電阻(1 200 MΩ)和遠大于沖擊電壓發(fā)生器波頭電阻(32 kΩ)的要求[1]。

2.2 阻值的確定

綜合考慮式(1)計算結果和上述取值要求，確定保護電阻的阻值范圍為37.5 kΩ≤Rd<1 200 MΩ。在此范圍內，選擇常用的阻值為50、100、300、500、800 kΩ的保護電阻，分別放在直流疊加操作沖擊與直流疊加雷電沖擊電壓試驗回路中進行仿真計算，檢驗保護電阻的保護效果。仿真電路如圖2所示。假設隔直電容為0.03 μF，GIS試驗段試品等值電容約為0.007 μF。

圖2 保護電阻仿真電路圖Fig.2 Simulation circuit diagram of protection resistor

圖2中Ea為試品上的疊加電壓，Eb為直流電壓發(fā)生器輸出側電壓。試品不閃絡時，試品要承受全部疊加電壓，為最嚴重情況[1]。本文針對試品不閃絡時，在直流疊加操作沖擊電壓和直流疊加雷電沖擊電壓2種情況下，對上述5種阻值的保護電阻分別進行仿真分析。直流電壓發(fā)生器最高輸出電壓為1 200 kV，為達到保護直流電壓發(fā)生器的目的，直流電壓發(fā)生器承受的疊加電壓幅值控制在小于1 200 kV，以此來選擇保護電阻。

2.2.1 直流疊加操作沖擊電壓時電阻計算

保護電阻在不同取值時，進行+900 kV直流電壓疊加+1 800 kV操作沖擊電壓的仿真試驗。直流電壓發(fā)生器輸出側的電壓波形如圖3所示?？芍?)當Rd分別為50 kΩ和100 kΩ時，直流電壓發(fā)生器輸出側電壓幅值均高于1 200 kV；2)當Rd≥300 kΩ時，直流電壓發(fā)生器輸出側電壓幅值均低于1 200 kV，可滿足直流電壓發(fā)生器控制電壓的要求。同時考慮1.2倍的安全系數(shù)，選擇500 kΩ的保護電阻較合適。

圖3 Rd在不同取值時的直流電壓發(fā)生器電壓波形Fig.3 Voltage waveforms of DC voltage generator at different values of Rd

2.2.2 直流疊加雷電沖擊電壓試驗時電阻計算

保護電阻在不同取值時，進行+900 kV直流電壓疊加+2 400 kV雷電沖擊電壓仿真，圖4為直流電壓發(fā)生器輸出側電壓波形。由圖可知：當Rd≥100 kΩ時，直流電壓發(fā)生器輸出側電壓幅值小于1 200 kV，可以滿足直流電壓發(fā)生器控制電壓的要求。

綜合直流疊加操作沖擊與雷電沖擊電壓仿真計算結果，選擇阻值為500 kΩ的保護電阻可滿足試驗需要。

圖4 Rd在不同取值時的直流電壓發(fā)生器承受電壓波形Fig.4 Voltage waveforms of DC voltage generator at different values of Rd

3 保護電阻設計及試驗閃絡分析

3.1 保護電阻設計

由于試驗電壓等級較高，保護電阻在承受直流疊加沖擊電壓時需要防止外絕緣閃絡，保護電阻外絕緣長度要足夠。根據(jù)文獻[10 - 13]中空氣間隙距離d與50%沖擊放電電壓U50%的曲線關系，設計保護電阻的外絕緣長度為10 m，可滿足不發(fā)生外絕緣閃絡的要求。由于工藝原因，單節(jié)10 m電阻難以制作，因此采用3節(jié)串聯(lián)、橫置結構，設計圖如圖5所示，實物圖如圖6所示。

圖5 保護電阻設計圖Fig.5 Design drawing of protection resistor

圖6 保護電阻實物圖Fig.6 Physical map of protection resistor

3.2 試驗閃絡及原因分析

對加工的阻值為500 kΩ、外絕緣長度為10 m的保護電阻進行試驗，當施加的雷電沖擊電壓大于+1 700 kV時，保護電阻多次發(fā)生了外絕緣閃絡， 分析原因可能為：1)選材及制作工藝不符合試驗要求；2)電壓與電場分布不均勻。

將電阻進行解剖，環(huán)氧筒表面未發(fā)現(xiàn)異常，無閃絡痕跡；電阻絲未燒斷，熱容量足夠。說明環(huán)氧筒與電阻絲性能良好，閃絡并非選材及制作工藝所致，可能是電壓與電場分布不均勻造成外絕緣閃絡。

電壓與電場分布不均勻可能是電阻存在的剩余電感與寄生電容造成的[14 - 15]，保護電阻存在剩余電感與寄生電容的工況可有以下4種：工況1，電阻為單線密繞有感結構且寄生電容分布不均勻；工況2，電阻為單線密繞有感結構且寄生電容分布均勻；工況3，電阻為雙線對繞無感結構且寄生電容分布不均勻；工況4，電阻為雙線對繞無感結構且寄生電容分布均勻。對以上4種工況進行雷電沖擊電壓的電路仿真分析，模型如圖7所示。

