220 kV飽和鐵心型超導限流器絕緣設計

王海珍，牛瀟曄，張利峰，洪輝，熊志全，楊昆

(北京云電英納超導電纜有限公司，北京 100176)

220 kV飽和鐵心型超導限流器絕緣設計

王海珍，牛瀟曄，張利峰，洪輝，熊志全，楊昆

(北京云電英納超導電纜有限公司，北京 100176)

介紹220 kV SISFCL樣機高壓絕緣設計為密封在非金屬玻璃鋼油箱內的油紙絕緣結構，為滿足穩態運行和限流性能其交流繞組匝數很少，這為主、縱絕緣的設計制造帶來很大困難。根據相關標準對該樣機進行工頻耐壓、雷電全波(截波)沖擊耐受以及局部放電測量等型式試驗，結果表明該絕緣設計滿足相關標準技術要求。

飽和鐵心型超導限流器；玻璃鋼油箱；絕緣；屏蔽；型式試驗

0 前言

隨著輸配電容量大幅增加，電壓等級向超高壓方向發展、電網向堅強型智能化發展。這對高壓絕緣材料、絕緣結構設計提出了更高的要求；而同時出現的電網短路電流水平急劇增大，對系統的限流技術和設備提出了挑戰。目前，高壓絕緣材料特性的研究取得了很大進展，設備的絕緣結構在相應輔助設計下也可大大優化。而能夠抑制電網故障短路電流水平的技術手段卻非常有限。在設備上，常用的是高阻抗變壓器或空心電抗器等，但這些方法同時也增加了輸電損耗。

超導材料具有低損耗、高效率、傳輸電流密度高等優點，近年來，隨著高溫超導材料技術的發展，高溫超導電力應用取得顯著進展，如超導變壓器、超導電機、超導電纜、超導限流器等都已有掛網試運行樣機。超導限流器以其優異的工作特性，成為電網克服系統短路電流比較理想的設備。目前，技術比較成熟且電壓等級最高的則是飽和鐵心型超導限流器 (SISFCL)，其原理基于傳統的飽和鐵心電抗器，利用超導材料零電阻及通流能力強的特點，低損耗地解決了普通導體無法實現的高強度直流勵磁，同時避免了超導繞組直接承受短路電流沖擊，其可靠性和可實現性均優于其它類型的超導限流器。與傳統限流設備相比，它具有極低的輸電穩態阻抗，這意味著正常輸電時損耗很少；短路故障發生時，能瞬間產生高阻抗，達到限制短路電流的效果；故障消除后，又能迅速恢復正常運行狀態，配合電網重合閘。

對于高壓電力設備，絕緣設計是整體設計的一項重要內容，將直接影響到設備整體的結構和性能。220 kV的傳統電力設備其絕緣結構設計、生產工藝等已經十分成熟，尤其油浸 (紙)絕緣結構，無論是絕緣材料性能、還是結構設計制造工藝等都積累了大量的試驗數據和運行經驗，為保證設備運行的安全可靠性奠定了堅實的基礎。為此，本文中220 kV SISFCL樣機高壓絕緣采用了油浸絕緣結構。

與傳統油浸變壓器、電抗器等設備將繞組器身、鐵心、金屬夾件等置于一個可直接接地的金屬油箱中，設計繞組間、繞組對地、繞組對鐵心間的主、縱絕緣結構不同，220 kV SISFCL僅將交流繞組密封在內部設有接地半導電屏蔽材料的非金屬玻璃鋼油箱內，鐵心、夾件以及為超導勵磁繞組提供低溫運行環境的杜瓦等部件均直接與空氣接觸并統一接地，如圖1所示。這樣，理論上可使油箱內電場相對均勻，有利于絕緣設計。但為滿足穩態運行低阻抗、限流運行高阻抗，且體積小等技術經濟性其交流繞組匝數很少 (幾十匝)，這又為主、縱絕緣的設計制造帶來了困難。

圖1 (a)220 kV SISFCL結構示意圖

圖1 (b)油箱和繞組結構示意圖

帶著上述困難對絕緣結構進行了電場仿真和波分布的理論分析，并對樣機進行雷電全波 (截波)沖擊耐受、外施工頻耐壓以及局部放電測量等型式試驗研究。

1 限流器的絕緣設計

1.1 主絕緣

主絕緣，即繞組對油箱屏蔽、繞組對鐵心之間的絕緣結構，其所應承受的絕緣水平和試驗電壓如表1所示。

表1 絕緣水平和試驗電壓

為了防止在工頻和沖擊試驗電壓下，油道內出現放電現象，采取把大油隙分割為小油隙的油紙隔板結構，采用薄紙筒小油隙結構，其設計原則是使油隙在局部放電試驗電壓下的電場強度值低于油隙起始局部放電電場強度。為此，在分割完絕緣油隙后，采用專用電場計算程序對設備在各種工況電壓下的全域電場進行了詳細分析計算。在控制電極表面第一油隙場強的同時，全面分析沿電力線各油隙的電場分布。如圖2(a) (b)所示在1min外施工頻電壓395 kV下繞組端部的等位線分布和場強分布。由圖可以看出等位線光滑無突起尖端部分，分布合乎要求。

