10 kV系统冲击与工频续流联合试验回路设计

陈斯翔，苏杏志，孔华东，孙广慧，刘益军，齐小军

(1.广东电网有限责任公司佛山供电局，广东省佛山市528000； 2.武汉水院电气有限责任公司，武汉市 430073)



10 kV系统冲击与工频续流联合试验回路设计

陈斯翔1，苏杏志1，孔华东1，孙广慧1，刘益军1，齐小军2

(1.广东电网有限责任公司佛山供电局，广东省佛山市528000； 2.武汉水院电气有限责任公司，武汉市 430073)

为检验10 kV带间隙防雷装置在冲击闪络后熄灭工频续流电弧的能力，设计了一种冲击试验与工频续流试验相结合的试验回路。为了产生较高电压下的高幅值工频续流，采用LC串并联谐振回路产生工频续流，对该回路中各元件的参数进行计算并给出合理数值，最后利用同步控制回路提取冲击信号来导通工频续流回路，实现冲击试验与工频续流试验的同步。计算结果表明，该联合试验回路能在产生1.2/50 μs冲击波的同时产生频率为50 Hz的正弦电流波且电流的振荡能够持续至少100 ms，满足带间隙防雷装置在冲击闪络后，检验工频续流下熄灭电弧能力的要求。

带间隙防雷装置；LC串并联谐振；工频续流；联合试验；同步控制

0 引 言

目前架空线路的防雷有“堵塞型”和“疏导型”2种思想[1]。“堵塞型”防雷方法是我国现阶段主要采用的防雷方法[2]，这种防雷理念主要是尽可能不让线路发生雷击闪络，如架设避雷线、降低杆塔接地电阻、双回线路采用不平衡绝缘方式、安装线路避雷器等[3]。而“疏导型”防雷则是在绝缘子串上并联保护间隙，雷击时允许线路有一定的雷击跳闸率，雷击形成闪络泄放雷电流的同时产生工频续流，再配合线路继电保护装置的跳闸来切断工频续流，最后通过自动重合闸装置合闸送电，可确保雷电流泄放的同时避免长时间的停电[4]。近年来，出现了一种新的防雷保护思想，即将“堵塞型”和“疏导型”2种思想相结合[5]，比较有代表性的产品为俄罗斯Streamer公司研制的一种灭弧栅式避雷器[6]和广西大学研制的轰爆气流灭弧防雷间隙[7]，该类防雷装置允许线路遭受雷击时发生闪络，但是该装置的特殊结构又能在继电保护装置动作前使工频续流电弧熄灭，使得输电线路在遭受雷击后既能疏导雷电流又不会使线路跳闸[8-9]，因而具有广阔的应用前景。但该类装置因运行时间短，其防雷效果特别是灭弧原理研究得尚不充分[10]，需进行试验对该类装置间隙的灭弧性能进行检验及优化。

目前，国内外有关避雷器的标准中，对间隙熄灭工频续流电弧的能力尚未制定相关考核标准[11-12]，只有DL/T 1293—2013 《交流架空输电线路绝缘子并联间隙使用导则》提出了对并联间隙的工频燃弧特性进行试验的要求，但该试验的目的是验证并联间隙能否使工频续流形成的电弧离开绝缘子并沿着并联间隙向外发展，并不考察间隙熄灭工频续流电弧的能力[13]。为验证此类防雷装置的灭弧能力，特别是冲击闪络后熄灭工频续流电弧的能力，需进行冲击试验与工频续流试验相结合的联合试验。联合试验时，冲击试验采用冲击电压发生器即可产生1.2/50 μs的冲击电压波，满足试验要求；而工频续流试验部分因要求在较高电压下产生高幅值工频电流的同时与冲击试验同步进行，一般的工频发生器难以达到试验要求[14-15]。因此，尚未有专门针对此类联合试验的试验设备。

为检验带间隙的防雷装置冲击闪络后熄灭工频续流电弧的能力，本文针对10 kV电压等级，设计一种将工频续流试验和冲击试验相结合的联合试验回路，其工频续流试验部分根据LC串并联谐振原理，利用LC振荡回路形成工频电流，同时工频续流回路的导通采用受控方式，即通过提取冲击支路的冲击信号，控制工频续流回路开关的导通，从而产生工频续流，解决冲击试验与工频续流试验同步的问题。