圖7 保護電阻上承受雷電沖擊電壓的仿真電路圖Fig.7 Simulation circuit diagram of lightning impulse voltage on protection resistor

電阻共分為3節(jié)，分析計算時將其中第一節(jié)細化為10小段，分析電壓分布情況。實際中寄生電容分布不均勻時參數(shù)分布比較復雜，本文假設1、3、5、7、9這5小段的電容均為10 pF；2、4、6、8、10這5小段的電容均為50 pF，模擬寄生電容分布不均勻的情況。選取1、3、5、7、9這5小段電壓進行對比，得到電壓分布如圖8所示。

圖8 4種情況下的實際電阻電壓分布圖Fig.8 Distribution diagram of actual resistance voltage in four conditions

由圖8可知：1)圖8(a)—圖8(c)均出現(xiàn)了電阻電壓分布不均勻的情況，圖8(d)各段輸出電壓波形基本一致，說明電壓分布較均勻；2)對比圖8(b)和圖8(d)，說明剩余電感的存在對電壓分布產生一定的影響；3)對比圖8(c)和圖8(d)，說明寄生電容的存在對電壓分布有較大影響。

根據(jù)以上分析，為改善電阻電極間電壓分布，防止閃絡的發(fā)生，需要優(yōu)化電阻絲繞法，以減少電阻剩余電感；同時需要優(yōu)化外絕緣，使寄生電容分布更加均勻。

4 電阻絲繞法和外絕緣優(yōu)化

4.1 電阻絲繞法優(yōu)化

為使電阻剩余電感盡可能減小，電阻絲繞法采用雙線雙層對繞無感繞制方法[14]。同時，為了增加電阻絲層與層之間的絕緣，采用包墊單張聚丙乙烯薄膜的做法；為了保護電阻外表面，采用噴涂耐污性能良好的RTV材料的做法，如圖9所示。圖9中“?”表示進線，“⊙”表示出線。

圖9 電阻絲雙線對繞示意圖Fig.9 Schematic diagram of double-wire winding of resistance wire

4.2 外絕緣優(yōu)化

由于沖擊電壓的分布還會受寄生電容分布的影響，因此，需要對電阻的外絕緣進行優(yōu)化設計，配置均壓環(huán)是外絕緣優(yōu)化的有效措施[15 - 18]。本文在電阻的兩端增設大均壓環(huán)，中間連接處增設小均壓環(huán)，均壓環(huán)外形尺寸制作成類似避雷器用屏蔽環(huán)，如圖10所示，能夠更有效地均勻寄生電容分布，從而均勻電壓和電場分布。

圖10 均壓環(huán)結構Fig.10 Structure of grading ring

4.2.1 仿真模型的建立

為選出在電阻電壓分布和電場分布均勻時的均壓環(huán)尺寸，需要通過電場仿真的方法，對不同尺寸均壓環(huán)的均壓效果進行分析。從工程近似角度，將三維電阻模型簡化為二維模型[19 - 22]，且在建模過程中忽略了均壓環(huán)的支撐桿，采用懸浮模型[20]，同時為簡化計算，僅對第1節(jié)電阻進行仿真分析，其簡化模型如圖11所示。實際保護電阻懸掛于特高壓試驗大廳頂部，其電場的求解是開域問題，無法直接用有限元法求解[20 - 22]。本文采用漸進邊界條件[20 - 22]，選擇直徑約為該保護電阻長度10倍的圓形作為外部空氣域，來模擬無限大邊界。邊界條件設置為高壓側(包括均壓環(huán))施加雷電沖擊峰值電壓2 400 kV，低壓側(包括均壓環(huán))接地，圓形空氣域最外圍邊界電壓設置為0。采用自由三角形網格進行剖分，并選擇物理場控制。

圖11 加均壓環(huán)時的保護電阻二維仿真模型Fig.11 Two-dimensional simulation model of protection resistor when grading ring is added

4.2.2 外絕緣優(yōu)化計算

均壓環(huán)的原始尺寸如下：大均壓環(huán)D=2 400 mm、H=1 000 mm、d=240 mm，小均壓環(huán)D=910 mm、H=245 mm、d=150 mm。研究表明，電阻高壓側的電壓分布不均勻度最高，電場也集中在高壓側[19]。下文所指的均壓環(huán)參數(shù)優(yōu)化均為高壓側大均壓環(huán)。

1)均壓環(huán)環(huán)徑D的優(yōu)化

取d=240 mm、H=1 000 mm，對比D取值不同時電阻高壓側電極表面及均壓環(huán)表面的場強最大值，結果如表1所示。電阻沿面電壓、電場分布如圖12所示。

表1 D取值不同時最大場強計算結果Tab.1 Results of maximum electric field strength with different D

圖12 D取值不同時的沿面電壓、電場曲線Fig.12 Surface voltage and electric field strength distribution with different values of D

可以看出，隨著均壓環(huán)環(huán)徑D的增大，均壓環(huán)表面最大場強逐漸減小，保護電阻沿面電壓與電場的均勻程度逐漸升高，但變化幅度相對減小。增大D可以有效改善電阻的電壓與電場分布，但當D過大時，由表1可知，電阻高壓側電極的最大場強會逐漸增大。因此均壓環(huán)環(huán)徑取為2 400～2 900 mm較為合適。

