平波電抗器電容器放電試驗電壓波形高頻過沖的抑制

張德順 吳玉坤 張月華 王 楠

（北京電力設備總廠，北京 102401）

平波電抗器是直流輸電系統關鍵設備之一。按照國際標準IEEE1277[1]的規定和設備技術規范的要求，用于800kV特高壓工程的干式空心平波電抗器必須進行電容器放電試驗，在電容器與試品之間形成逐漸衰減的、頻率為 300～900Hz的中頻振蕩電壓，振蕩電壓的第一個最大峰值要求等于電抗器的操作沖擊耐受電壓。在樣機的試驗過程中發現，平波電抗器匝散電容和試驗引線電感之間存在高頻率的能量交換，引起試品電壓在波前上升過程中出現暫態的高頻振蕩分量。在戶外試驗場觀測到，該暫態振蕩具有460kHz以上的頻率，其幅值可引起1.8倍以上的過沖。這種高頻振蕩的疊加使電容器放電試驗的瞬時峰值超過平波電抗器的雷電沖擊耐受電壓，對試品形成不利影響，因此必須設法加以抑制。

1 高頻過沖的特性與電阻阻尼的效果

使用PSCAD軟件進行仿真，試品為75mH電感的特高壓平波電抗器，操作沖擊水平為 845kV。根據試品電感和試驗裝置的電容器規格，充電電容取0.5μF，振蕩頻率為822Hz，符合標準[1]的要求。

圖1 仿真模型

圖1給出了計算模型。圖中，C為沖擊電壓發生器中的電容器，Lc為電容器自身雜散電感，Rt為波尾電阻，Cs為分壓器電容，Ca為截波裝置電容，Lz、Cz、Cz、Rz分別為試品的電感、自身電容。其余為引線的寄生參數。截波裝置高壓引線位置較高不容易進行接線操作，進行各種試驗時截波裝置并不從回路中摘除，其電容總是介入回路。因此，電容器放電試驗時雖然不必連接截波裝置，在仿真計算時還是以400pF的電容來計入它的影響。電抗器端對端匝散電容是實際測量值，電路中其余雜散參數為估計值。開關 K（球隙）接通回路之前電容器的電壓取 845kV。按此條件計算，獲得了電抗器兩端之間的電壓波形，如圖2所示。為了觀察波前細節，圖2只是給出了起始階段50μs的波形。由圖2可見，波前階段的高頻振蕩使電壓波最大幅值達到1556kV，過沖系數高達1.86，振蕩頻率為475kHz。

圖2 波前高頻振蕩

圖3 波頭電阻26.64?的仿真波形

目前，限制上升沿過沖的普遍方法是增大回路中與脈沖電容器和試品相串聯的波頭阻尼電阻。但計算表明這與維持波形持續時間相抵觸。本文對添加阻值分別為26.64?、100?、200?的波頭阻尼電阻進行仿真，結果如圖3、4、5所示。波頭電阻26.64?時，過沖系數1.76，過沖最高值為1480kV，對試品來說顯然太高。波頭電阻100?時過沖系數 1.4，過沖最高值為 1194kV，依然比較大，并且電容器放電僅僅維持 4ms。波頭電阻增加到 200? 時過沖最高值為951kV，雖然過沖系數1.13降低到安全范圍內，但電容器放電持續時間降低到3ms，中頻振蕩僅僅維持一個周波。根據IEEE1277[1]對電容器放電試驗的規定，電容器放電持續時間最少應在10ms以上?？梢?，波頭阻尼電阻取值較小時，對高頻過沖無明顯抑制作用，取值較大時，雖然可以抑制過沖，但主振蕩持續時間卻受到嚴重限制，不能滿足規范要求。

圖4 波頭電阻100?的仿真波形

圖5 波頭電阻200?的仿真波形

為了能夠兼顧抑制高頻過沖和維持主振蕩持續時間，本文提出了一種新的抑制高頻過沖的方法。該方法在試驗回路中與試品串聯接入暫態阻波器，對施加于試品上的各種電壓分量提供有選擇的阻尼，達到既抑制過沖又不明顯影響主振蕩時間的目的。

2 快速暫態阻波器原理

阻波器,在歐美國家和日本又稱陷波器，實際是由電感器、電容器和電阻器組成的串聯濾波器。其電路如圖6中（a）所示。阻波器兩端子之間的阻抗也即濾波器的輸入阻抗在不同的頻率有不同的特性。在822Hz這樣較低的頻率，電路中調諧電容C呈現足夠大的阻抗，流經電阻器R的電流小到可以忽略，因而此頻率下阻波器基本上呈現一只電感器的作用，其阻抗為主線圈線圈的電抗和它的交流等效電阻。在數百千赫的高頻率，電容器C的容性電抗大幅度降低，阻波器中的電阻器R相當于直接與主線圈L并聯，因而阻波器在高頻段的阻抗以電阻分量為主。圖6中（b）給出了本課題所研制的阻波器高頻阻抗實測頻率響應特性。

