直流试验线段用阻波器的参数优化设计

2021-03-15赵录兴

自动化仪表 2021年1期

赵录兴，高磊

(1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.国网西藏电力有限公司电力科学研究院，西藏拉萨 850000)

0 引言

高压直流输电线路在正常运行时，导线表面因电晕放电会产生脉冲式的电晕电流。电晕电流注入导线后沿导线向两侧传输，在导线周围空间产生无线电干扰[1]，可能会对输电线路附近的调幅广播接收设施和各类雷达、导航台造成影响[2]。因此，在进行输电线路设计时，必须对线路电晕产生的无线电干扰水平加以控制[3]。目前，在预测直流线路的无线电干扰时，一般采用经验公式法[4]，而经验公式的各种关键参数基本是依托试验线段开展现场测试获得的。

直流试验线段的首端需要连接高压试验电源、但由于试验线段长度有限，直流高压试验电源因硅堆整流产生的谐波电流不可避免地会传播到试验导线上，对试验线段的无线电干扰测量产生干扰。为了隔断来自试验电源侧的谐波干扰，往往需要在试验线段和高压试验电源之间串接一个阻波器。此外，阻波器对高频电流信号表现出的高阻抗特性，还可避免试验线段上的电晕电流流入电源侧，使试验线段首端也近似实现开路状态的效果。这对于简化试验线段上的电晕电流波过程分析具有重要作用。

目前，国内外对于高压变电站电力载波阻波器的研究较为深入，但对试验线段无线电干扰测量用阻波器研究则相对较少。国际无线电干扰特别委员会在其技术标准中[5]，建议阻波器对所测频率上的信号衰减应不小于35 dB。文献[6]通过理论分析，给出了阻波器在交流特高压试验线段无线电干扰测量中的作用。但上述文献均未涉及阻波器参数的确定方法。

为开展直流输电线路的无线电干扰研究，中国电科院在北京建设了直流模拟试验线段。本文针对该试验线段，首先，基于EMTP仿真软件，建立了阻波器和试验线段的仿真计算模型，研究了阻波器各参数取值变化对阻波器衰减特性的影响，推荐了适用于直流试验线段的阻波器参数方案；接着，基于ANSYS Maxwell软件，对阻波器在最高试验电压下均压罩的表面场强进行了计算校核，确保阻波器表面不发生明显电晕；最后，将研制的阻波器安装于试验线段上，并开展了试验线段无线电干扰测试。通过对比安装阻波器前后的测试数据，验证了阻波器设计方案的合理性。

1 直流模拟试验线段

直流模拟试验线段主要用于开展电磁环境试验研究。其线路长度为100 m，两端挂线塔采用自立式钢管门型架，线路极间距6 m，导线对地最小高度为7 m，架设导线型式为4×LGJ-95/15，分裂间距45 cm。线段末端开路，首端连接高压直流试验电源，试验电源最高输出电压为400 kV。

2 阻波器参数确定方法

阻波器在物理上可等效为电感LW和杂散电容CW并联的电气元件，与线路的等效对地电容C0和高压直流试验电源共同组成了一个滤波电路。试验线段连接阻波器的等效电路模型如图1所示。

图1 试验线段连接阻波器的等效电路模型

采用EMTP软件[7-9]，对图1的等效电路进行建模。计算模型中，试验线段采用JMarti分布参数模型，直流高压试验电源可等效为阻容并联结构元件。其等效电容值约为0.478 μF，电阻值约为400 MΩ。计算时，假定试验线段中间位置发生电晕，即在线路中间位置注入不同频率、幅值相同的交变电流，通过求解从阻波器流入电源端的电流大小，即可得到阻波器对不同频率电晕电流的衰减特性。图2给出了电容CW为20 μF时，电感LW取不同值时阻波器对高频电流的衰减特性曲线。图3给出了电感LW为20 mH时，电容CW取不同值时阻波器对高频电流的衰减特性曲线。

图2 电感变化时阻波器输出电流衰减特性曲线(CW=20 μF)

图3 电容变化时阻波器输出电流衰减特性曲线(LW=20 mH)

