高耦合分裂電抗器的雷電沖擊特性研究

莫文雄 楊春 師利星 趙睿南 王勇 劉俊翔

摘要：隨著國家電力行業(yè)的不斷發(fā)展，許多事故發(fā)生時的短路電流已經(jīng)接近或者超過設(shè)計初期的額定短路電流值，從而引發(fā)開斷裝置無法開斷電流與燒毀設(shè)備等一系列問題。目前解決此類問題的最有效的方法是使用大容量的短路電流開斷器，這種解決方式可以在不改變電網(wǎng)現(xiàn)狀的情況下靈活滿足短路電流容量增大的要求，但此法的缺點是電抗器易受雷電波影響。

本文介紹了高耦合分裂電抗器的工作原理與結(jié)構(gòu)特點，利用集總參數(shù)法計算了一臺500kV，4MVar高耦合分裂電抗器的雷電沖擊特性。在分裂電抗器一側(cè)接地而另一側(cè)接入標準雷電波的情況下，分別計算了主絕緣通道與縱絕緣通道的電場強度。并最終通過試驗驗證了該計算的可靠性。

關(guān)鍵詞：高耦合;電抗器;雷電沖擊

中圖分類號：TM47

1 前言

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，電網(wǎng)中的短路電流超出現(xiàn)有斷路器通斷能力，已經(jīng)成為嚴重威脅我國各大用電負荷中心電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行的重大問題。

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，上述問題也在不斷加劇，限制短路電流的大小是解決短路能量對電網(wǎng)的影響的有效辦法之一。目前的主要措施和方法有：優(yōu)化各個供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、解環(huán)運行、提高電網(wǎng)的電壓等級、采用直流輸電、采用限流電抗器以及采用故障電流限制器等方法。與故障電流限制器相比，其它的限制短路電流方法在經(jīng)濟性、安全性、靈活性、可靠性、穩(wěn)定性上都有著各種不足。故障電流限制器作為短路電流限制裝置中的代表性設(shè)備，其具有損耗小、噪音低、維護工作量小、不易發(fā)生相間短路故障、電抗值線性度好、設(shè)計壽命長等優(yōu)點，經(jīng)過多年的研究和應用，故障電流限制器擁有著良好的的限流性能和成熟的技術(shù)，因此，使用故障電流限制器是解決上述問題的重要手段之一[1]。

限流器可分為超導型和常規(guī)型兩種，目前國內(nèi)外在這兩種類型產(chǎn)品領(lǐng)域取得重大研究進展，先后開發(fā)了多種限流器，但影響限流器進入市場并得到推廣的因素很多，包括可靠性、經(jīng)濟性、運維方便等多個方面。常規(guī)限流器中，固態(tài)限流器重復性好、動作快，但產(chǎn)品損耗高、所需器件多、造價貴，應用領(lǐng)域主要集中在配電網(wǎng)絡(luò);磁飽和限流器動作快、恢復快，但控制復雜、體積龐大、造價高，在高電壓電網(wǎng)中較難推廣應用;諧振型限流器，由于存在并聯(lián)諧振型過電壓及諧振電流問題，無法在實際工程中得以應用。超導限流器的優(yōu)點是動作快、可自觸發(fā)、限流深度大，但由于恢復時間長、占地大、造價貴，因此經(jīng)濟性較差。

基于高耦合分裂電抗器和快速開關(guān)的經(jīng)濟型交流限流器，其基本原理為“雙臂運行時電抗器處于低阻抗通流模式、單臂運行時電抗器處于高阻抗限流模式"，整體限流器具有超大短路電流抑制、可靠性高、低損耗、響應時間快、運維方便等功能。

本文研究了西安西電變壓器有限責任公司、廣東電網(wǎng)有限公司廣州供電局與華中科技大學聯(lián)合研究設(shè)計的一臺500kV 10MVar高耦合分裂電抗器的雷電沖擊特性。

2 高耦合分裂電抗器設(shè)計原理與基本參數(shù)

2.1基本原理

高耦合分裂電抗器（High Coupled Split Reactor- HCSR）由相互耦合的兩組線圈組成，一組線圈的兩端直接接入線路，另一個線圈的兩端通過快速開關(guān)接入線路。當兩組線圈同時通過電流時，兩線圈產(chǎn)生的磁通在公共磁路內(nèi)相互抵消，線圈對外僅呈現(xiàn)為很小的漏感。而當兩組線圈電流不均衡或只有單個線圈通流時，對應的線圈對外呈現(xiàn)出很大的單臂電感，能夠有效限制對應支路的故障電流。

上述原理可以實現(xiàn)在系統(tǒng)正常工況下高耦合分裂電抗器對外呈現(xiàn)為低阻抗，故障時HCSR呈現(xiàn)單臂大電感限制短路電流。由于高耦合分裂電抗器的上述作用，使得基于高耦合分裂電抗器和快速開關(guān)的限流器在故障時可以有效限制故障電流，正常運行時對系統(tǒng)幾乎沒有影響。

高耦合分裂電抗器的接連原理圖如圖1所示，所有奇數(shù)號包封組成1#臂線圈，采用下進線上出線方式;所有偶數(shù)號包封組成2#臂線圈，采用上進線下出線方式 。1#臂線圈與2#臂線圈的進出線方式相反，使得整個高耦合分裂電抗器在正常運行時兩臂產(chǎn)生的磁通相互抵消，呈現(xiàn)為低阻抗狀態(tài)。

