諧波過電壓下電纜護層保護器泄漏電流特征分析

方春華,張怡琳,莊 立,李 放,孫奧琪,胡 濤,張 瑤,江進波

(1.三峽大學電氣與新能源學院,湖北 宜昌 443002;2.國網湖北省電力有限公司宜昌供電公司,湖北 宜昌 443000)

0 引言

近年來,隨著我國大規模創新多種形式的新能源送出系統,系統暫態過電壓問題逐漸顯現[1]。在高壓輸電線路中,工頻暫態過電壓嚴重影響電氣設備運行的性能,制約新能源發展,為電力系統的運行埋下安全隱患[2-4]。以避雷器、電纜護層保護器、斷路器等典型電氣設備為例,過電壓的大小與其耐受時間呈負相關的特性[5]。

相對傳統供電負荷,鐵路系統負載具有非對稱性、間歇性的特征,易在牽引站供電電纜中產生含量較大的高次諧波,加速電纜接地系統保護器的老化[6-7]。根據實際調研,鐵路供電線路護層諧波電流以低次奇次諧波為主,主要包含5、7、11次諧波,其中7次諧波含有率高達22.5%,且在測試范圍內47、49、51次諧波也存在含量較高的情況。當線路中有高頻電流流過時,線路的集膚效應加重,并且電流密度增大,致使線路的相線以及中性線出現發熱的情況[8]。如果線路產生的能量大于保護器的吸收范圍,熱量在保護器內部大量累積而發生爆炸,危害電纜線路正常運行[9-10]。因此,研究老化保護器諧波過電壓下的運行特性,對保障輸電線路的安全、穩定運行具有重要的現實意義。

電纜護層保護器結構與低壓避雷器類似,其內部主要由硅氧化鋅閥片制成[11]。持續的大電流和過電壓直接導致老化避雷器泄漏電流增大,熱功率增加,發生熱擊穿現象[12-13]。文獻[14]分析了各個壽命階段車頂避雷器的泄漏電流等特征參量與可靠度的關系。文獻[15]建立了避雷器在諧波過電壓下的有限元計算模型和高頻試驗平臺,探究了其內部閥片在諧振過電壓下的泄漏電流特性及發熱過程。文獻[16]對避雷器進行熱平衡分析探究其在牽引網諧振工況下的耐受特性。文獻[17]基于功率損耗和散熱曲線的熱平衡圖,分析了氧化鋅閥片的熱穩定性對其正常工作的影響。文獻[18]研究了 MOA 運行狀態參量隨溫度的變化情況,得出了直流U1mA、工頻參考電壓隨溫度逐漸降低,泄漏電流逐漸遞增。當前針對電纜護層保護器諧波過電壓的研究大多基于氧化鋅避雷器老化機理以及熱穩定性的研究,關于諧波過電壓下老化保護器的泄漏電流等特征量的變化規律不明。因此,在不同溫度下開展老化保護器諧波過電壓實驗對分析其特征量隨電壓幅值及頻率變化規律具有重要意義。

保護器的特征量性能評估主要針對保護器的全電流,阻性泄漏電流分量和3次諧波分量進行測量[19]。一般情況下,保護器的泄漏電流只有幾十微安到數毫安之間,且其中阻性分量只占總泄漏電流的5%～20%,所以泄漏電流的信號檢測非常復雜[20]。目前常用的泄漏電流測量方法有諧波分析法、西林電橋法3次諧波法還有容性電流補償法[21-23]。由于諧波分析法數據分析更全面且容易實現,能夠計算保護器總泄漏電流以及阻性泄漏電流,實現對保護器在高次諧波下運行狀態的詳細了解[24]。因此,筆者基于諧波分析法,運用泄漏電流測量裝置,對保護器的總泄漏電流、阻性電流、相位差等參數進行計算采集。

筆者主要研究高溫老化后的電纜護層保護器在諧波過電壓沖擊下特征量的變化規律。首先根據鐵路供電線路護層諧波含量選取高次諧波搭建諧波過電壓實驗平臺,并開展高溫老化保護器諧波過電壓實驗,最后分析了保護器總泄漏電流、阻性電流、相位差、阻值等特征量的變化規律。

1 諧波過電壓實驗

電纜護層保護器的作用:高電阻狀態可以阻擋線路金屬護層中的工頻感應電壓,低阻導通狀態迅速釋放線路金屬護層中的沖擊過電壓和工頻過電壓[25]。為了避免環流對電纜產生影響,DLT 401《高壓電纜選用導則》規定,一般供電電纜采用一端直接接地,另一端通過護層保護器接地[26]。為探究保護器在高次諧波電壓下的泄漏電流等特征參量變化規律,本文搭建了高溫老化保護器的模擬諧波過電壓實驗平臺。

