干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)方法研究

虞曉巍

引言

電抗干式空心電抗器是電抗器的一種，使用時(shí)噪聲較小，但其使用占地面積較大[1-2]，涉及工作磁場(chǎng)范圍較廣，極易受電磁污染導(dǎo)致嚴(yán)重電磁干擾，不利于電力系統(tǒng)有效運(yùn)行[3]。干式空心電抗器產(chǎn)生的磁污染可能會(huì)影響周圍群眾的健康[4]。為降低干式空心電抗器的運(yùn)行負(fù)荷，減輕帶來(lái)的磁污染，需有效地進(jìn)行匝間過電壓試驗(yàn)。

在干式空心電抗器運(yùn)行過程中，隨著使用年限的增長(zhǎng)及使用材料的缺陷，極易出現(xiàn)過電壓故障。研究表明，近幾年我國(guó)大中小型變電站的干式空心電抗器過電壓事故頻發(fā)，給變電站造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5]。部分干式空心電抗器在制造過程中存在微小的缺陷，若未及時(shí)察覺[6]，很容易在頻繁投切的過程中形成匝間故障。相關(guān)研究人員針對(duì)干式空心電抗器匝間過電壓故障特點(diǎn)設(shè)計(jì)幾種常規(guī)的匝間過電壓試驗(yàn)方法[7]，但上述試驗(yàn)使用VMD模態(tài)分解技術(shù)獲取過電壓特征，易受電抗器并聯(lián)包封作用影響，導(dǎo)致試驗(yàn)過電壓波形不擬合，不符合干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)要求。本文根據(jù)干式空心電抗器的匝間缺陷特征，設(shè)計(jì)全新的干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)方法。

一、干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

（一）構(gòu)建干式空心電抗器過電壓試驗(yàn)等效模型

構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)需求擬合的空心電抗器過電壓試驗(yàn)等效模型是提高實(shí)驗(yàn)效果的基礎(chǔ)，本文使用等效計(jì)算法分析了干式空心電抗器的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了有效的過電壓試驗(yàn)等效模型[8]。本文使用基礎(chǔ)頻率采集集合表示存在氣隙的干式空心電抗器，調(diào)整電抗器的等效集成參數(shù)，有效處理電抗器的渦流問題[9]。根據(jù)干式空心電抗器的匝間導(dǎo)體間距可以計(jì)算電容系數(shù)，構(gòu)建有效干式空心電抗器過電壓試驗(yàn)等效模型，如圖1。

圖1 干式空心電抗器等效模型

本文構(gòu)建的等效模型忽略了磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。在干式空心電抗器穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，滿足安培環(huán)路定律，此時(shí)根據(jù)電抗器內(nèi)部的磁感強(qiáng)度可以調(diào)整試驗(yàn)頻率，確保其滿足干式空心電抗器試驗(yàn)要求，提高試驗(yàn)的可靠性。

（二）辨識(shí)干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)參數(shù)

為解決常規(guī)匝間過電壓試驗(yàn)受電抗器并聯(lián)包封作用影響導(dǎo)致的試驗(yàn)過電壓波形不擬合問題，本文辨識(shí)了干式空心電抗器過電壓試驗(yàn)參數(shù)，提高參數(shù)與試驗(yàn)間的擬合性。干式空心電抗器屬于感性元件，可能存在電流突變問題，影響最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文分析過電壓產(chǎn)生原理，確定試驗(yàn)等效電路間振蕩關(guān)系，降低回路振蕩誤差。

截流過電壓屬于重要的試驗(yàn)參數(shù)，為試驗(yàn)創(chuàng)造了基礎(chǔ)相位條件，因此，本文根據(jù)干式空心電抗器的電壓峰值狀態(tài)進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)，此時(shí)生成的振蕩回路辨識(shí)參數(shù)方程如公式（4）。

本文使用ATP-EMTP構(gòu)建仿真參數(shù)辨識(shí)程序，結(jié)合上文構(gòu)建等效模型進(jìn)行綜合辨識(shí)。干式空心電抗器可能會(huì)出現(xiàn)截流復(fù)燃問題，此時(shí)可以使用上述程序從三個(gè)角度調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)：