圖2 395 kV下等位線分布圖

圖3 、圖4所示為靜電環周圍的電場分布。沿場強最大的一條電力線路徑取多點，計算沿此路徑第一油隙的場強分布，可以看出靜電環周圍電場是比較均勻的，不會出現局部放電。

圖3 第一油隙電力線分布圖

1.2 縱絕緣

縱絕緣研究的重點是高壓繞組在各種試驗電壓下的餅間絕緣強度及繞組軸向絕緣強度。利用波過程計算軟件計算繞組的沖擊電壓分布，并根據計算結構采取有效措施，調整繞組屏蔽的段數、工作線匝的絕緣厚度、屏蔽線匝的絕緣厚度以及油道的大小。通過電容補償進一步改善沖擊電壓梯度的分布，使各絕緣有足夠的裕度，以保證在很少的匝數情況下繞組縱絕緣強度滿足設計要求且具有良好的沖擊電壓分布。嚴格控制場強分布，確保繞組內不發生局部放電，保證繞組的縱絕緣強度。雷電全波沖擊電壓梯度分布如圖4。

圖5 線圈節點電位，油道梯度分布結果

根據交流匝數要求線圈共36段，采用兩段屏插入電容式繞組，以兩個線餅 (正、反餅)作為一個單元。圖4中節點電位是將每個單元的末端作為節點計算其到線圈末端的電壓占所加線圈電壓950 kV的百分數。油道梯度是每個單元的兩端壓降占線圈所加電壓950 kV的百分數。

判斷波過程是否合格，主要分析以下兩點：

1)繞組中各段屏所處的電位從施加電壓端到末端應呈衰減趨勢。

2)每個單元的兩餅之間的電壓梯度不能相差太大，呈線性分布。

由節點電位數據可以看出各線餅所處的電位均小于入波電壓，而且呈均勻衰減趨勢；另外由油道梯度數據可以看出線餅間電壓梯度呈線性，無擊穿電壓隱患。

2 絕緣試驗

220 kV SISFCL樣機在制造廠內進行了絕緣型式試驗。主要包括雷電全波 (截波)沖擊試驗、外施工頻耐壓試驗和局部放電測量試驗。

2.1 雷電全波 (截波)沖擊

限流器實際運行中串聯在線路中，兩個高壓端子都有可能為入波端，因此單相樣機的雷電沖擊試驗接分別對兩個高壓端子進行。即一端入波，另一端接地。試驗沖擊全波為標準雷電波 (1.2 μs±30%)/(50 μs±20%)，試驗電壓為負極性，額定全波峰值950 kV，額定截波峰值1 050 kV，根據GB1094.3規定，施加電壓的順序為：

一次降低電壓的負極性全波沖擊；

一次額定電壓的負極性全波沖擊；

一次降低電壓的負極性截波沖擊；

二次額定電壓的負極性截波沖擊；

二次額定電壓的負極性全波沖擊。

試驗過程中，對兩端子的全部沖擊均無外部閃絡，降低電壓下的電壓和電流瞬變波形與全試驗電壓下的瞬變波形無明顯差異如圖3所示，說明絕緣耐壓試驗合格，保證了SISFCL在抗雷電沖擊過電壓的安全可靠性。

圖3 雷電沖擊試驗波形

2.2 外施工頻電壓耐受和局部放電測量

參考GB1094.3規定單相樣機外施工頻耐壓只進行相對地試驗，同時進行局部放電特性評估，在U2=1.5Um/3下所有測量端子上的視在放電量的連續水平滿足標準要求。施加電壓的大小和時間順序如圖所示。圖4中電壓為對地電壓有效值，分別應為：

上升到1.1Um/3，保持5 min，監測局部放電水平；

上升到U2，保持5 min，監測局部放電水平；

上升到U1，即額定外施工頻耐壓值，持續60 s；

試驗后立刻不間斷地降低到U2，并至少保持30 min，測量局部放電；

降低到 1.1Um/3，保持 5 min，測量局部放電；

試驗結果如表3所示。

圖4 外施工頻電壓和局部放電測量電壓施加順序

表3 工頻耐壓和局部放電試驗結果

試驗結果顯示，220 kV SISFCL的絕緣在耐受1 min工頻電壓前后，局部放電量均較小，遠低于1.5×Um/3下不大于500 pC，1.1×Um/3下不大于100 pC的標準要求。可以滿足SISFCL長期運行的可靠性要求。

3 結束語

以上介紹單相220 kV飽和鐵心型超導限流器，其新穎的油箱結構和性能要求對絕緣設計提出了更高要求，通過對主縱絕緣的電場和波過程進行仿真，優化絕緣結構，并通過型式試驗驗證，該設計完全能夠滿足國家標準的要求。

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王海珍，北京云電英納超導電纜有限公司。

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

資金資助項目：國家 863計劃課題 2006AA03Z234，2009AA03Z228和2009AA035403；云南省匹配國家重點項目2010GA003。