1.1 實驗平臺搭建

諧波過電壓模擬實驗原理見圖1。選用220 kV線路常用型號保護器作為實驗樣品,見表1。采用信號源和電壓放大器模擬系統諧振時的高次諧波信號,電壓放大器最大輸出功率90 W,輸出電壓增益0～1 000倍。保護器低壓側經泄漏電流測量裝置接地,該裝置包含放大器模塊、直流電源、高精度電流傳感器以及采樣電阻,其特征在于不僅高度還原了輸入諧波信號的復雜程度,還提高了輸出信號的采樣率。

圖1 諧波過電壓模擬實驗原理圖

表1 電纜護層保護器參數

1.2 高溫老化諧波實驗

護層保護器在工作中長期受諧波過電壓的沖擊,熱量不斷累積,其內部結構發生老化,導致性能變差。據調研,保護器實際運行最高溫度可達60 ℃,由于氧化鋅閥片具有復雜非線性特性,當溫度超過 40 ℃,保護器內部結構會受到較大影響[27]。

但在正常工作條件下的保護器老化速度比較慢,因此本研究采用可控恒溫電熱鼓風干燥箱對保護器進行持續加熱的方式來加速老化。預設溫度200 ℃,加熱100 h、200 h、300 h、400 h,最后在20 ℃的環境溫度下進行高頻諧波試驗:

1)對保護器施加11次、31次、51次諧波電壓,從0 V開始升高電壓幅值至3.2 kV,每隔400 V分別記錄總泄漏電流(I)、阻性電流(Ir)幅值及相位差(θ);

2)在3 kV電壓下,從50 Hz開始每隔100 Hz逐漸增加電壓頻率,記錄保護器幅頻特性和相頻特性變化特征。

1.3 參數計算

通過泄漏電流測量裝置和電壓放大器輸入端同步采集保護器總泄漏電流和輸入電壓的幅值和相角。常用的保護器等值電路[28]和相量關系如圖2。圖中I為流經保護器的總泄漏電流;Ir為阻性泄漏電流;Ic為容性泄漏電流。

圖2 電纜護層保護器等值電路和相量關系

正常運行條件下,保護器內部閥片呈現高電阻,總泄漏電流很小,可以等效為電容與非線性電阻并聯,保護器等效阻抗Z為

(1)

阻性電流與容性電流滿足正交關系,即

Ir=Icosθ

(2)

保護器內部電阻R

(3)

2 電壓幅值對保護器特征量的影響

2.1 特征量隨老化時間變化趨勢

對保護器分別施加3.2 kV的基波電壓和51次諧波電壓,為避免不同樣品間的個體差異,圖3、圖4分別為同一樣品I,Ir隨老化程度的變化情況。隨著老化程度的加深,不管是在基波電壓還是高次諧波電壓作用下,I和Ir均呈現增大的趨勢,且51次諧波下總泄漏電流約為基波下的46.15倍。

圖3 總泄漏電流隨老化時間變化曲線

圖4 阻性泄漏電流隨老化時間變化曲線

當保護器長時間運行在高次諧波過電壓下,會有大量能量被注入,其中大部分能量無法散熱,被氧化鋅電阻吸收,從而導致溫升。在溫度刺激下,正離子遷移速度和電荷率等狀態必然發生不可逆老化。由此可見,保護器過熱老化后,性能降低,承受高次諧波過電壓的能力會下降,最終導致故障的發生。

2.2 特征量在基波電壓下的變化趨勢

由于不同的諧波電流幅值、不同的間隔和不同的環境溫度會導致保護器不同程度的老化。本研究分別在20 ℃、40 ℃、60 ℃溫度下分析保護器各項參數受電壓幅值的影響情況。在基波電壓下I、θ、Ir的變化情況見圖5～圖7。

圖5 基波電壓下總泄漏電流變化曲線

圖6 基波電壓下相位差變化曲線

圖7 基波電壓下阻性泄漏電流變化曲線

在不同溫度下,I與電壓幅值均成正比例關系,θ隨電壓幅值的增加而逐漸減小,且下降速率逐漸加快;Ir隨電壓幅值增大而增大。

由于氧化鋅閥片具有負的溫度系數,溫度越高I、Ir越大,θ越小,在額定電壓2.8 kV作用下,I分別為0.61 mA、0.63 mA、0.66 mA;θ分別為86.15°、84.95°、81.52°;Ir分別為0.041 mA、0.053 mA、0.093 mA。