由图2和图3可知:①对于直流试验线段，当阻波器电感和电容取值相匹配时，在某些频率下滤波电路将发生谐振，在谐振频率处阻波器对流过电流的衰减效果最为明显，在实际测试时可利用该特性有针对性地对消除某一频率的谐波干扰；②在电容值固定的情况下，增加阻波器的电感，对于1 MHz以上的频段范围的电流衰减量基本没有影响；③在电感值固定的情况下，减小阻波器的电容，可有效增加阻波器的等值电抗，从而使全频段范围的电流衰减量效果均有不同程度的提升。

根据国际无线电干扰特别委员会标准的要求，阻波器对无线电干扰所处频率的电晕电流衰减量应不小于35 dB。研究表明，直流线路的无线电干扰的频率区间基本上集中在10 MHz以下。表1给出了阻波器取不同参数时的阻波器衰减量。对于阻波器而言，增大电感较为容易，但减小电容则较为困难。因此，阻波器电容数值选取不宜过小。综合考虑技术性和经济性，对于本文的直流试验线段，阻波器设计要求为电容值不大于15 pF，电感值不小于20 mH。

表1 阻波器取不同参数时阻波器衰减量

根据以上参数建议，研制了适用于直流试验线段的阻波器。阻波器外形及尺寸如图4所示。

图4 阻波器外形及尺寸

阻波器由两个圆环形均压罩和绝缘套筒组成，均压罩材料为铝制，绝缘套筒采用环氧树脂材料，筒壁上均匀缠绕细圆铜丝构成螺线圈电感。阻波器结构高度为1.2 m，均压罩外径为0.8 m，管径为0.2 m，绝缘套筒外径为0.4 m。

空心螺线圈的自感可根据文献[8]推荐的公式计算。计算公式如下:

(1)

式中:L为线圈自感，μH；R为螺线圈的半径，cm；N为总匝数；l为螺线圈的垂直高度，cm。

根据计算结果，研制的阻波器电感值约为28 mH。阻波器的电容主要由两部分组成，分别为上下均压罩之间的电容和线圈绕组间的杂散电容。通过仿真计算，均压罩之间的电容值约为11 pF，电感线圈绕组之间的杂散电容之和不超过4.5 pF，基本满足设计要求。

3 阻波器表面电场强度校核

阻波器串联接入试验回路中，在试验时将承受较高电压。为了避免阻波器自身发生电晕对无线电干扰测量产生影响，其均压罩的设计还应该考虑在最大试验电压下不发生电晕。为此，本文利用三维电场计算软件，建立了阻波器的三维有限元仿真模型，并对均压罩表面的电场强度进行了计算。阻波器均压罩表面电场分布云图(电压400 kV)如图5所示。由计算结果可以看出，均压罩表面的最大电场强度出现在均压罩的外侧，最大值约为18 kV/cm，其他大部分区域的电场强度均小于16 kV/cm。根据我国特高压直流工程设计经验[9]，各类小尺寸金具和均压环的表面场强按照不大于20 kV/cm控制。因此，本文所设计的阻波器在最大试验电压下不会发生较为明显的电晕放电，满足电晕控制要求。

图5 阻波器均压罩表面电场分布云图(电压400 kV)

4 试验线段安装阻波器后的效果

将研制的阻波器安装于直流试验线段上，阻波器顶端与试验线段耐张绝缘子串均压环直接相连，末端与直流高压试验电源相连。在阻波器连接到线路前后，对试验线段中间位置处的无线电干扰进行了测试，得到了有无阻波器时的无线电干扰频谱特性曲线对比。试验线段首端有无阻波器的无线电干扰频谱曲线对比如图6所示。

图6 有无阻波器的无线电干扰频谱曲线对比图

由图6的频谱特性曲线对比结果可以看出:未安装阻波器前，无线电干扰的频谱特性杂乱无章没有规律；安装阻波器后，无线电干扰频谱的波峰-波谷交替出现的趋势更清晰，且波峰与波峰之间频率间隔相等，约为1.38 MHz。直流模拟试验线段全长100 m，弧垂3 m。若考虑电源引线长度5 m，总长度约为108 m，根据文献[10]的计算方法，在两端开路的试验线段中间位置的无线电干扰频谱曲线波峰-波峰的频率间隔计算值约为1.39 MHz，与测试结果基本一致，证明了本文所设计的阻波器的有效性。