其一是截流值，在試驗(yàn)過程中該值相對(duì)難以模擬，該值低于試驗(yàn)范圍會(huì)立即出現(xiàn)試驗(yàn)截?cái)喱F(xiàn)象，需要根據(jù)斷路器的綜合性能指標(biāo)設(shè)置合理的開斷電路參數(shù)，提高截流分散性，該截流值一般低于7A；其二是介質(zhì)動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度，當(dāng)斷路器切斷電抗工頻電流后，其產(chǎn)生的機(jī)械力會(huì)發(fā)生不同程度的變化，導(dǎo)致試驗(yàn)介質(zhì)強(qiáng)度過高，嚴(yán)重增加了試驗(yàn)的不穩(wěn)定性，需根據(jù)介質(zhì)絕緣強(qiáng)度與試驗(yàn)觸頭分?jǐn)嚓P(guān)系進(jìn)行擬合表示，擬合表示式如公式（6）。

式中，u_d為試驗(yàn)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度，t為試驗(yàn)觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)間。其三是高頻熄弧能力，即在試驗(yàn)過程中需要保證流過斷路器的電流始終為0，且電流對(duì)時(shí)間的變化率滿足試驗(yàn)要求。只有滿足上述條件試驗(yàn)斷路器才能成功達(dá)到熄滅狀態(tài)，使試驗(yàn)參數(shù)達(dá)到過電壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

（三）修正干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)電路

匝間過電壓試驗(yàn)相對(duì)于耐感試驗(yàn)的難度更低，兩者使用的試驗(yàn)電路圖也不同，本文根據(jù)GB1094.6國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)有的匝間過電壓試驗(yàn)電路進(jìn)行優(yōu)化，如圖2。

圖2 干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)修正電路

圖2可知，上述試驗(yàn)修正電路的過電壓試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為1min，試驗(yàn)電壓峰值會(huì)隨著電壓等級(jí)變化而變化，但最高為66kV，試驗(yàn)響應(yīng)頻率需滿足干式空心電抗器的充放電電容關(guān)系。

當(dāng)電容與干式空心電抗器形成回路時(shí)，會(huì)發(fā)生脈沖振蕩，產(chǎn)生振蕩電壓，其也是過電壓試驗(yàn)的基本原理，因此，在試驗(yàn)的過程中，可以結(jié)合電抗器的等效并聯(lián)關(guān)系建立充放電電路，降低其他電容與等效電容之間的差值，提高最終的試驗(yàn)效果，此時(shí)得到的等效電路如圖3。

圖3 試驗(yàn)等效電路

由圖3可知，上述等效電路滿足試驗(yàn)的分壓關(guān)系，可以有效調(diào)整初始試驗(yàn)電壓，提高試驗(yàn)電路的電壓效率。

試驗(yàn)等效并聯(lián)電容越高，試驗(yàn)端的電壓就越低，為解決現(xiàn)存效率低的問題，本文調(diào)整干式空心電抗器的等效并聯(lián)電容，記錄不同充電電容下的電壓效率，選取電壓效率最高時(shí)的等效電容值作為試驗(yàn)電容值。當(dāng)干式空心電抗器試驗(yàn)放電過程中，放電回路的并聯(lián)關(guān)系會(huì)發(fā)生變化，因此可調(diào)整加載電抗器兩端的初始試驗(yàn)電壓，形成全新的RLC等效電壓試驗(yàn)關(guān)系，降低試驗(yàn)波形的衰減速度，使其滿足變化的充放電容量要求。當(dāng)振蕩波頻率過高時(shí)，其試驗(yàn)等效參數(shù)會(huì)發(fā)生一定改變，不利于試驗(yàn)的可靠性，因此本文設(shè)計(jì)方法計(jì)算了穩(wěn)定振蕩周期，進(jìn)行振蕩周期調(diào)整，最大程度上提高試驗(yàn)輸出波形與標(biāo)準(zhǔn)波形的擬合效果。

二、實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)方法的試驗(yàn)效果，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，與文獻(xiàn)一、文獻(xiàn)二兩種常規(guī)的干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)方法對(duì)比，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如下。