2.3 特征量在諧波電壓下的變化趨勢

諧波電壓下I、θ、Ir的變化情況見圖8～圖10。在高頻諧波電壓下,I相較于基波電壓下增大了7.14～35.71倍。保護器發熱主要由流過電阻片的阻性電流引起,正常狀態下的保護器泄漏電流很小,呈容性狀態[29]。在同一電壓幅值下,Ir受溫度影響較為明顯,當溫度為40 ℃,保護器承受3.2 kV的51次諧波過電壓時,Ir51相較于基波增大了1.778 mA,Ir51約占I51的5.44%,且溫度每升高20 ℃,Ir增大11%～38%。

圖8 諧波下總泄漏電流變化曲線

圖9 諧波下阻性泄漏電流變化曲線

圖10 40 ℃諧波電壓下相位差變化曲線

由于氧化鋅材料在直流電場作用下,電子的運動軌道發生偏移,使得正、負電荷的中心不再重合,產生極化現象。當電壓頻率較低時,極化電流隨電壓的增加而明顯增加,同時相位角減小;當電壓頻率較高時,極化電流減小,由于極化速度遠小于電壓變化的速度,導致相位差減小[30-31]。

氧化鋅電子式極化受溫度變化的影響可以忽略,圖10以40 ℃為例,在11次諧波電壓作用下,θ在電壓幅值較低情況下變化不大,但當幅值大于2 kV時,θ呈現線性下降趨勢。但在31次、51次諧波電壓下,θ呈現先增大后減小的趨勢。

3 電壓頻率對保護器特征量的影響

3.1 特征量隨老化時間變化趨勢

如圖11,在3 kV電壓下,老化樣品的相頻特性曲線,阻頻特性曲線其變化規律和趨勢與未老化樣品基本一致,但在數值上均有一定程度的減小。

圖11 老化前后相位差對比

在一定電壓范圍內,氧化鋅電阻片具有獨特的非線性伏安特性,其阻值隨施加電壓的變化而變化,在小電流區域保護器的泄漏電流很小,當電壓超過一定閾值,氧化鋅電阻片阻值降低,在非線性區域快速釋放電流,很好的解決高壓線路受到暫態過電壓的沖擊,保護電纜線路免受沖擊能量的損害。

根據式(3)計算不同電壓頻率下保護器的內部電阻,如圖12。保護器內部電阻隨頻率的增加而減小,在工頻電壓下保護器的內阻約為51次諧波電壓下的34倍,絕緣電阻值下降會導致氧化鋅的絕緣水平降低,從而引起泄漏電流增大。當老化時間每增加100 h,保護器內部電阻R減小5%～29%,這與保護器短期嚴重老化和加熱故障的機理相似[32]。由此,諧波頻率對保護器內部阻容關系影響很大。

圖12 老化前后阻值對比

3.2 幅頻特性和相頻特性

在3 kV電壓下,保護器的幅頻特性,相頻特性變化情況如下。

由圖13～圖15可知,隨著頻率的增大,I呈線性增大。在同一頻率,不同溫度對I的影響較小,變化范圍不超過1.6 mA。但溫度對θ,Ir影響較為明顯,在同一諧波頻率和電壓下,溫度升高導致θ減小,Ir大幅增大,最高達 500 μA。當溫度保持在40 ℃,對保護器施加3 kV的電壓,隨著頻率的增大,θ呈現先增大后減小的趨勢,尤其在50 Hz～350 Hz,θ迅速增大3°左右。在51次高頻電壓相較于工頻電壓下,I增大50.1倍,θ增大2.618°,Ir增大26.9倍。由此可見,保護器泄漏電流特征量隨諧波電壓頻率成倍數增大。

圖13 總泄漏電流隨頻率變化曲線

圖14 相位差隨頻率變化曲線

圖15 阻性泄漏電流隨頻率變化曲線

4 結論

1) 高次諧波電壓對老化保護器的影響很大,隨著老化程度的加深,總泄漏電流和阻性電流增大,相位差和阻值減小,51次諧波下總泄漏電流約為基波下的46.15倍。

2)保護器內部電阻隨頻率的增加而減小,在工頻電壓下保護器的內阻約為51次諧波電壓下的34倍,當老化時間每增加100 h,保護器內部電阻R減小5%～29%。

3)在諧波電壓頻率較低時,總泄漏電流與輸入電壓的相位差隨電壓幅值的增大而減小。但諧波電壓頻率較高時,相位差呈現先增大后減小的趨勢,且溫度每升高20 ℃,Ir增大11%～38%。

4)當溫度為40 ℃時,保護器在51次諧波過電壓作用下相較于基波電壓,總泄漏電流增大50.1倍,阻性電流增大26.9倍,阻性泄漏電流約占總泄漏電流的5.44%。