高耦合分裂电抗器的雷电冲击特性研究

2021-09-22莫文雄杨春师利星赵睿南王勇刘俊翔

甘肃科技纵横 2021年8期

莫文雄杨春师利星赵睿南王勇刘俊翔

摘要：随着国家电力行业的不断发展，许多事故发生时的短路电流已经接近或者超过设计初期的额定短路电流值，从而引发开断装置无法开断电流与烧毁设备等一系列问题。目前解决此类问题的最有效的方法是使用大容量的短路电流开断器，这种解决方式可以在不改变电网现状的情况下灵活满足短路电流容量增大的要求，但此法的缺点是电抗器易受雷电波影响。

本文介绍了高耦合分裂电抗器的工作原理与结构特点，利用集总参数法计算了一台500kV，4MVar高耦合分裂电抗器的雷电冲击特性。在分裂电抗器一侧接地而另一侧接入标准雷电波的情况下，分别计算了主绝缘通道与纵绝缘通道的电场强度。并最终通过试验验证了该计算的可靠性。

关键词：高耦合;电抗器;雷电冲击

中图分类号：TM47

1 前言

随着我国社会经济的发展，电网中的短路电流超出现有断路器通断能力，已经成为严重威胁我国各大用电负荷中心电网的安全稳定运行的重大问题。

随着电网规模不断扩大，上述问题也在不断加剧，限制短路电流的大小是解决短路能量对电网的影响的有效办法之一。目前的主要措施和方法有：优化各个供电系统的结构、解环运行、提高电网的电压等级、采用直流输电、采用限流电抗器以及采用故障电流限制器等方法。与故障电流限制器相比，其它的限制短路电流方法在经济性、安全性、灵活性、可靠性、稳定性上都有着各种不足。故障电流限制器作为短路电流限制装置中的代表性设备，其具有损耗小、噪音低、维护工作量小、不易发生相间短路故障、电抗值线性度好、设计寿命长等优点，经过多年的研究和应用，故障电流限制器拥有着良好的的限流性能和成熟的技术，因此，使用故障电流限制器是解决上述问题的重要手段之一[1]。

限流器可分为超导型和常规型两种，目前国内外在这两种类型产品领域取得重大研究进展，先后开发了多种限流器，但影响限流器进入市场并得到推广的因素很多，包括可靠性、经济性、运维方便等多个方面。常规限流器中，固态限流器重复性好、动作快，但产品损耗高、所需器件多、造价贵，应用领域主要集中在配电网络;磁饱和限流器动作快、恢复快，但控制复杂、体积庞大、造价高，在高电压电网中较难推广应用;谐振型限流器，由于存在并联谐振型过电压及谐振电流问题，无法在实际工程中得以应用。超导限流器的优点是动作快、可自触发、限流深度大，但由于恢复时间长、占地大、造价贵，因此经济性较差。

基于高耦合分裂电抗器和快速开关的经济型交流限流器，其基本原理为“双臂运行时电抗器处于低阻抗通流模式、单臂运行时电抗器处于高阻抗限流模式"，整体限流器具有超大短路电流抑制、可靠性高、低损耗、响应时间快、运维方便等功能。

本文研究了西安西电变压器有限责任公司、广东电网有限公司广州供电局与华中科技大学联合研究设计的一台500kV 10MVar高耦合分裂電抗器的雷电冲击特性。

2 高耦合分裂电抗器设计原理与基本参数

2.1基本原理

高耦合分裂电抗器（High Coupled Split Reactor- HCSR）由相互耦合的两组线圈组成，一组线圈的两端直接接入线路，另一个线圈的两端通过快速开关接入线路。当两组线圈同时通过电流时，两线圈产生的磁通在公共磁路内相互抵消，线圈对外仅呈现为很小的漏感。而当两组线圈电流不均衡或只有单个线圈通流时，对应的线圈对外呈现出很大的单臂电感，能够有效限制对应支路的故障电流。

上述原理可以实现在系统正常工况下高耦合分裂电抗器对外呈现为低阻抗，故障时HCSR呈现单臂大电感限制短路电流。由于高耦合分裂电抗器的上述作用，使得基于高耦合分裂电抗器和快速开关的限流器在故障时可以有效限制故障电流，正常运行时对系统几乎没有影响。

高耦合分裂电抗器的接连原理图如图1所示，所有奇数号包封组成1#臂线圈，采用下进线上出线方式;所有偶数号包封组成2#臂线圈，采用上进线下出线方式。1#臂线圈与2#臂线圈的进出线方式相反，使得整个高耦合分裂电抗器在正常运行时两臂产生的磁通相互抵消，呈现为低阻抗状态。

2.2 HCSR结构特点

500kV高耦合分裂电抗器整体为干式空心结构，主要由浇注式结构线圈、高强度铝合金星形架、复合支柱绝缘子、玻璃钢材质防雨罩等组成。其基本原理和传统的分裂电抗器有所不同，包括两组产生相反磁通的耦合线圈，从结构上来看，干式空心高耦合分裂电抗器只有绕组、没有铁心，线圈由若干并联的电感线圈同轴组装在一起，再由位于线圈上部和下部的星形架（汇流排）固定。

