雷電沖擊電壓波形振蕩回路的仿真分析

冷龍茂

【關鍵詞】沖擊電壓發(fā)生器;高電壓試驗;波前振蕩;特高壓;仿真分析

【中圖分類號】TM935 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）08-0039-03

0 引言

我國特高壓電網(wǎng)事業(yè)蓬勃發(fā)展[1]，推動國內(nèi)特高壓電力裝備生產(chǎn)基地和研發(fā)單位高電壓試驗室的高壓試驗能力提升[2-3]。在我國大規(guī)模特高壓電網(wǎng)建設過程中，特高壓GIS生產(chǎn)企業(yè)需要大批量、高效率地完成GIS單元出廠試驗，這對高壓試驗室提出了較高的要求。

為了大批量和高效率地完成GIS單元出廠絕緣試驗，試驗室試驗系統(tǒng)采用的是從分壓器引線，經(jīng)套管和管道母線，通過與隔離開關的組合，形成多個耐壓端口的試驗工裝系統(tǒng)。這種工裝布置方法的優(yōu)點是車間裝配人員可集中對接若干個試品，然后集中試驗。當其中一個試驗端口正在進行試驗時，另外的試驗端口進行試驗產(chǎn)品的對接工作，兩者互不干擾。

但是，這樣設計的工裝有一個缺點，長管道母線和多個隔離開關組成的工裝電容量很大，會與長管道母線外殼的電感產(chǎn)生L-C振蕩，雷電沖擊電壓波前產(chǎn)生一個折皺，不利于實現(xiàn)標準雷電波的要求。

國標GB/T 16927.1和IEC60060-1對標準雷電沖擊電壓波形做了嚴格的規(guī)定[4-5]，要求波前時間Tf為1.2μs±30%，波尾時間Tt為50μs±20%，過沖不能大于峰值電壓的10%。因為特高壓電力裝備GIS的電壓等級高和電容量較大，所以一般的試驗系統(tǒng)難以兼顧滿足標準雷電波與企業(yè)生產(chǎn)能力的要求。

在較小負載電容情況下，通過調(diào)整發(fā)生器的波頭電阻Rf和波尾電阻Rt，能夠縮短沖擊電壓的波前時間，輸出標準雷電沖擊電壓波形。當波頭電阻小于臨界阻尼電阻時，沖擊電壓波形的過沖可能會大于峰值電壓的10%。文獻[6]詳細研究了在發(fā)生器和分壓器之間串聯(lián)一個低通濾波器抑制這種振蕩的方法。目前，尚無文獻深入研究沖擊電壓波前振蕩的原因，僅在試驗室嘗試通過調(diào)整波頭電阻和波尾電阻也不能降低或消除沖擊電壓波前的振蕩。

本文運用MATLAB/Simulink仿真軟件建立一臺4 000 kV/400 kJ沖擊電壓發(fā)生器的仿真模型，用于研究發(fā)生器本體電感和引線電感對波形振蕩的影響，并重新建立負載電容的仿真模型，仿真得到?jīng)_擊電壓波前振蕩的波形。這對搭建實際沖擊電壓發(fā)生器系統(tǒng)具有重要的指導意義。

1 沖擊電壓發(fā)生器等值回路分析

沖擊電壓發(fā)生器是采用馬克斯（Marx）回路來產(chǎn)生沖擊電壓，其基本原理是多個電容器并聯(lián)充電，而后串聯(lián)放電，其放電等值回路如圖1所示，試品電容C2的電壓u2：

圖2是等值回路負載電容C2的電壓波形圖，是一個平滑的雙指數(shù)波形。這種回路只考慮回路電阻和電容對波形的影響。試驗室中實際的雷電沖擊電壓系統(tǒng)不能得到這樣無振蕩的沖擊電壓波形。實際回路中的高壓引線、電容器、發(fā)生器的波頭電阻和波尾電阻、大負載及接地系統(tǒng)等都不可避免地存在電感，會引起波形振蕩[7]。

2 波形振蕩的因素分析

2.1 沖擊電壓發(fā)生器和引線電感引起的波頭振蕩

回路中引線的電感和沖擊電壓發(fā)生器本體固有電感會對沖擊電壓波頭產(chǎn)生影響。根據(jù)電路理論，如果發(fā)生器波頭電阻小于臨界阻尼值，回路會產(chǎn)生振蕩，并且波頭過沖可能會超過峰值電壓的10%。振蕩周期T：

試驗室搭建了一臺4 000 kV/400 kJ沖擊電壓發(fā)生器仿真模型（如圖3所示），沖擊電壓發(fā)生器共20級，采用雙邊高效充電回路，串聯(lián)放電時電容C為0.050 5μF（單個電容量為2 μF），發(fā)生器設備驗收時測得發(fā)生器本體電感L1為123μH，發(fā)生器雜散電容C0為320 pF，弱阻尼分壓器電阻R為384 Ω，高壓臂電容Cd1為140 pF，低壓臂電容Cd2為0.974 2μF，波頭電阻Rf為192 Ω，波尾電阻Rt為1 440 Ω，發(fā)生器至分壓器引線電感L0約2 μH，分壓器至負載套管引線電感L2約15 μH。