2.2 HCSR結(jié)構(gòu)特點

500kV高耦合分裂電抗器整體為干式空心結(jié)構(gòu)，主要由澆注式結(jié)構(gòu)線圈、高強度鋁合金星形架、復合支柱絕緣子、玻璃鋼材質(zhì)防雨罩等組成。其基本原理和傳統(tǒng)的分裂電抗器有所不同，包括兩組產(chǎn)生相反磁通的耦合線圈，從結(jié)構(gòu)上來看，干式空心高耦合分裂電抗器只有繞組、沒有鐵心，線圈由若干并聯(lián)的電感線圈同軸組裝在一起，再由位于線圈上部和下部的星形架（匯流排）固定。

線圈結(jié)構(gòu)示意圖和總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：

2.3 HCSR主要參數(shù)

根據(jù)新型的斷路器并聯(lián)方案，研制的HCSR適用于500kV電壓等級，HCSR的各項參數(shù)如表1所示。

3 HCSR的雷電沖擊計算

隨著各種電抗器在電力系統(tǒng)中的大量使用，由于存在產(chǎn)品質(zhì)量潛在隱患和絕緣老化的因素，電抗器的損壞時有發(fā)生[2-6]。澆注式線圈作為高耦合分裂電抗器的核心部件，它的匝間及臂間過電壓情況是絕緣設(shè)計的關(guān)鍵。本文結(jié)合了實驗所用的高耦合分裂電抗器的結(jié)構(gòu)特點，對1#臂與2#臂進行了沖擊電壓試驗，最后得到了電抗器內(nèi)部線匝的電位及臂間電壓分布情況。

高耦合電抗器損壞的主要原因是由于絕緣缺陷造成匝間短路造成的。絕緣設(shè)計是HCSR應用于高電壓等級電網(wǎng)時面臨的關(guān)鍵問題。在限流器運行過程中，HCSR主要受到兩種過電壓的沖擊：操作過電壓和雷電過電壓。而雷電過電壓對于整個設(shè)備的影響最為嚴重。因此對HSCR進行雷電沖擊試驗是十分必要的。

根據(jù)高耦合電抗器運行特點，雷電可能從1#臂的兩端侵入，而2#臂的兩端接地，如圖三所示;也有可能從2#臂的兩端侵入，而1#臂的兩端接地。

入波為1.2/50μs標準雷電波，幅值為145kV時，經(jīng)過試驗測得各包封間的最大電壓梯度如表2所示。

當1#臂雙端入波，2#臂雙端接地情況。入波為1.2/50μs標準雷電波，幅值為145kV時，各個包封的對地電位如圖4所示。而當2#臂雙端入波，1#臂雙端接地情況。入波為1.2/50μs標準雷電波，幅值為145kV時，各個包封的對地電位如圖5所示。

從計算結(jié)果來看，包封間主絕緣最大電壓差出現(xiàn)在第7到第8包封間的主絕緣通道，其值為28.4kV。根據(jù)設(shè)計參數(shù)，兩個包封間的主絕緣距離為49.4mm，其中絕緣材料包含聚酰亞胺膜、DMD和環(huán)氧樹脂，將上述材料都折算到空氣，主絕緣通道內(nèi)的電場強度為1.6kV/mm，而空氣的擊穿場強為3.0kV/mm，則安全裕度為1.875。

環(huán)氧樹脂的擊穿強度為21 kV/mm，聚酰亞胺薄膜的擊穿強度達到329kV/mm[7]，本產(chǎn)品環(huán)氧樹脂厚度為9mm，聚酰亞胺膜絕緣厚度為1.2mm，經(jīng)計算可以耐受的工頻電壓大于180kV，考慮到雷電與工頻的電壓的折算系數(shù)，則耐受電壓更要高于這一值。故對于高耦合電抗器來講，主絕緣與縱絕緣的均是安全的。

4結(jié)論

通過以上的試驗數(shù)據(jù)分析可知分析得出在奇數(shù)包封和偶數(shù)包封分別接入雷電沖擊波進行雷電沖擊試驗時，包封主通道所承受的電壓與正常運行時差異較大。但是這兩種入波方式之間的差異卻并不大，且每個包封通道所承受的電壓差均在30kV之內(nèi)，最大值出現(xiàn)在第7到第8包封間的主絕緣通道，其值為28.4kV。而根據(jù)高耦合分裂電抗器的設(shè)計標準，包封主通道間可承受的最大電壓差為53.25kV，包封主通道的安全裕度為1.85。即可認為入波為1.2/50μs標準雷電波，幅值為145kV時，包封主絕緣符合安全標準。

對于每個單獨的包封，對地電位隨著餅數(shù)的增加先增大后減小。電壓小于可以耐受的工頻電壓180kV。

綜上所述該產(chǎn)品完成了廠內(nèi)的雷電沖擊試驗，證明了計算程序的準確性。

參考文獻

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作者簡介：

莫文雄

1971—，男，碩士，教授級高工

長期從事電力技術(shù)監(jiān)督管理和電力生產(chǎn)管理工作。

師利星（通訊作者）

1984—，男，本科，高級工程師

長期從事電抗器產(chǎn)品的設(shè)計研究工作。