特高壓電抗器局部放電試驗方法探索

吳鵬

（國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

特高壓局部放電試驗技術

特高壓電抗器局部放電試驗方法探索

吳鵬

（國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

局放試驗是檢測電力設備絕緣狀況最為有效的手段之一，目前在中國特高壓1000 kV電壓等級并聯電抗器現場局部放電試驗還處于論證摸索階段。相比1000 kV變壓器局放試驗，1000 kV電抗器局放試驗具有試驗容量大、試驗裝置復雜、屏蔽難度大等特征。文中對1000 kV并聯電抗器局放試驗的主回路原理進行了分析，對主回路參數如試驗電流、電容補償量、損耗等試驗參數進行計算，對局放檢測回路的檢測靈敏度和抗干擾性進行了分析，結合試驗裝備技術水平對主要試驗設備補償電容器、變頻電壓、勵磁變壓器、阻波電抗器等進行了參數設計和選型，為試驗裝備研制和現場開展試驗提供了基礎。

特高壓；并聯電抗器；局部放電

我國能源分布和需求極不均衡，建設特高壓電網，實現長距離、大容量、低損耗輸送電能，已成為國家能源發展、清潔發展的戰略重點。1000 kV特高壓輸變電工程線路側均配置1000 kV并聯電抗器，來補償遠距離輸電線路容抗。并聯電抗器作為電網可靠運行的重要組成部分其安全穩定直接影響電網的安全。截止2014年底，全國在運1000 kV并聯電抗器共60臺，750 kV并聯電抗器321臺。已投運1000 kV特高壓及750 kV超高壓輸變電工程中，均發生過多起高壓并聯電抗器絕緣缺陷故障，對特高壓輸變電工程安全運行及跨區能源供應造成了威脅［1-6］。2008年，馬繼先、巴桑次仁、劉赟等對電抗器串聯諧振耐壓試驗的可行性進行分析，設計了500 kV并聯電抗器局放測量方案，并開展現場局部放電試驗［7-10］。隨著1000 kV特高壓輸變電工程建設，國內主要高壓試驗研究單位掌握豐富的1000 kV變壓器現場局放試驗技術和經驗［11，12］。

試驗裝備制造者也積累了大量的試驗裝備設計制造經驗。由于1000 kV并聯電抗器局放試驗存在諸多難題尚未解決，如試驗容量大所需試驗裝備復雜；高壓區域范圍廣，局放屏蔽技術難度大，局放檢測回路設計復雜。目前GB 50150—2006和Q/GDW 310—2009中在電抗器現場交接試驗中未對高壓側主絕緣和繞組縱向絕緣提出考核試驗要求［13，14］。針對以上難題，本文從試驗主回路參數計算出發，給出主回路設備參數和性能需求，能夠滿足試驗容量大的要求；通過設計主回路中的阻波電抗器參數、分析不同局放測量回路特點，推薦滿足局放測量最有利的方案。

1　試驗基本原理

試驗采用串聯諧振原理，利用RLC串聯電路，通過改變試驗系統的試驗頻率（通常范圍30～300 Hz），使電抗器電壓達到試驗要求，而試驗電源容量較小，可以在現場實現電抗器縱絕緣的耐壓試驗及局放測量。基本原理如圖1所示。

圖1　串聯諧振法基本原理

串聯諧振耐壓試驗中，補償電容容抗與電抗器感抗相等時，電抗中的磁場能量與補償電容中的電場能量相互補償，電源只提供回路有功損耗。試驗系統主要由無局放變頻電源、勵磁變壓器、諧振電容器、阻波電抗器、無局放電容分壓器等組成。耐壓試驗與局部放電測量同時進行，利用電抗器高壓套管末屏電容進行局放耦合取樣，接至局放儀進行測量。

2　試驗主回路分析

2.1被試并聯電抗器參數

1000 kV并聯電抗器一般采用單相油浸式結構、三相星形接線。以特高壓盱眙站1000 kV并聯電抗器為例，其技術參數如表1所示。

表1　1000 kV并聯電抗器技術參數

2.2試驗主回路參數分析

圖1串聯諧振基本原理圖中，勵磁變壓器等效電感、并聯電抗器的等效電容、電容分壓器的電容遠小于并聯電抗器電感量和補償電容器的電容量，可以在主回路參數計算分析中忽略，如圖2所示。

