10 kV系統沖擊與工頻續流聯合試驗回路設計

陳斯翔，蘇杏志，孔華東，孫廣慧，劉益軍，齊小軍

(1.廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東省佛山市528000； 2.武漢水院電氣有限責任公司，武漢市 430073)

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10 kV系統沖擊與工頻續流聯合試驗回路設計

陳斯翔1，蘇杏志1，孔華東1，孫廣慧1，劉益軍1，齊小軍2

(1.廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東省佛山市528000； 2.武漢水院電氣有限責任公司，武漢市 430073)

為檢驗10 kV帶間隙防雷裝置在沖擊閃絡后熄滅工頻續流電弧的能力，設計了一種沖擊試驗與工頻續流試驗相結合的試驗回路。為了產生較高電壓下的高幅值工頻續流，采用LC串并聯諧振回路產生工頻續流，對該回路中各元件的參數進行計算并給出合理數值，最后利用同步控制回路提取沖擊信號來導通工頻續流回路，實現沖擊試驗與工頻續流試驗的同步。計算結果表明，該聯合試驗回路能在產生1.2/50 μs沖擊波的同時產生頻率為50 Hz的正弦電流波且電流的振蕩能夠持續至少100 ms，滿足帶間隙防雷裝置在沖擊閃絡后，檢驗工頻續流下熄滅電弧能力的要求。

帶間隙防雷裝置；LC串并聯諧振；工頻續流；聯合試驗；同步控制

0 引 言

目前架空線路的防雷有“堵塞型”和“疏導型”2種思想[1]。“堵塞型”防雷方法是我國現階段主要采用的防雷方法[2]，這種防雷理念主要是盡可能不讓線路發生雷擊閃絡，如架設避雷線、降低桿塔接地電阻、雙回線路采用不平衡絕緣方式、安裝線路避雷器等[3]。而“疏導型”防雷則是在絕緣子串上并聯保護間隙，雷擊時允許線路有一定的雷擊跳閘率，雷擊形成閃絡泄放雷電流的同時產生工頻續流，再配合線路繼電保護裝置的跳閘來切斷工頻續流，最后通過自動重合閘裝置合閘送電，可確保雷電流泄放的同時避免長時間的停電[4]。近年來，出現了一種新的防雷保護思想，即將“堵塞型”和“疏導型”2種思想相結合[5]，比較有代表性的產品為俄羅斯Streamer公司研制的一種滅弧柵式避雷器[6]和廣西大學研制的轟爆氣流滅弧防雷間隙[7]，該類防雷裝置允許線路遭受雷擊時發生閃絡，但是該裝置的特殊結構又能在繼電保護裝置動作前使工頻續流電弧熄滅，使得輸電線路在遭受雷擊后既能疏導雷電流又不會使線路跳閘[8-9]，因而具有廣闊的應用前景。但該類裝置因運行時間短，其防雷效果特別是滅弧原理研究得尚不充分[10]，需進行試驗對該類裝置間隙的滅弧性能進行檢驗及優化。

目前，國內外有關避雷器的標準中，對間隙熄滅工頻續流電弧的能力尚未制定相關考核標準[11-12]，只有DL/T 1293—2013 《交流架空輸電線路絕緣子并聯間隙使用導則》提出了對并聯間隙的工頻燃弧特性進行試驗的要求，但該試驗的目的是驗證并聯間隙能否使工頻續流形成的電弧離開絕緣子并沿著并聯間隙向外發展，并不考察間隙熄滅工頻續流電弧的能力[13]。為驗證此類防雷裝置的滅弧能力，特別是沖擊閃絡后熄滅工頻續流電弧的能力，需進行沖擊試驗與工頻續流試驗相結合的聯合試驗。聯合試驗時，沖擊試驗采用沖擊電壓發生器即可產生1.2/50 μs的沖擊電壓波，滿足試驗要求；而工頻續流試驗部分因要求在較高電壓下產生高幅值工頻電流的同時與沖擊試驗同步進行，一般的工頻發生器難以達到試驗要求[14-15]。因此，尚未有專門針對此類聯合試驗的試驗設備。