1 联合试验回路结构设计

结合避雷器相关标准与应用实际，联合试验回路应满足以下3点要求：

(1)冲击电压发生器能产生1.2/50 μs的标准雷电压冲击波形，且其幅值不低于50 kV[16]；

(2)带间隙防雷装置冲击击穿后流过的工频续流频率应为50 Hz，且电流的持续时间不少于100 ms[13]；

(3)带间隙防雷装置雷击闪络后，工频续流同步作用在防雷装置上，冲击电压与工频续流不存在时间差。

针对以上要求，设计联合试验回路的结构如图1所示。

图1中，C0、L0及L1构成的串并联谐振电路利用LC振荡原理来产生工频电压和电流：首先对充电电

图1 联合试验回路结构图

容C0进行预充电，闭合工频振荡支路开关K0，L0、C0、L1之间发生能量转换，从而产生振荡，输出振荡电压和电流。开关K1所在支路为负载支路，用来模拟带间隙防雷装置的击穿。而正确合理地选取电感、电容等参数，是本文的重点。

2 工频续流回路设计

由于间隙击穿后电弧的弧道电阻很小，且阻值存在一定的波动[17]，所以在对工频续流回路进行初步设计时，忽略电弧弧道电阻的影响，即假设带间隙灭弧装置击穿后负载支路为短路状态；而冲击支路由于作用时间很短，只有几百μs，且通过限流电感L1与工频续流回路相连，即冲击支路产生的冲击电压主要施加在防雷装置上，对工频续流回路的影响可暂不考虑。

首先，在t=0-时刻利用直流电源为充电电容C0充电至10 kV，系统相电压的幅值为8.16 kV；其次，冲击支路将灭弧装置的间隙击穿，开关K0在t=0时刻闭合，此时，该电路为L0、C0和L1串并联的三阶电路，电容C0开始放电，与L0、L1之间进行能量交换，并振荡输出电压、电流。

为使该电路输出频率为50 Hz的交流电源，需对L0、C0和L1进行合理取值，为此，对该高阶电路进行拉普拉斯变换，变换后的电路如图2所示。

图2 对LC串并联谐振回路进行拉普拉斯变换后的电路

对图1的电路进行求解，可求出负载支路上的电流I(s)为

(1)

式中E(s)=UN/s，s为拉普拉斯算子，UN为系统额定电压。

对式(1)进行变换：

(2)

对式(2)进行拉普拉斯反变换，得到I(s)的原函数i(t)为

(3)

由式(3)可得：

(4)

(5)

为使负载支路上流过的电流频率为工频，则ω=2πf=100πHz，即L0、C0和L1应满足如下关系：

(6)

将式(6)变换为

(7)

或

(8)

则L0、C0和L1的取值首先应满足104π2L1C0>1，且104π2L0C0>1。为达到一定的振荡电流幅值，C0的取值定为数千μF，本文分别选取了1 000，2 000，3 500，5 000 μF这4个值，调整L0和L1的取值，计算出回路中的各参数，计算结果如表1所示。

考虑到电抗器、电容器的制作工艺并结合10 kV系统的电流水平，本文选取了2组参数：(1)C0=2 000 μF，L0=10.3 mH，L1=10 mH；(2)C0=2 000 μF，L0=7.7 mH，L1=15 mH；并利用电磁暂态仿真软件EMTP-ATP计算出这2种情况下负载支路上流过的电流波形，如图3所示。

若考虑电弧电阻的影响，因电阻在L0、C0、L1振荡过程中会吸收部分能量，所以振荡电流的幅值会出现衰减，图4即为假设电弧电阻为0.5 Ω时不同元件

表1 不同L0、C0和L1取值时工频续流回路的参数

Table 1 Parameters of power frequency continuous current circuit with differentL0、C0andL1

图3 不同元件参数下负载支路电流波形图

参数下负载支路电流的波形图。图5为电弧电阻为1 Ω时负载支路电流波形，从图5中可以看出，电容参数同为2 000 μF的条件下，L1=15 mH时振荡电流幅值的衰减程度小于L1=10 mH时的，且电弧电阻越大，两者的衰减程度差距也越大。因此，本文在设计工频续流回路时，回路元件参数的选择为：C0=2 000 μF，L0=10.3 mH，L1=10 mH。