圖2　主回路等效

根據圖2主回路等效圖，主回路各參數滿足公式：

補償電容器容量：

（1）確定試驗頻率。式（2）中，試驗電壓U和并聯電抗器電感L均為定值，為降低補償電容器容量S，控制試驗裝備體積，應盡可能將試驗頻率f提高。目前成熟的變頻電源可調頻率范圍為30～300 Hz。另外，頻率的增大會相應增加補償電容器的有功損耗。綜合考慮，選定試驗頻率為f=250 Hz左右。

圖3特高壓電抗器耐壓試驗加壓程序

（3）補償電容量。根據式（1）、式（2）可以計算出，補償電容器電容C=75.8 nF，補償電容器容量S=138.78 MV·A。

（4）試驗電流計算。試驗過程中流經電抗器的最大電流I=U1/ωLr=128.5 A。

（5）電抗器額定參數狀態下的銅損：

由式 （3）得到電抗器額定參數狀態下的銅損為230 MW。電抗器額定參數狀態下的鐵損：

由式 （4）得到電抗器額定參數狀態下的鐵損為220 kW。

試驗參數下的銅損：

由式（5）得到試驗參數下的銅損為26 kW。

試驗參數下的鐵損：

式（6）中：Utm為最高試驗電壓；Ur為額定電壓；ft為試驗頻率；fr額定頻率。

由式（6）得到試驗參數下的鐵損為256 kW。

試驗參數下的電抗器總損耗：

由式（7）可以得到試驗參數下的電抗器總損耗為282 kW。

當tanδ=0.3%時，補償電容器的有功損耗為：

由式（8）得到當tanδ=0.3%時，補償電容器的有功損耗為416 kW。

3　局放測量回路分析

3.1補償電容器側加壓

根據圖1串聯諧振基本原理圖，得到回路等效電路如圖4所示。試驗主回路中，中間勵磁變壓器等效為電抗L2，被試電抗器等效為電抗L和電容C3。局放測試回路中，檢測阻抗從電抗器高壓套管末屏取信號，檢測阻抗等效為電阻R、電感L3和電容Cd并聯。

圖4　等效電路圖

由于局部放電信號頻率較高，約100 kHz左右。補償電容器容量大，在100 kHz頻率下，容抗偏小，局放測試回路簡化等效如圖5所示。

設被試品內部存在放電量q2，試品兩端形成一個脈沖電壓：

圖5　局放測量回路等效

得Cd兩端的脈沖電壓為：

設補償電容器側內部或外部存在放電量q1，傳播到檢測阻抗，得Cd兩端的脈沖電壓為：

從式10、式11可以看出，補償電抗器側內部或外部存在的放電量與被試并聯電抗器內部局部放電量存在相同的信號傳遞函數，均可以無差異地傳遞到局放檢測阻抗上，難以分辨放電量的來源，對局放檢測造成干擾。

為屏蔽設備端局放信號的干擾，在補償電容器與被試電抗器之間加裝阻波電抗器L1，屏蔽設備端干擾信號對局放測試的干擾，增大局放檢測的靈敏度，如圖6所示。

圖6　增加阻波電抗器的等效電路圖

3.2被試并聯電抗器中性點側加壓

主回路中，也可以采用從被試并聯電抗器中性點端加壓、補償電容器在被試電抗器高壓側補償的回路，如圖7所示。主回路中電抗器與電容器位置進行了調換，被試電抗器中性點交流耐壓絕緣水平為275 kV，遠高于中間勵磁電壓，主回路設備參數均不變。

局放測試回路簡化等效電路如圖8所示。

圖7　從電抗器中性點加壓的等效電路圖

圖8　局放測量回路等效

設被試品內部存在放電量q3，傳播到檢測阻抗，得Cd兩端的脈沖電壓為：

從式（12）看出，由于C1遠大于Cx，C4和Cd，當放電量q3和放電量q2相同時，遠小于ΔUd2。被試并聯電抗器所產生的局放信號大部分被補償電抗器分流，另外補償電容器本身及地回路的干擾信號容易干擾局放檢測單元，將嚴重降低局放檢測靈敏度。為了屏蔽干擾，提高局放檢測靈敏度，同樣需要在被試并聯電抗器和補償電容器之間裝設阻波電抗器，如圖9所示。