圖6 阻波器原理電路及其高頻阻抗特性

由圖6可知，在450kHz以上高頻段，阻波器呈現出大約420?的電阻，這就相當于在試驗回路中串聯了一只420?的電阻器，對波前高頻振蕩顯然應具有很好的抑制作用。另一方面，在 300～900Hz這樣的較低頻率下，阻波器主要表現一只電感的作用，其電阻小的可以忽略，因而它對電容器放電過程持續時間的阻尼作用是可以忽略的，只是以大約 1%的程度（由阻波器主線圈的電感量決定）降低主振蕩的頻率和施加到試品上的電壓。由于缺乏經驗，本課題所研制的阻波器選擇了1mH主線圈，420?阻塞電阻（高頻阻抗中的電阻分量）邊界頻率為60kHz。分析表明，阻波器參數仍可以進一步優化，比如主線圈電感降低到 0.3mH，將 420?阻塞電阻的邊界頻率調整到200kHz以上，或者將阻塞電阻增大到840?，阻塞電阻的邊界頻率調整到120kHz以上是完全可以的。

3 串聯阻波器后的仿真計算

圖7為串入阻波器之后的試品電壓仿真計算波形圖，電容充電電壓845kV，過沖最高值為1040kV，過沖系數達到1.26，放電開始10ms后依然有較大振蕩。串入阻波器同時加26.64?的波頭阻尼電阻時，對波前高頻過沖系數降到1.19，波形如圖8所示。

圖7 串聯阻波器的仿真波形圖

圖8 串入阻波器并加26.64?電阻的仿真波形圖

4 試驗驗證

對電感75mH的±800kV平波電抗器進行電容放電試驗，使用單級電容2μF的16級沖擊電壓發生器，兩極并聯為一組共8級，總電容0.5μF。為比較阻波器的效果，先后在串聯和不串聯阻波器兩種條件下進行了電容器放電試驗。試驗時均不加波頭阻尼電阻。

圖9給出了不帶阻波器時波形記錄。由圖9（b）中可以看出，波前上升沿暫態振蕩頻率為463kHz，過沖系數達1.8，這與仿真計算結果十分接近，證明了計算的準確性。

圖9 未串阻波器的試驗波形圖

圖10 串聯阻波器的試驗波形圖

圖10給出了串聯阻波器之后的試驗波形，從圖10（b）可知，此條件下波前只有一個單極性小脈沖，但無振蕩，過沖系數僅 1.18?？梢钥吹礁哳l過沖得到了明顯的抑制，與仿真結果基本相同。

5 試驗分析

在試驗中發現，電容器放電試驗中有較大的電流通過。試驗裝置中的脈沖電容和球隙通常是按雷電沖擊和操作沖擊單脈沖設計的，承受 10ms以上的長時間放電存在一定危險。首先，銅球表面經過兩、三次長時間放電后會出現較多的金屬毛刺，影響球隙放電的同步性并因此容易自放電，使放電電壓難于控制。其次，脈沖電容器內產生大量的熱能，極易使電容出現滲漏油、“鼓肚”現象甚至電容量因內部個別元件擊穿而降低。試驗裝置的破壞程度與電容器放電持續時間有直接關系。因此，即使串聯插入阻波器完全可以抑制過沖，保留波頭電阻、波尾電阻從而將放電持續時間維持在一個適當數值（10ms左右）仍然是必要的。否則試驗裝置可能會在試驗過程中頻繁損壞，使試驗和工程進度無法履行時間計劃。

6 結論

1）在平波電抗器的電容器放電試驗回路中，雜散電容、引線電感等會在波前上升沿產生很強的高頻暫態過程，形成1.8倍甚至更高的過沖。

2）波頭阻尼電阻對于抑制高頻過沖的效果欠佳，一味加大阻尼電阻值，會嚴重縮短放電持續時間。

3）串入阻波器可以有效的消除試驗回路在波前產生的高頻暫態分量，大大消減過沖電壓峰值，對試品起到了有效的保護作用。

[1]IEEE Std 1277-2000[s]. IEEE Trial-Use Standard General Requirements and Test Code for Dry-Type and Oil-immersed Smoothing Reactors for DC Power Transmission.