图4 电弧电阻为0.5 Ω时负载支路电流波形图

3 冲击支路设计

冲击支路的设计输出为1.2/50 μs标准雷电压冲击波，且其幅值在50～200 kV之间可调；冲击支路主要技术参数为：标称电压200 kV；额定能量2.5 kJ；设备级数2级；设备效率>90%。

产生冲击电压波的设备主要由高压部分和控制系统组成。高压部分则由冲击主发生器、高压整流充电系统、隔离放电间隙、自动接地放电装置、充电电压监视分压器和弱阻尼电容分压器组成。

控制系统的主控单元为1台可编程控制器，实现整个系统的过程控制和监测。控制台内装L-C参数恒流充电控制装置，可实现自动定值充电和自动放电，并具备过流保护功能。图6即为该冲击支路产生的1.2/50 μs标准雷电压冲击波，通道1 与通道2为不同变比的冲击电压波形。

图5 电弧电阻为1 Ω时负载支路电流波形图

图6 冲击支路产生的冲击电压波形

4 工频续流回路与冲击支路的配合

本文所述的冲击支路与工频续流回路的联合试验回路能否保持同步，关键在于两者的同步控制。为此，联合试验回路设计了利用冲击信号控制工频续流回路开关导通的同步控制回路。其中，工频续流回路开关选用可耐压6.5 kV的单管IGBT(insulated gate bipolar transistor)模块，其响应速度可达ns级。考虑到系统相电压幅值为8.16 kV，选用2只IGBT模块串联使用以提高耐压水平，同时对2只IGBT模块的驱动电阻进行匹配以达到两者之间的同步控制误差在ns级。

为防止IGBT模块作为主回路同步触发的开关器件免受冲击波的作用，除了反向并联续流二极管模块外，在正向亦并联二极管模块用以泄放雷电冲击能量，将开关模块的正向压降箝位在二极管模块的管压降以内。联合试验原理图如图7所示。

图7 联合试验原理图

图7中D4用以泄放侵入的雷电冲击能量，D3用以防止雷电冲击能量沿IGBT模块支路流过，同时保证IGBT模块开通后流过工频电流。以雷电冲击1.2/50 μs上升沿作为触发信号导通IGBT开关模块，控制IGBT的信号为冲击波通过负载支路两端分压器时的信号，该信号再通过耦合变压器(1∶1)进行隔离并引入同步控制回路，导通工频续流回路的开关IGBT，使工频续流回路开始振荡，输出工频电流。

5 试验结果

试验所采用的试品为俄罗斯streamer公司生产的多间隙避雷器，该避雷器用于保护10 kV系统的交流架空输电线路，由多个间隙串联而成[18]。对此类结构的避雷器而言，工频续流切断能力是检验其性能的关键因素。试验前，测试本试验所采用的试品冲击放电电压不超过80 kV；然后，利用10 kV/500 mA大电流充电装置对工频电容预充电至8.16 kV；冲击发生器充电至95 kV。通过同步控制回路实现冲击支路与工频续流回路的同步配合，最终在负载支路上产生的电流波形如图8所示，其中，通道1为电流波形，通道2为电压波形。试验时，用分压比为1 000∶1的电阻分压器测量试品两端的电压，用10 mΩ的管式分流器测量流过试品的电流。

图8 施加在负载支路上的电流波形

从图7中可看出，多间隙避雷器被冲击波击穿后流过工频续流，因存在电弧的弧道压降，多间隙避雷器两端电压稳定在3 kV左右。工频续流阶段持续时间约为半个周波，即10 ms，续流峰值可达1.8 kA，随后在工频续流过零点时，多间隙避雷器将工频续流切断，施加于多间隙避雷器的电压逐渐恢复至8.16 kV，该电压周期为25 ms，略大于工频的20 ms，在该幅值电压作用下，防雷间隙未发生重燃。