圖9從電抗器中性點加壓且加裝阻波電抗器等效電路圖

圖7中所示回路存在局部放電檢測靈敏度低、地網干擾及補償電容器放電量無法排除等缺點首先被剔除。圖4中所示回路存在補償電抗器側內部或外部存在的放電量可以容易傳遞到局放檢測阻抗上，干擾同樣難以排除，因此不推薦該回路。圖6與圖9所示回路中均添加了阻波電抗器，能夠屏蔽設備端干擾信號對局放測試的干擾，增大局放檢測的靈敏度，現場試驗均可行，若補償電容器采用多柱結構，圖9中可以考慮取消電容分壓器，采用在其中一柱補償電容器底部安裝低壓臂電容進行電壓測量。

4　設備選型

4.1補償電容器

根據設計的系統諧振頻率250 Hz，以及試驗容量138.78 Mvar和試驗電壓1080 kV，可得相應的補償電容器量C約為76 nF。所配置的諧振電容器額定電壓應不低于1080 kV，考慮取值1200 kV，額定頻率不應低于250 Hz。補償電容器工作頻率為250 Hz，相對于常規的工頻（50 Hz）電容器，因工作頻率高，有功損耗容易增大。但因受系統配置的電源容量限制，需將諧振電容器的有功損耗控制在一個合適的范圍內，須選用高頻低損耗的無局放電容器，250 Hz頻率下介質損耗tanδ超過0.3%。因諧振補償電容器容量、體積較大，考慮運輸和安裝因素，采用柱式組合結構，選用9節三串三并組成，柱式電容器單節參數為76 nF/400 kV，尺寸D1200×2300 mm，重量約3 t。

4.2變頻電源

在試驗回路中，勵磁變壓器的有功損耗幾乎可以忽略不計。但是在高頻下，回路諧振電容器的損耗相當大，占據主導地位。回路中電抗器和電容器的損耗為PLC≈282+416=698 kW。

同時，考慮到電抗器漏磁損耗偏差以設備容量裕度，無局放變頻電源容量應不小于上述LC總損耗數值的2倍，取1500 kW，采用3臺500 kW電源并機。

4.3試驗變壓器

變頻電源容量取值為1500 kW，決定了與其匹配勵磁變壓器的容量也不低于1500 kV·A，可采用2臺并聯構成。勵磁變壓器的額定輸出電壓由諧振試驗回路的品質因數Q值決定。在滿足最大試驗電流的前提下，對于確定容量1500 kV·A的勵磁變，可設計其最高額定輸出電壓：

根據式 （13）得到其最高額定輸出電壓為11.67 kV。勵磁變壓器采用多種電壓組合，盡可能提高變頻電源的輸出電壓，從而降低變頻電源的輸出電流，提高電源效率。輸出繞組設計為多繞組結構，2.92 kV×4。輸入繞組同樣考慮多繞組結構，450 V×2。

根據勵磁變壓器的電壓組合，試驗系統能夠進行試驗的最佳Q值匹配范圍為92.5～951。

4.4阻波電抗器

現場實施高壓試驗下的局放測量存在抗干擾的難題，尤其對于1000 kV并聯電抗器局放試驗，高電位區域廣、設備體積巨大、均壓環和高壓連接線無暈化設計和處理難度高，局放檢測抗干擾面臨挑戰。為實現試驗設備與被試電抗器之間局放信號的傳遞隔離，考慮采用阻波電抗器來實現隔離功能。阻波電抗器需符合以下要求：（1）能夠阻礙100 kHz左右的局部放電信號；（2）在試驗頻率300 Hz以內不影響主回路試驗參數；（3）滿足無局放要求。

綜合阻波電抗器的要求，初步選定其電感值為2 mH，100 kHz下感抗為1256 Ω，250 Hz下感抗為3 Ω，滿足要求。阻波電抗器宜安裝在補償電容器的頂部，并且處于均壓環屏蔽范圍以內。

5　結束語

（1）開展1000 kV并聯電抗器局放試驗宜選用串聯諧振試驗電路，需要在試驗主回路上補償大容量諧振電容器，試驗電壓1080 kV，試驗容量根據具體工程確定；

（2）需在補償電容器與被試電抗器之間加裝阻波電抗器，屏蔽設備端干擾信號對局放測試的干擾，增大局放檢測的靈敏度，阻波電抗器推薦電感值2 mH，宜安裝在補償電容器的頂部，并且處于均壓環屏蔽范圍以內；