2)均壓環(huán)罩深H的優(yōu)化

取D=2 400 mm、d=240 mm，對比H不同取值下電阻高壓側電極表面及均壓環(huán)表面的場強最大值，如表2所示。電阻沿面電壓、電場分布如圖13所示?？梢钥闯觯S著H的減小，電阻高壓側電極表面和均壓環(huán)表面最大場強逐漸減小，當H為400～700 mm時，電阻沿面電壓和電場分布不均勻程度比較低。因此取均壓環(huán)罩深為400～700 mm較為合適。

表2 H取值不同時最大場強計算結果Tab.2 Results of maximum electric field strengths with different H

圖13 H取值不同時沿面電壓和電場Fig.13 Surface voltages and electric field strengths distribution with different H

3)均壓環(huán)管徑d的優(yōu)化

取D=2 400 mm、H=1 000 mm，對比d不同取值下電阻高壓側電極表面及均壓環(huán)表面的場強最大值，結果如表3所示。電阻沿面電壓、電場分布如圖14所示?？梢钥闯?，隨著d的增大，高壓側電極表面、均壓環(huán)表面的最大場強會逐漸降低，但由圖14可知，相比于前面1)和2)的仿真結果，d對電阻表面電壓和電場的影響較小，當d>290 mm時，隨著d的增大，高壓側電極和均壓環(huán)表面場強減小的幅度降低，且從經濟角度考慮，取均壓環(huán)管徑為240～290 mm較為合適。

表3 d取值不同時的最大場強計算結果Tab.3 Results of maximum electric field strengths with different d

圖14 d取值不同時沿面電壓、電場曲線Fig.14 Surface voltages and electric field strengths with different d

通過以上對均壓環(huán)配置參數(shù)的仿真計算，得出保護電阻高壓端應配置D=2 700 mm、H=500 mm、d=250 mm的均壓環(huán)。對比無均壓環(huán)、均壓環(huán)優(yōu)化前和均壓環(huán)優(yōu)化后3種情況，分別計算電阻高壓側電極表面及均壓環(huán)表面的場強最大值，結果如表4所示。3種情況下的電阻沿面電壓、電場分布如圖15所示，未安裝均壓環(huán)和安裝優(yōu)化后均壓環(huán)的保護電阻表面電場分布云圖如圖16所示。由表4可知，對比于無均勻環(huán)和優(yōu)化前的均壓環(huán)兩種情況，電阻安裝優(yōu)化后的均壓環(huán)，高壓側電極和均壓環(huán)表面場強最大值顯著降低。同時由圖15和圖16可知，電阻高壓側電極安裝優(yōu)化后的均壓環(huán)，電壓分布和電場分布更加均勻，可有效防止閃絡的發(fā)生。

表4 3種情況下最大場強計算結果Tab.4 Results of maximum electric field strengths in three conditions

圖15 3種情況下沿面電壓、電場Fig.15 Voltages and electric fields in three conditions

圖16 保護電阻表面電場分布云圖Fig.16 Cloud diagram of electric field strength distributions on the surface of protection resistor

根據(jù)第4.1節(jié)和第4.2節(jié)內容，經過外絕緣優(yōu)化后，保護電阻的整體結構示意圖如圖17所示。對比圖5，圖17在保護電阻環(huán)氧筒的表面改用雙線雙層對繞的電阻絲，在電阻的兩端增設大均壓環(huán)，中間連接處增設小均壓環(huán)。由尼龍絲編制而成的絕緣繩將保護電阻吊至半空，保證對地絕緣，同時改變起吊點的位置，可以減小絕緣繩對保護電阻電場分布的影響。

圖17 外絕緣優(yōu)化后的保護電阻設計圖Fig.17 Design diagram of protection resistor after optimization of external insulation

根據(jù)圖17，設計出的保護電阻實物如圖18所示。將優(yōu)化后的保護電阻放在試驗回路中，經過直流疊加沖擊電壓試驗，直流電壓發(fā)生器得到有效保護，同時電阻未再發(fā)生外絕緣閃絡，保證了疊加試驗的正常進行。

圖18 外絕緣優(yōu)化后的保護電阻實物圖Fig.18 Physical map of protection resistor after optimization of external insulation

5 結論

本文利用仿真軟件確定了保護電阻的阻值，并優(yōu)化了電阻絲繞法和外絕緣，最終獲得滿足試驗要求的電阻，同時獲得如下結論。

1)建立直流疊加沖擊電壓試驗回路仿真模型，綜合直流疊加操作沖擊電壓與雷電沖擊電壓仿真計算結果，為滿足本試驗回路要求，保護電阻選擇500 kΩ較合適。同時，外絕緣長度為10 m。

2)電阻絲采用雙線雙層對繞無感繞制方法；電極外觀配置環(huán)徑為2 700 mm、罩深為500 mm、管徑為250 mm的均壓環(huán)進行優(yōu)化，且每節(jié)電阻中間連接處增設小均壓環(huán)，可滿足試驗的需要。