以上试验结果说明，该联合试验回路能在试品被雷电压击穿的同时提供高幅值的工频续流，并能在试品切断续流后同步提供系统工频电压以检验试品是否会发生重燃。因此，该联合试验回路可对带间隙防雷装置进行冲击与工频续流试验相结合的综合防雷试验。

6 结 论

(1)研制的冲击电压发生器能产生1.2/50 μs的标准雷电压压波形，且其幅值不低于50 kV；

(2)通过LC串并联谐振回路可产生频率为50 Hz、振荡时间超过100 ms的振荡电流；

(3)引入同步控制回路，在冲击支路产生冲击波的瞬间即可提取冲击信号并触发工频续流回路开始振荡，实现了冲击与工频续流同时发生；

(4)带间隙防雷装置切断工频续流后，联合试验回路能同步提供系统工频电压以检验试品是否会发生重燃。

[1]陈维江，孙昭英，王献丽，等.35 kV架空送电线路防雷用并联间隙研究[J].电网技术，2007，31(2)：61-65.Chen Weijiang，Sun Zhaoying，Wang Xianli，et，al.Study on shunt gap lightning protection for 35 kV overhead transmission lines[J].Power System Technology，2007，31(2)：61-65.

[2]谷山强，何金良，陈维江，等.架空输电线路并联间隙防雷装置电弧磁场力计算研究[J].中国电机工程学报，2006，26(7)：140-145.Gu Shanqiang，He Jinliang，Chen Weijiang，et，al.Magnetic force computation for the electric arc of parallel gap lightning protection device on overhead transmission lines[J].Proceedings of the CSEE，2006，26(7)：140-145.

[3]王春杰，祝令瑜，汲胜吕，等.高压输电线路和变电站雷电防护的现状与发展[J].电瓷避雷器，2010(3)：35-46.Wang Chunjie，Zhu Lingyu，Ji Shenglv，et al.Present and development of lightning protection for HV transmission lines and substations[J].Insulators and Surge Arresters，2010(3)：35-46.

[4]陈勉，吴碧华，罗真海.探讨高压架空送电线路采用“疏导”型思想的防雷保护[J].广东电力，2001，14(4)：36-37.Chen Mian，Wu Bihua，Luo Zhenhai.On “scatter” type lightning protection scheme for HV overhead power transmission lines[J].Guangdong Electric Power，2001，14(4)：36-37.

[5]王兰义，赵冬一，胡淑慧，等.从INMR全球会议看避雷器的发展趋势[J].电磁避雷器，2011(5)：37-45.Wang Lanyi，Zhao Dongyi，Hu Shuhui， et，al.Development trends of arresters from INMR world congress [J].Insulators and Surge Arresters，2011(5)：37-45.

[6]Podporkin G V，Enkin E Y，Pil’shchikov V E.The development of multichamberarresters [J].Russian Electrical Engineering，2013，84(1)：1-5.

[7]王巨丰，唐捷，黄志都，等.喷射气体灭弧防雷间隙的灭弧机制[J].电网技术，2011，35(5)：229-231.Wang Jufeng，Tang Jie，Huang Zhidu，et，al.Arc extinguishing mechanism of jet stream inerruptergap lightning protection device[J].Power System Technology，2011，35(5)：229-231.

[8]王巨丰，刘津濂，郭伟，等.绝缘子串并联保护间隙的包轰气流灭弧方法[J].电网技术，2014，38(5)：1358-1365.Wang Jufeng，Liu Jinlian，Guo Wei，et，al.Arc-extinguishing by detonation airflow for parallel protection gap of insulator strings[J].Power System Technology，2014，38(5)：1358-1365.

[9]Podporkin G V， Enkin E Y， Kalakuteky E S ，et，al.Lightning Protection of overhead Lines Rated At 3-35 kV And Above With The Help of Multi-Chamber Arresters and Insulator-Arresters [C]//2009 International Symposium on Lightning Protection (XI SIPDA).Curitiba，Brazil：IEEE，2009：569-574.

[10]司马文霞，张智，杨庆，等.110 kV复合绝缘子棒形并联间隙工频电弧疏导过程的试验研究[J].中国电机工程学报，2012，32(31)：114-121.Sima Wenxia，Zhang Zhi，Yang Qing，et，al.Experimental research on power frequency arc movement process of 110 kV composite insulators in rod shape parallel gap lightning protection devices [J].Proceedings of the CSEE，2012，32(31)：114-121.

