220 kV饱和铁心型超导限流器绝缘设计

王海珍，牛潇晔，张利峰，洪辉，熊志全，杨昆

(北京云电英纳超导电缆有限公司，北京 100176)

220 kV饱和铁心型超导限流器绝缘设计

王海珍，牛潇晔，张利峰，洪辉，熊志全，杨昆

(北京云电英纳超导电缆有限公司，北京 100176)

介绍220 kV SISFCL样机高压绝缘设计为密封在非金属玻璃钢油箱内的油纸绝缘结构，为满足稳态运行和限流性能其交流绕组匝数很少，这为主、纵绝缘的设计制造带来很大困难。根据相关标准对该样机进行工频耐压、雷电全波(截波)冲击耐受以及局部放电测量等型式试验，结果表明该绝缘设计满足相关标准技术要求。

饱和铁心型超导限流器；玻璃钢油箱；绝缘；屏蔽；型式试验

0 前言

随着输配电容量大幅增加，电压等级向超高压方向发展、电网向坚强型智能化发展。这对高压绝缘材料、绝缘结构设计提出了更高的要求；而同时出现的电网短路电流水平急剧增大，对系统的限流技术和设备提出了挑战。目前，高压绝缘材料特性的研究取得了很大进展，设备的绝缘结构在相应辅助设计下也可大大优化。而能够抑制电网故障短路电流水平的技术手段却非常有限。在设备上，常用的是高阻抗变压器或空心电抗器等，但这些方法同时也增加了输电损耗。

超导材料具有低损耗、高效率、传输电流密度高等优点，近年来，随着高温超导材料技术的发展，高温超导电力应用取得显著进展，如超导变压器、超导电机、超导电缆、超导限流器等都已有挂网试运行样机。超导限流器以其优异的工作特性，成为电网克服系统短路电流比较理想的设备。目前，技术比较成熟且电压等级最高的则是饱和铁心型超导限流器 (SISFCL)，其原理基于传统的饱和铁心电抗器，利用超导材料零电阻及通流能力强的特点，低损耗地解决了普通导体无法实现的高强度直流励磁，同时避免了超导绕组直接承受短路电流冲击，其可靠性和可实现性均优于其它类型的超导限流器。与传统限流设备相比，它具有极低的输电稳态阻抗，这意味着正常输电时损耗很少；短路故障发生时，能瞬间产生高阻抗，达到限制短路电流的效果；故障消除后，又能迅速恢复正常运行状态，配合电网重合闸。

对于高压电力设备，绝缘设计是整体设计的一项重要内容，将直接影响到设备整体的结构和性能。220 kV的传统电力设备其绝缘结构设计、生产工艺等已经十分成熟，尤其油浸 (纸)绝缘结构，无论是绝缘材料性能、还是结构设计制造工艺等都积累了大量的试验数据和运行经验，为保证设备运行的安全可靠性奠定了坚实的基础。为此，本文中220 kV SISFCL样机高压绝缘采用了油浸绝缘结构。

与传统油浸变压器、电抗器等设备将绕组器身、铁心、金属夹件等置于一个可直接接地的金属油箱中，设计绕组间、绕组对地、绕组对铁心间的主、纵绝缘结构不同，220 kV SISFCL仅将交流绕组密封在内部设有接地半导电屏蔽材料的非金属玻璃钢油箱内，铁心、夹件以及为超导励磁绕组提供低温运行环境的杜瓦等部件均直接与空气接触并统一接地，如图1所示。这样，理论上可使油箱内电场相对均匀，有利于绝缘设计。但为满足稳态运行低阻抗、限流运行高阻抗，且体积小等技术经济性其交流绕组匝数很少 (几十匝)，这又为主、纵绝缘的设计制造带来了困难。

图1 (a)220 kV SISFCL结构示意图

图1 (b)油箱和绕组结构示意图

带着上述困难对绝缘结构进行了电场仿真和波分布的理论分析，并对样机进行雷电全波 (截波)冲击耐受、外施工频耐压以及局部放电测量等型式试验研究。

1 限流器的绝缘设计

1.1 主绝缘

主绝缘，即绕组对油箱屏蔽、绕组对铁心之间的绝缘结构，其所应承受的绝缘水平和试验电压如表1所示。

表1 绝缘水平和试验电压

为了防止在工频和冲击试验电压下，油道内出现放电现象，采取把大油隙分割为小油隙的油纸隔板结构，采用薄纸筒小油隙结构，其设计原则是使油隙在局部放电试验电压下的电场强度值低于油隙起始局部放电电场强度。为此，在分割完绝缘油隙后，采用专用电场计算程序对设备在各种工况电压下的全域电场进行了详细分析计算。在控制电极表面第一油隙场强的同时，全面分析沿电力线各油隙的电场分布。如图2(a) (b)所示在1min外施工频电压395 kV下绕组端部的等位线分布和场强分布。由图可以看出等位线光滑无突起尖端部分，分布合乎要求。

图2 395 kV下等位线分布图

图3 、图4所示为静电环周围的电场分布。沿场强最大的一条电力线路径取多点，计算沿此路径第一油隙的场强分布，可以看出静电环周围电场是比较均匀的，不会出现局部放电。

图3 第一油隙电力线分布图

1.2 纵绝缘

纵绝缘研究的重点是高压绕组在各种试验电压下的饼间绝缘强度及绕组轴向绝缘强度。利用波过程计算软件计算绕组的冲击电压分布，并根据计算结构采取有效措施，调整绕组屏蔽的段数、工作线匝的绝缘厚度、屏蔽线匝的绝缘厚度以及油道的大小。通过电容补偿进一步改善冲击电压梯度的分布，使各绝缘有足够的裕度，以保证在很少的匝数情况下绕组纵绝缘强度满足设计要求且具有良好的冲击电压分布。严格控制场强分布，确保绕组内不发生局部放电，保证绕组的纵绝缘强度。雷电全波冲击电压梯度分布如图4。