（3）試驗回路中，圖6與圖9所示回路均可應用于現場試驗，若補償電容器采用多柱結構，圖9中可以考慮取消電容分壓器，采用在其中一柱補償電容器底部安裝低壓臂電容進行電壓測量，可減少設備和局放干擾區域。

［1］OKABE S，UETA G，WADA H，et al.Partial Discharge-induced Degradation Characteristics of Insulating Structure Constituting Oil-immersed Power Transformers［J］.IEEE Transactions on，Dielectrics and Electrical Insulation，2010，17（5）：1649-1656.

［2］ALVAREZ F，GARNACHO F，ORTEGO J，et al.Application of HFCT and UHF Sensors in On-line Partial Discharge Measurements for Insulation Diagnosis of High Voltage Equipment［J］. Sensors，2015，15（4）：7360-7387.

［3］BACEGA W R，BACEGA F，TATIZAWA H，et al.Detection and Location of Partial Discharges in a 460 kV-66.7 MV·A Reactor at Field Using Antenna［C］.T&D Conference and Exposition，2014 IEEE PES.IEEE，2014：1-5.

［4］吳 鵬，陸云才，陳銘明，等.江蘇電網非晶合金變壓器綜合評估［J］.江蘇電機工程，2013，32（3）：1-5.

［5］吳 鵬，田 猛，陸云才，等.錦—蘇特高壓直流對江蘇電網變壓器直流偏磁的影響［J］.江蘇電機工程，2014，33（1）：5-8.

［6］吳 鵬，吳益明，姚廷利，等.一起220 kV變壓器局部放電試驗異常的分析處理［J］.變壓器，2015，52（6）：68-71.

［7］劉 赟，葉會生，單周平，等.500 kV并聯電抗器現場局部放電試驗研究［J］.高壓電器，2013，49（2）：80-84.

［8］楊海生，楊愛晟，張重遠，等.高壓電抗器局部放電試驗電路設計［J］.電力科學與工程，2010，26（6）：24-26.

［9］巴桑次仁，于在明，趙義松.66 kV電抗器局部放電試驗可行性研究［J］.東北電力技術，2009（4）：26-27.

［10］馬繼先，劉少宇，戰秀和，等.500 kV并聯電抗器現場局部放電試驗［J］.高電壓技術，2008，34（7）：1531-1533.

［11］賀 虎，鄧德良，何 春，等.交流特高壓晉東南變電站1000 kV變壓器現場交接試驗［J］.電網技術，2009，33（10）：13-18.

［12］張建坤，賀 虎，鄧德良，等.特高壓變壓器現場安裝關鍵技術及應用［J］.電網技術，2009，33（10）：1-7.

［13］GB 50150—2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準［S］.

［14］Q/GDW 310—2009 1000 kV電氣安裝工程電氣設備交接試驗規程［S］.

吳鵬（1983），男，河南西平人，高級工程師，從事線圈類電力設備狀態評估研究工作。

Partial Discharge Testing Scheme for Extra High Voltage Shunt Reactor

WU Peng
（State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China）

Partial discharge testing is one of the most effective methods for inspecting the insulation condition of electrical equipment.Compared with the partial discharge testing of 1000 kV transformer，the partial discharge testing of 1000 kV reactor has the features of large capacity，complicated testing equipment，difficult shielding，and so on.In this paper，the configuration of testing device for 1000 kV shunt reactor，as well as its testing method，principle and calculation，are introduced.The main partial discharge test circuit of 1000 kV shunt reactor is analyzed.The testing parameters，such as test current，capacitance compensation，loss and so on，are calculated.The detecting sensitivity of PD detection circuit and anti-interference are analyzed.According to the testing equipment technical level，the parameters design and selection of main testing equipment's compensation capacitor，frequency conversion voltage，excitation transformer，and trap reactor are carried out.Finally，the basis for equipment development and field testing is provided.

extra high voltage；shunt reactor；partial discharge

TM472

A

1009-0665（2016）04-0020-04

2016-04-18；修回日期：2016-05-27