[11]张益民，申萌，罗六寿，等.带外串联间隙线路避雷器续流切断试验探讨[J].电瓷避雷器，2012(6)：91-96.Zhang Yimin，Shen Meng，Luo Liushou，et，al.Discussion on follow current interrupting test of externally gapped line arresters[J].Insulators and Surge Arresters，2012(6)：91-96.

[12]IEC60099—8：2011, Surge arresters -Part 8:Metal -oxide surge arresters with external series gap (EGLA) for overhead transmission and distribution lines of a.c.systems above 1 kV[S].

[13]DL/T 1293—2013 交流架空输电线路绝缘子并联间隙使用导则[S].

[14]IEC 60060—1：2010, High-voltage test techniques -Part 1：General definitions and test requirements [S].

[15]胡醇，赵瑞庆.363 kV高压合成回路试验系统设计及研究[J].中国机电工业，2012(9)：108-110.Hu Chun，Zhao Ruiqing.Design and research on 363 kV HV combined test system [J].China Machinery and Electric Industry，2012(9)：108-110.

[16]GB 7327—1987交流系统用碳化硅阀式避雷器[S].

[17]吴翊，荣命哲，杨茜，等.低压空气电弧动态特性仿真及分析[J].中国电机工程学报，2005，25(11)：143-148.Wu Yi，Rong Mingzhe，Yang Qian，et，al.Simulation on dynamic characteristics of arc in low voltage circuit breaker modelling[J].Proceedings of the CSEE，2005，25(11)：143-148.

[18]Podporkin G V，Enkin E Y，Kalakuteky E S，et，al.Lightning protection of overhead lines tatedat 3-35 kV and above with the help of multi-chamber arresters and insulator-arresters [C]//2009 International Symposium on Lightning Protection (XI SIPDA).Curitiba，Brazil：IEEE，2009：569-574.

陈斯翔 (1985)，男，硕士，工程师，主要从事电气设备绝缘配合及避雷器技术方面的研究工作；

苏杏志(1965)，男，高级工程师，从事高电压技术及输电技术方面的工作；

孔华东(1975)，男，硕士，高级工程师，从事电力系统过电压保护方面的工作；

孙广慧(1980)，男，高级工程师，从事配电工程及运行管理方面的工作；

刘益军(1982)，男，高级工程师，从事电气设备检测方面的工作；

齐小军(1976)，男，工程师，从事电力系统过电压保护方面的研究工作。

(编辑：张小飞)

10 kV Combined Test Circuit Design with Impulse and Power Frequency Continuous Current

CHEN Sixiang1, SU Xingzhi1, KONG Huadong1,SUN Guanghui1, LIU Yijun1, QI Xiaojun2

(1.Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan 528000, Guangdong Province, China; 2.Wuhan Shuiyuan Electrical Co., Ltd., Wuhan 430073, China)

To test the capability of 10 kV lightning protection device with series gaps to cut off the power frequency continuous current after the device breakdown by lightning, this paper designed a test loop in combination with impulse test and power frequency continuous current test.In order to generate power frequency continuous current with high amplitude under higher voltage, a LC series and parallel resonant circuit was used in which the parameters of each element were calculated and selected and their reasonable values were given.Finally, a synchronization control circuit was chosen to extract the impulse signal to conduct the power frequency continuous current circuit, which could realize the synchronization in impulse test and power frequency continuous current test.The calculation results show that the combined test circuit can generate 1.2/50 μs impulse waveform, and 50 Hz sinusoidal current wave with 100 ms oscillation, which can meet the requirement of testing the capability of lightning protection device with series gaps to cut off electric arc under power frequency continuous current after the device breakdown by lightning.

lightning protection device with series gaps; LC series and parallel resonant; power frequency continuous current; combined test; synchronization control

南方电网公司科技项目(K-GD2013-0268)。

TM 862

A

1000-7229(2015)08-0102-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.017

2015-06-15

2015-07-10

Project Supported by China Southern Power Grid Co.,Ltd (K-GD2013-0268).