莫文雄 楊春 師利星 趙睿南 王勇 劉俊翔

摘要：隨著國(guó)家電力行業(yè)的不斷發(fā)展，許多事故發(fā)生時(shí)的短路電流已經(jīng)接近或者超過設(shè)計(jì)初期的額定短路電流值，從而引發(fā)開斷裝置無(wú)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(diǎn)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(diǎn)，利用集總參數(shù)法計(jì)算了一臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)雷電波的情況下，分別計(jì)算了主絕緣通道與縱絕緣通道的電場(chǎng)強(qiáng)度。并最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該計(jì)算的可靠性。

關(guān)鍵詞：高耦合;電抗器;雷電沖擊

中圖分類號(hào)：TM47

1 前言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(yán)重威脅我國(guó)各大用電負(fù)荷中心電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大問題。

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)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(duì)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(gè)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、解環(huán)運(yùn)行、提高電網(wǎng)的電壓等級(jí)、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(jì)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(hù)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(jì)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過多年的研究和應(yīng)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(dǎo)型和常規(guī)型兩種，目前國(guó)內(nèi)外在這兩種類型產(chǎn)品領(lǐng)域取得重大研究進(jìn)展，先后開發(fā)了多種限流器，但影響限流器進(jìn)入市場(chǎng)并得到推廣的因素很多，包括可靠性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)維方便等多個(gè)方面。常規(guī)限流器中，固態(tài)限流器重復(fù)性好、動(dòng)作快，但產(chǎn)品損耗高、所需器件多、造價(jià)貴，應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在配電網(wǎng)絡(luò);磁飽和限流器動(dòng)作快、恢復(fù)快，但控制復(fù)雜、體積龐大、造價(jià)高，在高電壓電網(wǎng)中較難推廣應(yīng)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(wú)法在實(shí)際工程中得以應(yīng)用。超導(dǎo)限流器的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作快、可自觸發(fā)、限流深度大，但由于恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、占地大、造價(jià)貴，因此經(jīng)濟(jì)性較差。

基于高耦合分裂電抗器和快速開關(guān)的經(jīng)濟(jì)型交流限流器，其基本原理為“雙臂運(yùn)行時(shí)電抗器處于低阻抗通流模式、單臂運(yùn)行時(shí)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(yīng)時(shí)間快、運(yùn)維方便等功能。

本文研究了西安西電變壓器有限責(zé)任公司、廣東電網(wǎng)有限公司廣州供電局與華中科技大學(xué)聯(lián)合研究設(shè)計(jì)的一臺(tái)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(jì)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(gè)線圈的兩端通過快速開關(guān)接入線路。當(dāng)兩組線圈同時(shí)通過電流時(shí)，兩線圈產(chǎn)生的磁通在公共磁路內(nèi)相互抵消，線圈對(duì)外僅呈現(xiàn)為很小的漏感。而當(dāng)兩組線圈電流不均衡或只有單個(gè)線圈通流時(shí)，對(duì)應(yīng)的線圈對(duì)外呈現(xiàn)出很大的單臂電感，能夠有效限制對(duì)應(yīng)支路的故障電流。

上述原理可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)正常工況下高耦合分裂電抗器對(duì)外呈現(xiàn)為低阻抗，故障時(shí)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(shí)可以有效限制故障電流，正常運(yùn)行時(shí)對(duì)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(hào)包封組成1#臂線圈，采用下進(jìn)線上出線方式;所有偶數(shù)號(hào)包封組成2#臂線圈，采用上進(jìn)線下出線方式 。1#臂線圈與2#臂線圈的進(jìn)出線方式相反，使得整個(gè)高耦合分裂電抗器在正常運(yùn)行時(shí)兩臂產(chǎn)生的磁通相互抵消，呈現(xiàn)為低阻抗?fàn)顟B(tài)。

2.2 HCSR結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(qiáng)度鋁合金星形架、復(fù)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(lái)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(jí)，HCSR的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

3 HCSR的雷電沖擊計(jì)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(shí)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(jì)的關(guān)鍵。本文結(jié)合了實(shí)驗(yàn)所用的高耦合分裂電抗器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)1#臂與2#臂進(jìn)行了沖擊電壓試驗(yàn)，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(jì)是HCSR應(yīng)用于高電壓等級(jí)電網(wǎng)時(shí)面臨的關(guān)鍵問題。在限流器運(yùn)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(duì)于整個(gè)設(shè)備的影響最為嚴(yán)重。因此對(duì)HSCR進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)是十分必要的。

根據(jù)高耦合電抗器運(yùn)行特點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)雷電波，幅值為145kV時(shí)，經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)得各包封間的最大電壓梯度如表2所示。

當(dāng)1#臂雙端入波，2#臂雙端接地情況。入波為1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波，幅值為145kV時(shí)，各個(gè)包封的對(duì)地電位如圖4所示。而當(dāng)2#臂雙端入波，1#臂雙端接地情況。入波為1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波，幅值為145kV時(shí)，各個(gè)包封的對(duì)地電位如圖5所示。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)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(jì)參數(shù)，兩個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度為1.6kV/mm，而空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3.0kV/mm，則安全裕度為1.875。

環(huán)氧樹脂的擊穿強(qiáng)度為21 kV/mm，聚酰亞胺薄膜的擊穿強(qiáng)度達(dá)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(jì)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(duì)于高耦合電抗器來(lái)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(yàn)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(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)，包封主通道所承受的電壓與正常運(yùn)行時(shí)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(gè)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，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(rèn)為入波為1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波，幅值為145kV時(shí)，包封主絕緣符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的包封，對(duì)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(yàn)，證明了計(jì)算程序的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 曲德宇，陳榮，吳杰，萬(wàn)鋒濤，劉俊翔，王勇.用于大容量并聯(lián)斷路器裝置的高耦合度分裂電抗器的研制[J].變壓器，2017，54（07）：25-32.

[2] 李予全，夏中原，王偉，鄭含博，邵穎彪，趙磊，董麗潔.干式空心電抗器匝間絕緣考核方法研究[J].電瓷避雷器，2019（01）：239-244.

[3] 莫文雄，伍開建，袁召，陳立學(xué)，劉俊翔，朱璐.500kV高耦合分裂電抗器內(nèi)部過電壓計(jì)算與分析[J].高電壓技術(shù)，2021，47（02）：495-503.

[4] 張猛，馬驄，王銀嶺，劉成柱，王國(guó)金，王紅雨.基于電路仿真法的疊裝電抗器雷電沖擊電壓分布特性研究[J].高壓電器，2020，56（12）：191-195.

[5] 張亞杰，冉慶凱，趙峰，侯義明，張慶波.串聯(lián)電抗器式高阻抗變壓器的沖擊特性分析[J].變壓器，2021，58（04）：31-36.

[6] 張猛，王國(guó)金，張?jiān)氯A，胡賓，奚晶亮，孫文越.±1100kV特高壓干式平波電抗器絕緣設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析[J].高電壓技術(shù)，2015，41（05）：1760-1768.

[7] 陳志強(qiáng)，牛田野，田鳳蘭，李洪波，王長(zhǎng)義.溫度對(duì)聚酰亞胺直流擊穿特性與閃絡(luò)特性影響的研究[J].低溫與超導(dǎo)，2012，40（05）：14-16.

作者簡(jiǎn)介：

莫文雄

1971—，男，碩士，教授級(jí)高工

長(zhǎng)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(jí)工程師

長(zhǎng)期從事電抗器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究工作。