直流試驗線段用阻波器的參數優化設計

趙錄興，高 磊

(1.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192；2.國網西藏電力有限公司電力科學研究院，西藏 拉薩 850000)

0 引言

高壓直流輸電線路在正常運行時，導線表面因電暈放電會產生脈沖式的電暈電流。電暈電流注入導線后沿導線向兩側傳輸，在導線周圍空間產生無線電干擾[1]，可能會對輸電線路附近的調幅廣播接收設施和各類雷達、導航臺造成影響[2]。因此，在進行輸電線路設計時，必須對線路電暈產生的無線電干擾水平加以控制[3]。目前，在預測直流線路的無線電干擾時，一般采用經驗公式法[4]，而經驗公式的各種關鍵參數基本是依托試驗線段開展現場測試獲得的。

直流試驗線段的首端需要連接高壓試驗電源、但由于試驗線段長度有限，直流高壓試驗電源因硅堆整流產生的諧波電流不可避免地會傳播到試驗導線上，對試驗線段的無線電干擾測量產生干擾。為了隔斷來自試驗電源側的諧波干擾，往往需要在試驗線段和高壓試驗電源之間串接一個阻波器。此外，阻波器對高頻電流信號表現出的高阻抗特性，還可避免試驗線段上的電暈電流流入電源側，使試驗線段首端也近似實現開路狀態的效果。這對于簡化試驗線段上的電暈電流波過程分析具有重要作用。

目前，國內外對于高壓變電站電力載波阻波器的研究較為深入，但對試驗線段無線電干擾測量用阻波器研究則相對較少。國際無線電干擾特別委員會在其技術標準中[5]，建議阻波器對所測頻率上的信號衰減應不小于35 dB。文獻[6]通過理論分析，給出了阻波器在交流特高壓試驗線段無線電干擾測量中的作用。但上述文獻均未涉及阻波器參數的確定方法。

為開展直流輸電線路的無線電干擾研究，中國電科院在北京建設了直流模擬試驗線段。本文針對該試驗線段，首先，基于EMTP仿真軟件，建立了阻波器和試驗線段的仿真計算模型，研究了阻波器各參數取值變化對阻波器衰減特性的影響，推薦了適用于直流試驗線段的阻波器參數方案；接著，基于ANSYS Maxwell軟件，對阻波器在最高試驗電壓下均壓罩的表面場強進行了計算校核，確保阻波器表面不發生明顯電暈；最后，將研制的阻波器安裝于試驗線段上，并開展了試驗線段無線電干擾測試。通過對比安裝阻波器前后的測試數據，驗證了阻波器設計方案的合理性。

1 直流模擬試驗線段

直流模擬試驗線段主要用于開展電磁環境試驗研究。其線路長度為100 m，兩端掛線塔采用自立式鋼管門型架，線路極間距6 m，導線對地最小高度為7 m，架設導線型式為4×LGJ-95/15，分裂間距45 cm。線段末端開路，首端連接高壓直流試驗電源，試驗電源最高輸出電壓為400 kV。

2 阻波器參數確定方法

阻波器在物理上可等效為電感LW和雜散電容CW并聯的電氣元件，與線路的等效對地電容C0和高壓直流試驗電源共同組成了一個濾波電路。試驗線段連接阻波器的等效電路模型如圖1所示。

圖1 試驗線段連接阻波器的等效電路模型

采用EMTP軟件[7-9]，對圖1的等效電路進行建模。計算模型中，試驗線段采用JMarti分布參數模型，直流高壓試驗電源可等效為阻容并聯結構元件。其等效電容值約為0.478 μF，電阻值約為400 MΩ。計算時，假定試驗線段中間位置發生電暈，即在線路中間位置注入不同頻率、幅值相同的交變電流，通過求解從阻波器流入電源端的電流大小，即可得到阻波器對不同頻率電暈電流的衰減特性。圖2給出了電容CW為20 μF時，電感LW取不同值時阻波器對高頻電流的衰減特性曲線。圖3給出了電感LW為20 mH時，電容CW取不同值時阻波器對高頻電流的衰減特性曲線。

圖2 電感變化時阻波器輸出電流衰減特性曲線(CW=20 μF)

圖3 電容變化時阻波器輸出電流衰減特性曲線(LW=20 mH)

由圖2和圖3可知:①對于直流試驗線段，當阻波器電感和電容取值相匹配時，在某些頻率下濾波電路將發生諧振，在諧振頻率處阻波器對流過電流的衰減效果最為明顯，在實際測試時可利用該特性有針對性地對消除某一頻率的諧波干擾；②在電容值固定的情況下，增加阻波器的電感，對于1 MHz以上的頻段范圍的電流衰減量基本沒有影響；③在電感值固定的情況下，減小阻波器的電容，可有效增加阻波器的等值電抗，從而使全頻段范圍的電流衰減量效果均有不同程度的提升。