线圈结构示意图和总体结构示意图如图2所示：

2.3 HCSR主要参数

根据新型的断路器并联方案，研制的HCSR适用于500kV电压等级，HCSR的各项参数如表1所示。

3 HCSR的雷电冲击计算

随着各种电抗器在电力系统中的大量使用，由于存在产品质量潜在隐患和绝缘老化的因素，电抗器的损坏时有发生[2-6]。浇注式线圈作为高耦合分裂电抗器的核心部件，它的匝间及臂间过电压情况是绝缘设计的关键。本文结合了实验所用的高耦合分裂电抗器的结构特点，对1#臂与2#臂进行了冲击电压试验，最后得到了电抗器内部线匝的电位及臂间电压分布情况。

高耦合电抗器损坏的主要原因是由于绝缘缺陷造成匝间短路造成的。绝缘设计是HCSR应用于高电压等级电网时面临的关键问题。在限流器运行过程中，HCSR主要受到两种过电压的冲击：操作过电压和雷电过电压。而雷电过电压对于整个设备的影响最为严重。因此对HSCR进行雷电冲击试验是十分必要的。

根据高耦合电抗器运行特点，雷电可能从1#臂的两端侵入，而2#臂的两端接地，如图三所示;也有可能从2#臂的两端侵入，而1#臂的两端接地。

入波为1.2/50μs标准雷电波，幅值为145kV时，经过试验测得各包封间的最大电压梯度如表2所示。

当1#臂双端入波，2#臂双端接地情况。入波为1.2/50μs标准雷电波，幅值为145kV时，各个包封的对地电位如图4所示。而当2#臂双端入波，1#臂双端接地情况。入波为1.2/50μs标准雷电波，幅值为145kV时，各个包封的对地电位如图5所示。

从计算结果来看，包封间主绝缘最大电压差出现在第7到第8包封间的主绝缘通道，其值为28.4kV。根据设计参数，两个包封间的主絕缘距离为49.4mm，其中绝缘材料包含聚酰亚胺膜、DMD和环氧树脂，将上述材料都折算到空气，主绝缘通道内的电场强度为1.6kV/mm，而空气的击穿场强为3.0kV/mm，则安全裕度为1.875。

环氧树脂的击穿强度为21 kV/mm，聚酰亚胺薄膜的击穿强度达到329kV/mm[7]，本产品环氧树脂厚度为9mm，聚酰亚胺膜绝缘厚度为1.2mm，经计算可以耐受的工频电压大于180kV，考虑到雷电与工频的电压的折算系数，则耐受电压更要高于这一值。故对于高耦合电抗器来讲，主绝缘与纵绝缘的均是安全的。

4结论

通过以上的试验数据分析可知分析得出在奇数包封和偶数包封分别接入雷电冲击波进行雷电冲击试验时，包封主通道所承受的电压与正常运行时差异较大。但是这两种入波方式之间的差异却并不大，且每个包封通道所承受的电压差均在30kV之内，最大值出现在第7到第8包封间的主绝缘通道，其值为28.4kV。而根据高耦合分裂电抗器的设计标准，包封主通道间可承受的最大电压差为53.25kV，包封主通道的安全裕度为1.85。即可认为入波为1.2/50μs标准雷电波，幅值为145kV时，包封主绝缘符合安全标准。

对于每个单独的包封，对地电位随着饼数的增加先增大后减小。电压小于可以耐受的工频电压180kV。

综上所述该产品完成了厂内的雷电冲击试验，证明了计算程序的准确性。

参考文献

[1] 曲德宇，陈荣，吴杰，万锋涛，刘俊翔，王勇.用于大容量并联断路器装置的高耦合度分裂电抗器的研制[J].变压器，2017，54（07）：25-32.

[2] 李予全，夏中原，王伟，郑含博，邵颖彪，赵磊，董丽洁.干式空心电抗器匝间绝缘考核方法研究[J].电瓷避雷器，2019（01）：239-244.

[3] 莫文雄，伍开建，袁召，陈立学，刘俊翔，朱璐.500kV高耦合分裂电抗器内部过电压计算与分析[J].高电压技术，2021，47（02）：495-503.

[4] 张猛，马骢，王银岭，刘成柱，王国金，王红雨.基于电路仿真法的叠装电抗器雷电冲击电压分布特性研究[J].高压电器，2020，56（12）：191-195.

[5] 张亚杰，冉庆凯，赵峰，侯义明，张庆波.串联电抗器式高阻抗变压器的冲击特性分析[J].变压器，2021，58（04）：31-36.

[6] 张猛，王国金，张月华，胡宾，奚晶亮，孙文越.±1100kV特高压干式平波电抗器绝缘设计与试验分析[J].高电压技术，2015，41（05）：1760-1768.

[7] 陈志强，牛田野，田凤兰，李洪波，王长义.温度对聚酰亚胺直流击穿特性与闪络特性影响的研究[J].低温与超导，2012，40（05）：14-16.

作者简介：

莫文雄