為檢驗帶間隙的防雷裝置沖擊閃絡后熄滅工頻續流電弧的能力，本文針對10 kV電壓等級，設計一種將工頻續流試驗和沖擊試驗相結合的聯合試驗回路，其工頻續流試驗部分根據LC串并聯諧振原理，利用LC振蕩回路形成工頻電流，同時工頻續流回路的導通采用受控方式，即通過提取沖擊支路的沖擊信號，控制工頻續流回路開關的導通，從而產生工頻續流，解決沖擊試驗與工頻續流試驗同步的問題。

1 聯合試驗回路結構設計

結合避雷器相關標準與應用實際，聯合試驗回路應滿足以下3點要求：

(1)沖擊電壓發生器能產生1.2/50 μs的標準雷電壓沖擊波形，且其幅值不低于50 kV[16]；

(2)帶間隙防雷裝置沖擊擊穿后流過的工頻續流頻率應為50 Hz，且電流的持續時間不少于100 ms[13]；

(3)帶間隙防雷裝置雷擊閃絡后，工頻續流同步作用在防雷裝置上，沖擊電壓與工頻續流不存在時間差。

針對以上要求，設計聯合試驗回路的結構如圖1所示。

圖1中，C0、L0及L1構成的串并聯諧振電路利用LC振蕩原理來產生工頻電壓和電流：首先對充電電

圖1 聯合試驗回路結構圖

容C0進行預充電，閉合工頻振蕩支路開關K0，L0、C0、L1之間發生能量轉換，從而產生振蕩，輸出振蕩電壓和電流。開關K1所在支路為負載支路，用來模擬帶間隙防雷裝置的擊穿。而正確合理地選取電感、電容等參數，是本文的重點。

2 工頻續流回路設計

由于間隙擊穿后電弧的弧道電阻很小，且阻值存在一定的波動[17]，所以在對工頻續流回路進行初步設計時，忽略電弧弧道電阻的影響，即假設帶間隙滅弧裝置擊穿后負載支路為短路狀態；而沖擊支路由于作用時間很短，只有幾百μs，且通過限流電感L1與工頻續流回路相連，即沖擊支路產生的沖擊電壓主要施加在防雷裝置上，對工頻續流回路的影響可暫不考慮。

首先，在t=0-時刻利用直流電源為充電電容C0充電至10 kV，系統相電壓的幅值為8.16 kV；其次，沖擊支路將滅弧裝置的間隙擊穿，開關K0在t=0時刻閉合，此時，該電路為L0、C0和L1串并聯的三階電路，電容C0開始放電，與L0、L1之間進行能量交換，并振蕩輸出電壓、電流。

為使該電路輸出頻率為50 Hz的交流電源，需對L0、C0和L1進行合理取值，為此，對該高階電路進行拉普拉斯變換，變換后的電路如圖2所示。

圖2 對LC串并聯諧振回路進行拉普拉斯變換后的電路

對圖1的電路進行求解，可求出負載支路上的電流I(s)為

(1)

式中E(s)=UN/s，s為拉普拉斯算子，UN為系統額定電壓。

對式(1)進行變換：

(2)

對式(2)進行拉普拉斯反變換，得到I(s)的原函數i(t)為

(3)

由式(3)可得：

(4)

(5)

為使負載支路上流過的電流頻率為工頻，則ω=2πf=100πHz，即L0、C0和L1應滿足如下關系：

(6)

將式(6)變換為

(7)

或

(8)

則L0、C0和L1的取值首先應滿足104π2L1C0>1，且104π2L0C0>1。為達到一定的振蕩電流幅值，C0的取值定為數千μF，本文分別選取了1 000，2 000，3 500，5 000 μF這4個值，調整L0和L1的取值，計算出回路中的各參數，計算結果如表1所示。

考慮到電抗器、電容器的制作工藝并結合10 kV系統的電流水平，本文選取了2組參數：(1)C0=2 000 μF，L0=10.3 mH，L1=10 mH；(2)C0=2 000 μF，L0=7.7 mH，L1=15 mH；并利用電磁暫態仿真軟件EMTP-ATP計算出這2種情況下負載支路上流過的電流波形，如圖3所示。