根據國際無線電干擾特別委員會標準的要求，阻波器對無線電干擾所處頻率的電暈電流衰減量應不小于35 dB。研究表明，直流線路的無線電干擾的頻率區間基本上集中在10 MHz以下。表1給出了阻波器取不同參數時的阻波器衰減量。對于阻波器而言，增大電感較為容易，但減小電容則較為困難。因此，阻波器電容數值選取不宜過小。綜合考慮技術性和經濟性，對于本文的直流試驗線段，阻波器設計要求為電容值不大于15 pF，電感值不小于20 mH。

表1 阻波器取不同參數時阻波器衰減量

根據以上參數建議，研制了適用于直流試驗線段的阻波器。阻波器外形及尺寸如圖4所示。

圖4 阻波器外形及尺寸

阻波器由兩個圓環形均壓罩和絕緣套筒組成，均壓罩材料為鋁制，絕緣套筒采用環氧樹脂材料，筒壁上均勻纏繞細圓銅絲構成螺線圈電感。阻波器結構高度為1.2 m，均壓罩外徑為0.8 m，管徑為0.2 m，絕緣套筒外徑為0.4 m。

空心螺線圈的自感可根據文獻[8]推薦的公式計算。計算公式如下:

(1)

式中:L為線圈自感，μH；R為螺線圈的半徑，cm；N為總匝數；l為螺線圈的垂直高度，cm。

根據計算結果，研制的阻波器電感值約為28 mH。阻波器的電容主要由兩部分組成，分別為上下均壓罩之間的電容和線圈繞組間的雜散電容。通過仿真計算，均壓罩之間的電容值約為11 pF，電感線圈繞組之間的雜散電容之和不超過4.5 pF，基本滿足設計要求。

3 阻波器表面電場強度校核

阻波器串聯接入試驗回路中，在試驗時將承受較高電壓。為了避免阻波器自身發生電暈對無線電干擾測量產生影響，其均壓罩的設計還應該考慮在最大試驗電壓下不發生電暈。為此，本文利用三維電場計算軟件，建立了阻波器的三維有限元仿真模型，并對均壓罩表面的電場強度進行了計算。阻波器均壓罩表面電場分布云圖(電壓400 kV)如圖5所示。由計算結果可以看出，均壓罩表面的最大電場強度出現在均壓罩的外側，最大值約為18 kV/cm，其他大部分區域的電場強度均小于16 kV/cm。根據我國特高壓直流工程設計經驗[9]，各類小尺寸金具和均壓環的表面場強按照不大于20 kV/cm控制。因此，本文所設計的阻波器在最大試驗電壓下不會發生較為明顯的電暈放電，滿足電暈控制要求。

圖5 阻波器均壓罩表面電場分布云圖(電壓400 kV)

4 試驗線段安裝阻波器后的效果

將研制的阻波器安裝于直流試驗線段上，阻波器頂端與試驗線段耐張絕緣子串均壓環直接相連，末端與直流高壓試驗電源相連。在阻波器連接到線路前后，對試驗線段中間位置處的無線電干擾進行了測試，得到了有無阻波器時的無線電干擾頻譜特性曲線對比。試驗線段首端有無阻波器的無線電干擾頻譜曲線對比如圖6所示。

圖6 有無阻波器的無線電干擾頻譜曲線對比圖

由圖6的頻譜特性曲線對比結果可以看出:未安裝阻波器前，無線電干擾的頻譜特性雜亂無章沒有規律；安裝阻波器后，無線電干擾頻譜的波峰-波谷交替出現的趨勢更清晰，且波峰與波峰之間頻率間隔相等，約為1.38 MHz。直流模擬試驗線段全長100 m，弧垂3 m。若考慮電源引線長度5 m，總長度約為108 m，根據文獻[10]的計算方法，在兩端開路的試驗線段中間位置的無線電干擾頻譜曲線波峰-波峰的頻率間隔計算值約為1.39 MHz，與測試結果基本一致，證明了本文所設計的阻波器的有效性。

5 結論

本文研究了阻波器各參數取值變化對阻波器衰減特性的影響，推薦了阻波器參數設計方案。首先，綜合考慮技術性和經濟性，對于本文的直流試驗線段，阻波器設計要求為電容值不大于15 pF，電感值不小于20 mH。

其次，對阻波器均壓罩的表面電場強度進行了計算校核，在400 kV試驗電壓下，均壓罩表面電場強度不大于18 kV/cm，滿足電暈控制要求。最后，利用研制的阻波器，開展了試驗線段上的無線電干擾測量，無線電干擾頻率特性規律得到極大改善，驗證了阻波器設計方案的合理性。