图5 线圈节点电位，油道梯度分布结果

根据交流匝数要求线圈共36段，采用两段屏插入电容式绕组，以两个线饼 (正、反饼)作为一个单元。图4中节点电位是将每个单元的末端作为节点计算其到线圈末端的电压占所加线圈电压950 kV的百分数。油道梯度是每个单元的两端压降占线圈所加电压950 kV的百分数。

判断波过程是否合格，主要分析以下两点：

1)绕组中各段屏所处的电位从施加电压端到末端应呈衰减趋势。

2)每个单元的两饼之间的电压梯度不能相差太大，呈线性分布。

由节点电位数据可以看出各线饼所处的电位均小于入波电压，而且呈均匀衰减趋势；另外由油道梯度数据可以看出线饼间电压梯度呈线性，无击穿电压隐患。

2 绝缘试验

220 kV SISFCL样机在制造厂内进行了绝缘型式试验。主要包括雷电全波 (截波)冲击试验、外施工频耐压试验和局部放电测量试验。

2.1 雷电全波 (截波)冲击

限流器实际运行中串联在线路中，两个高压端子都有可能为入波端，因此单相样机的雷电冲击试验接分别对两个高压端子进行。即一端入波，另一端接地。试验冲击全波为标准雷电波 (1.2 μs±30%)/(50 μs±20%)，试验电压为负极性，额定全波峰值950 kV，额定截波峰值1 050 kV，根据GB1094.3规定，施加电压的顺序为：

一次降低电压的负极性全波冲击；

一次额定电压的负极性全波冲击；

一次降低电压的负极性截波冲击；

二次额定电压的负极性截波冲击；

二次额定电压的负极性全波冲击。

试验过程中，对两端子的全部冲击均无外部闪络，降低电压下的电压和电流瞬变波形与全试验电压下的瞬变波形无明显差异如图3所示，说明绝缘耐压试验合格，保证了SISFCL在抗雷电冲击过电压的安全可靠性。

图3 雷电冲击试验波形

2.2 外施工频电压耐受和局部放电测量

参考GB1094.3规定单相样机外施工频耐压只进行相对地试验，同时进行局部放电特性评估，在U2=1.5Um/3下所有测量端子上的视在放电量的连续水平满足标准要求。施加电压的大小和时间顺序如图所示。图4中电压为对地电压有效值，分别应为：

上升到1.1Um/3，保持5 min，监测局部放电水平；

上升到U2，保持5 min，监测局部放电水平；

上升到U1，即额定外施工频耐压值，持续60 s；

试验后立刻不间断地降低到U2，并至少保持30 min，测量局部放电；

降低到 1.1Um/3，保持 5 min，测量局部放电；

试验结果如表3所示。

图4 外施工频电压和局部放电测量电压施加顺序

表3 工频耐压和局部放电试验结果

试验结果显示，220 kV SISFCL的绝缘在耐受1 min工频电压前后，局部放电量均较小，远低于1.5×Um/3下不大于500 pC，1.1×Um/3下不大于100 pC的标准要求。可以满足SISFCL长期运行的可靠性要求。

3 结束语

以上介绍单相220 kV饱和铁心型超导限流器，其新颖的油箱结构和性能要求对绝缘设计提出了更高要求，通过对主纵绝缘的电场和波过程进行仿真，优化绝缘结构，并通过型式试验验证，该设计完全能够满足国家标准的要求。

[1] Y.Xin，W.Z.Gong，X.Y.Niu，etc，Manufacturing and Test of a 35 kV/90 MVA Saturated Iron-core Type Superconductive Fault Current Limiter for Live-grid Operation，Applied Superconductivity Conference Chicago，Illinois USA，August 17-22，2008.

[2] 谢毓城.电力变压器手册.北京.机械工业出版社，2003.1.

[3] 胡启凡.变压器试验技术.北京.中国电力出版社，2010.

[4] 蔡宣三，高越农.可控饱和电抗器原理、设计与应用.北京.中国水利水电出版社，2008.

[5] 张嘉祥.变压器线圈波过程.北京.水利水电出版社，1982.

[6] 赵博，张洪量等.Ansoft 12在工程电磁场中的应用.北京.中国水利水电出版社，2010.1.

[7] 徐亨萼，张钧笙，聚酯玻璃钢的老化性能及其产品的使用寿命，合成材料老化与应用，1988，2：8-13.

[8] GB1094.3-2003.电力变压器第3部分绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙 [S].北京：中国标准出版社，2003.

[9] GB1094.6-2011.电力变压器第6部分电抗器 [S].北京：中国标准出版社，2011

王海珍，北京云电英纳超导电缆有限公司。

Insulation Design and Test of 220 kV Saturated Iron Core Superconducting Fault Current Limiter

WANG Haizhen1，NIU Xiaoye1，LIU Lin2，ZHANG Lifeng1，HONG Hui1
(Innopower Superconductor Cable Co.，Ltd.，Beijing 100176)

The insulation of 220 kV SISFCL adopt oil-paper，but which is sealed non-metallic GFRP tank，at the same time the turns of ac winding is much less than ones of transformer，all the above takes difficult for design.According the standards，type test including power frequency withstand voltage，lighting full-wave(chopped)impulse and measurement of partial discharge are passed，which show the design is satisfactory.

Saturated iron core superconducting fault current limiter；GFRP tank；Insulation；Shield；Type test

TM471

B

1006-7345(2014)06-0008-04

2014-10-21

资金资助项目：国家 863计划课题 2006AA03Z234，2009AA03Z228和2009AA035403；云南省匹配国家重点项目2010GA003。