若考慮電弧電阻的影響，因電阻在L0、C0、L1振蕩過程中會吸收部分能量，所以振蕩電流的幅值會出現衰減，圖4即為假設電弧電阻為0.5 Ω時不同元件

表1 不同L0、C0和L1取值時工頻續流回路的參數

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

圖3 不同元件參數下負載支路電流波形圖

參數下負載支路電流的波形圖。圖5為電弧電阻為1 Ω時負載支路電流波形，從圖5中可以看出，電容參數同為2 000 μF的條件下，L1=15 mH時振蕩電流幅值的衰減程度小于L1=10 mH時的，且電弧電阻越大，兩者的衰減程度差距也越大。因此，本文在設計工頻續流回路時，回路元件參數的選擇為：C0=2 000 μF，L0=10.3 mH，L1=10 mH。

圖4 電弧電阻為0.5 Ω時負載支路電流波形圖

3 沖擊支路設計

沖擊支路的設計輸出為1.2/50 μs標準雷電壓沖擊波，且其幅值在50～200 kV之間可調；沖擊支路主要技術參數為：標稱電壓200 kV；額定能量2.5 kJ；設備級數2級；設備效率>90%。

產生沖擊電壓波的設備主要由高壓部分和控制系統組成。高壓部分則由沖擊主發生器、高壓整流充電系統、隔離放電間隙、自動接地放電裝置、充電電壓監視分壓器和弱阻尼電容分壓器組成。

控制系統的主控單元為1臺可編程控制器，實現整個系統的過程控制和監測。控制臺內裝L-C參數恒流充電控制裝置，可實現自動定值充電和自動放電，并具備過流保護功能。圖6即為該沖擊支路產生的1.2/50 μs標準雷電壓沖擊波，通道1 與通道2為不同變比的沖擊電壓波形。

圖5 電弧電阻為1 Ω時負載支路電流波形圖

圖6 沖擊支路產生的沖擊電壓波形

4 工頻續流回路與沖擊支路的配合

本文所述的沖擊支路與工頻續流回路的聯合試驗回路能否保持同步，關鍵在于兩者的同步控制。為此，聯合試驗回路設計了利用沖擊信號控制工頻續流回路開關導通的同步控制回路。其中，工頻續流回路開關選用可耐壓6.5 kV的單管IGBT(insulated gate bipolar transistor)模塊，其響應速度可達ns級。考慮到系統相電壓幅值為8.16 kV，選用2只IGBT模塊串聯使用以提高耐壓水平，同時對2只IGBT模塊的驅動電阻進行匹配以達到兩者之間的同步控制誤差在ns級。

為防止IGBT模塊作為主回路同步觸發的開關器件免受沖擊波的作用，除了反向并聯續流二極管模塊外，在正向亦并聯二極管模塊用以泄放雷電沖擊能量，將開關模塊的正向壓降箝位在二極管模塊的管壓降以內。聯合試驗原理圖如圖7所示。

圖7 聯合試驗原理圖

圖7中D4用以泄放侵入的雷電沖擊能量，D3用以防止雷電沖擊能量沿IGBT模塊支路流過，同時保證IGBT模塊開通后流過工頻電流。以雷電沖擊1.2/50 μs上升沿作為觸發信號導通IGBT開關模塊，控制IGBT的信號為沖擊波通過負載支路兩端分壓器時的信號，該信號再通過耦合變壓器(1∶1)進行隔離并引入同步控制回路，導通工頻續流回路的開關IGBT，使工頻續流回路開始振蕩，輸出工頻電流。

5 試驗結果

試驗所采用的試品為俄羅斯streamer公司生產的多間隙避雷器，該避雷器用于保護10 kV系統的交流架空輸電線路，由多個間隙串聯而成[18]。對此類結構的避雷器而言，工頻續流切斷能力是檢驗其性能的關鍵因素。試驗前，測試本試驗所采用的試品沖擊放電電壓不超過80 kV；然后，利用10 kV/500 mA大電流充電裝置對工頻電容預充電至8.16 kV；沖擊發生器充電至95 kV。通過同步控制回路實現沖擊支路與工頻續流回路的同步配合，最終在負載支路上產生的電流波形如圖8所示，其中，通道1為電流波形，通道2為電壓波形。試驗時，用分壓比為1 000∶1的電阻分壓器測量試品兩端的電壓，用10 mΩ的管式分流器測量流過試品的電流。