圖4是試驗室實測的沖擊電壓波形，圖5是運用MATLAB/Simulink仿真得到的波形。本次試驗只接入了試驗室負載總工裝電容的1/3，Cx約2 000 pF。仿真回路中考慮了高壓引線電感和發(fā)生器本體固有電感對回路的影響。實測和仿真波形在波峰處都發(fā)生了振蕩。

利用這一特點，在發(fā)生器和分壓器之間串聯(lián)一個合適的電感，試品上可以得到雷電沖擊振蕩波或者操作沖擊振蕩波[4-5]。

沖擊電壓發(fā)生器的標準波額定負載能力達到極限后，進一步降低波頭電阻可以在一定范圍內(nèi)減小波頭時間。但是，此時波形過沖會超過峰值電壓的10%。在分壓器和發(fā)生器之間串聯(lián)一個低通濾波器[8-9]，抑制波頭的振蕩，減小波形過沖，使之符合國標GB/T 16927.1標準要求，這在一定程度上提高了帶標準波負載能力。低通濾波器是由合適的電阻和電容并聯(lián)而成的。

2.2 GIS試品電感引起的波形振蕩

大型試驗裝置運用GIS長母線和隔離開關組合成多個耐壓端口工裝。長管道母線接地路徑遠，存在一定的電感，使得試品和工裝電容是通過一個電感接地。這個電感會引起回路發(fā)生振蕩，在雷電沖擊電壓上升沿會形成一個折皺。還是運用這臺4 000 kV/400 kJ沖擊電壓發(fā)生器進行仿真分析。圖6所示為仿真模型的回路，母線工裝電容量很大（長約802 m），仿真時采用分布參數(shù)進行仿真。仿真設置的負載為7 000 pF，電感量設置成50 μH。

如圖7和圖8所示分別是試驗室實測和軟件仿得到的沖擊電壓波形。仿真時在負載電容接地回路串入電感后得到的波形和實測波形一致，都有一個折皺。說明負載電容接地回路中的電感引起沖擊電壓波形波前振蕩。

仿真結果顯示波前振蕩的周期T約1.8μs。在沖擊電壓發(fā)生器球隙觸發(fā)后，沖擊電壓發(fā)生器電容開始向大負載電容充電時，大負載電容與接地系統(tǒng)的電感產(chǎn)生了L-C振蕩，在沖擊電壓波前形成一個折皺。

在設計沖擊電壓系統(tǒng)時，試驗室接地網(wǎng)的接地電阻要符合要求。在不得不采用大負載長管道母線工裝時，應該分段就近接地，避免串入回路的電感太大引起波前振蕩，沖擊電壓波前出現(xiàn)折皺現(xiàn)象。

3 結論

引起沖擊電壓產(chǎn)生過沖和折皺的原因是回路中存在電感，使回路產(chǎn)生了L-C振蕩。本文分析了回路中不同分布的電感引起沖擊電壓波形振蕩的位置不同。

（1）高壓引線的電感和發(fā)生器固有電感引起沖擊電壓波頭振蕩。利用這一特點在進行雷電振蕩波試驗或操作振蕩波試驗時，就是在分壓器出口處串聯(lián)一個合適的電感，使波形產(chǎn)生振蕩，得到符合要求的沖擊振蕩波形。在進行非振蕩沖擊試驗時盡量減小回路里的電感量，例如波頭電阻采用無感繞法、減小高壓引線的長度等措施。在調(diào)波時，過沖如果大于峰值電壓的10%，增大波頭電阻可以使沖擊電壓波形過沖減小到峰值電壓的10%以下。為了提高帶標準波負載能力，過沖大于10%可以在分壓器和負載之間串聯(lián)一個低通濾波器降低過沖，使之滿足標準波波頭時間的要求。

（2）如果試驗室里大負載長母線工裝和GIS試品做不到就近接地，試品電容通過電感接地。這個電感引起回路產(chǎn)生振蕩，在波前形成一個折皺，增大波前時間，不利于實現(xiàn)標準雷電波。影響雷電沖擊電壓考核試品絕緣性能的有效性。所以，設計沖擊電壓系統(tǒng)應該避免設計成大容量長母線工裝。

參 考 文 獻

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[4]General definitions and test requirements.IEC6006

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[5]GB/T 16927.1—2011，高電壓試驗技術 第一部分：一般定義及試驗要求[S].

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[7]張仁豫，陳昌漁，王昌長，高電壓試驗技術[M].第3版.北京：清華大學出版社，2009：95-102.

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