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文選取cksg-4.2/0.45-7干式空心電抗器作為實(shí)驗(yàn)電抗器，其性能良好，適配各種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。當(dāng)電抗器受合閘暗流作用影響時(shí)，可通過串聯(lián)諧振處理諧波放大作用。不同充放電電容下干式空心電抗器的運(yùn)行狀態(tài)不同，本實(shí)驗(yàn)結(jié)合過電壓試驗(yàn)驗(yàn)證要求，搭建有效實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)由調(diào)壓器、電源、分壓器等組成，布設(shè)場(chǎng)景也滿足本實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)過程須滿足實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體功能要求，即始終產(chǎn)生有效振蕩頻率的阻尼電波，當(dāng)設(shè)備達(dá)到規(guī)定幅值后的震蕩電壓波應(yīng)超過指定數(shù)量，清晰地記錄試驗(yàn)過電壓波形。

為獲取準(zhǔn)確仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需搭建合理匝間脈沖振蕩，上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置參數(shù)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表1可知，本實(shí)驗(yàn)選取IEC 60076國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)生成干式空心電抗器匝間過電壓實(shí)驗(yàn)電路。電容與電抗器會(huì)出現(xiàn)震蕩反應(yīng)，降低電抗器電感量，使電感頻率發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，從而確定干式空心電抗器的匝間缺陷關(guān)系。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，球隙放電過程會(huì)造成空氣電離反應(yīng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)電壓迅速改變，若此時(shí)充電電壓未達(dá)到實(shí)驗(yàn)電壓幅值可能出現(xiàn)嚴(yán)重脈沖振蕩問題，影響最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)電壓幅值，增加IGBT試驗(yàn)電子開關(guān)，有效調(diào)整實(shí)驗(yàn)電路的放電關(guān)系，降低干式空心電抗器微缺陷對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。在實(shí)驗(yàn)開始前需預(yù)先施加指定大小的試驗(yàn)電壓進(jìn)行標(biāo)定，作標(biāo)準(zhǔn)過電壓波形，記錄后再輸入最高試驗(yàn)電壓，若此時(shí)電抗器狀態(tài)滿足過電壓實(shí)驗(yàn)要求可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反之需重新調(diào)整。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在GWINSTEK進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，用本文設(shè)計(jì)的干式空心電抗器過電壓試驗(yàn)方法，文獻(xiàn)一的10 kV及35 kV干式空心電抗器過電壓試驗(yàn)方法及文獻(xiàn)二基于電抗器開斷的干式空心電抗器過電壓實(shí)驗(yàn)方法試驗(yàn)，為降低實(shí)驗(yàn)隨機(jī)性，本文預(yù)設(shè)6nF、3nF兩種充電電容，三種方法在6nF充電電容下輸出的試驗(yàn)過電壓波形如圖4。

圖4 6nF的試驗(yàn)過電壓波形結(jié)果

由圖4可知，當(dāng)充電電容為6nF時(shí)，本文干式空心電抗器匝間過電壓實(shí)驗(yàn)方法得到試驗(yàn)過電壓波形與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)過電壓波形擬合，文獻(xiàn)一的10 kV及35 kV干式空心電抗器過電壓試驗(yàn)方法，以及文獻(xiàn)二的基于電抗器開斷的干式空心電抗器過電壓實(shí)驗(yàn)方法得到的試驗(yàn)過電壓波形與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)過電壓偏差較大，將充電電容調(diào)整至3nF得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。

圖5 3nF的試驗(yàn)過電壓波形結(jié)果

圖5可知，此時(shí)本文設(shè)計(jì)干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)方法生成的試驗(yàn)過電壓波形與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)過電壓波形相差較小，均低于充電電容為6nF時(shí)的電壓波形波動(dòng)。文獻(xiàn)一的10kV及35 kV干式空心電抗器過電壓試驗(yàn)方法及文獻(xiàn)二基于電抗器開斷的干式空心電抗器過電壓實(shí)驗(yàn)方法生成的試驗(yàn)過電壓波形波動(dòng)仍然較大，與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)過電壓波形差距更大。

本文干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)方法的試驗(yàn)效果較好，有應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)束語(yǔ)

隨著干式空心電抗器的使用年限增加，其組成材料及內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，出現(xiàn)過電壓故障，影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，為解決上述問題，設(shè)計(jì)有效的干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)方法。常規(guī)的過電壓試驗(yàn)方法的試驗(yàn)效果較差，不滿足目前的試驗(yàn)要求。本文設(shè)計(jì)全新干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)方法，結(jié)果表明設(shè)計(jì)干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)方法的試驗(yàn)效果較好，有可靠性，可為降低干式空心電抗器的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)作出貢獻(xiàn)。

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