圖8 施加在負載支路上的電流波形

從圖7中可看出，多間隙避雷器被沖擊波擊穿后流過工頻續流，因存在電弧的弧道壓降，多間隙避雷器兩端電壓穩定在3 kV左右。工頻續流階段持續時間約為半個周波，即10 ms，續流峰值可達1.8 kA，隨后在工頻續流過零點時，多間隙避雷器將工頻續流切斷，施加于多間隙避雷器的電壓逐漸恢復至8.16 kV，該電壓周期為25 ms，略大于工頻的20 ms，在該幅值電壓作用下，防雷間隙未發生重燃。

以上試驗結果說明，該聯合試驗回路能在試品被雷電壓擊穿的同時提供高幅值的工頻續流，并能在試品切斷續流后同步提供系統工頻電壓以檢驗試品是否會發生重燃。因此，該聯合試驗回路可對帶間隙防雷裝置進行沖擊與工頻續流試驗相結合的綜合防雷試驗。

6 結 論

(1)研制的沖擊電壓發生器能產生1.2/50 μs的標準雷電壓壓波形，且其幅值不低于50 kV；

(2)通過LC串并聯諧振回路可產生頻率為50 Hz、振蕩時間超過100 ms的振蕩電流；

(3)引入同步控制回路，在沖擊支路產生沖擊波的瞬間即可提取沖擊信號并觸發工頻續流回路開始振蕩，實現了沖擊與工頻續流同時發生；

(4)帶間隙防雷裝置切斷工頻續流后，聯合試驗回路能同步提供系統工頻電壓以檢驗試品是否會發生重燃。

[1]陳維江，孫昭英，王獻麗，等.35 kV架空送電線路防雷用并聯間隙研究[J].電網技術，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]谷山強，何金良，陳維江，等.架空輸電線路并聯間隙防雷裝置電弧磁場力計算研究[J].中國電機工程學報，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，汲勝呂，等.高壓輸電線路和變電站雷電防護的現狀與發展[J].電瓷避雷器，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]陳勉，吳碧華，羅真海.探討高壓架空送電線路采用“疏導”型思想的防雷保護[J].廣東電力，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]王蘭義，趙冬一，胡淑慧，等.從INMR全球會議看避雷器的發展趨勢[J].電磁避雷器，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]王巨豐，唐捷，黃志都，等.噴射氣體滅弧防雷間隙的滅弧機制[J].電網技術，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]王巨豐，劉津濂，郭偉，等.絕緣子串并聯保護間隙的包轟氣流滅弧方法[J].電網技術，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]司馬文霞，張智，楊慶，等.110 kV復合絕緣子棒形并聯間隙工頻電弧疏導過程的試驗研究[J].中國電機工程學報，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]張益民，申萌，羅六壽，等.帶外串聯間隙線路避雷器續流切斷試驗探討[J].電瓷避雷器，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 交流架空輸電線路絕緣子并聯間隙使用導則[S].

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

[15]胡醇，趙瑞慶.363 kV高壓合成回路試驗系統設計及研究[J].中國機電工業，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交流系統用碳化硅閥式避雷器[S].

[17]吳翊，榮命哲，楊茜，等.低壓空氣電弧動態特性仿真及分析[J].中國電機工程學報，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.

陳斯翔 (1985)，男，碩士，工程師，主要從事電氣設備絕緣配合及避雷器技術方面的研究工作；

蘇杏志(1965)，男，高級工程師，從事高電壓技術及輸電技術方面的工作；

孔華東(1975)，男，碩士，高級工程師，從事電力系統過電壓保護方面的工作；

孫廣慧(1980)，男，高級工程師，從事配電工程及運行管理方面的工作；

劉益軍(1982)，男，高級工程師，從事電氣設備檢測方面的工作；

齊小軍(1976)，男，工程師，從事電力系統過電壓保護方面的研究工作。

(編輯：張小飛)

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

南方電網公司科技項目(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).