并聯(lián)電抗器操作沖擊試驗(yàn)波形仿真

劉學(xué)民 蘇海芹 高永利 郭建貞 李慧奇

（1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056）

并聯(lián)電抗器操作沖擊試驗(yàn)屬于電抗器出廠(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了操作沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)波形，目前大部分廠(chǎng)家都采用沖擊電壓發(fā)生器的方法進(jìn)行操作沖擊試驗(yàn)，在較低的試驗(yàn)電壓下調(diào)節(jié)試驗(yàn)線(xiàn)路的各個(gè)元件參數(shù)，直到得到符合標(biāo)準(zhǔn)要求的波形。在調(diào)波過(guò)程中，一個(gè)調(diào)波參數(shù)的改變往往會(huì)使得電壓波形的幾個(gè)參數(shù)改變，熟練掌握調(diào)波因素對(duì)波形的影響可以大大提高調(diào)波的工作效率，而且進(jìn)行新型號(hào)產(chǎn)品試驗(yàn)前應(yīng)確認(rèn)試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)?zāi)芰Γ@些都需要對(duì)操作沖擊試驗(yàn)進(jìn)行仿真。本文簡(jiǎn)要介紹了操作沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)線(xiàn)路，建立了試驗(yàn)的等效電路，應(yīng)用仿真軟件ATP進(jìn)行操作沖擊試驗(yàn)的仿真，總結(jié)了波形調(diào)整的規(guī)律。

1 ATP軟件簡(jiǎn)介

目前常用的電路仿真軟件主要有BPA、EMTP、PSCADPEMTDC、NETOMAC和PSASP等，其中，電磁暫態(tài)程序EMTP在電力系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。ATP（選擇性暫態(tài)程序）作為 EMTP的免費(fèi)版本是世界上應(yīng)用最廣的數(shù)字式仿真電磁暫態(tài)現(xiàn)象及電力系統(tǒng)機(jī)電能的軟件。過(guò)去二十年來(lái)，它通過(guò)國(guó)際貢獻(xiàn)得以不斷發(fā)展，這些來(lái)自世界的技術(shù)貢獻(xiàn)是由W-斯哥特-邁耶和劉蘇輝（音譯）共同主持的美加 EMTP用戶(hù)協(xié)會(huì)協(xié)調(diào)的。ATP程序可以計(jì)算以時(shí)間為函數(shù)的變量對(duì)電力系統(tǒng)的影響。通常，使用積分的梯形規(guī)則來(lái)解決系統(tǒng)元件在時(shí)域的微分方程。非零初始狀態(tài)可自動(dòng)由穩(wěn)態(tài)矢量解決定，或由用戶(hù)自行為某些元件輸入[1]。

2 操作沖擊電路等效模型

使用沖擊電壓發(fā)生器法進(jìn)行的并聯(lián)電抗器的操作沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)線(xiàn)路包括沖擊電壓發(fā)生器、試品、電壓分壓器和其他調(diào)波元件等幾部分，以下分別分析各個(gè)部分的等效電路。

1）沖擊電壓發(fā)生器：沖擊電壓發(fā)生器通常采用馬克斯電路產(chǎn)生瞬時(shí)高電壓，其原理為一組電容并聯(lián)充電，然后通過(guò)球隙擊穿把這組電容變?yōu)榇?lián)方式產(chǎn)生符合要求的電壓值。由于操作沖擊的波前時(shí)間超過(guò) 100ms，每級(jí)球隙擊穿的時(shí)間很短（一般為納秒級(jí)），可以認(rèn)為各個(gè)間隙同時(shí)擊穿，等效放電回路可以使用電容、波頭電阻、波尾電阻和線(xiàn)路寄生電感構(gòu)成，線(xiàn)路如文獻(xiàn)[2]中的ATP仿真電路。

2）測(cè)量回路：一般采用阻容分壓器和示波器進(jìn)行測(cè)量，包括電阻、電容和測(cè)量回路寄生電感等參數(shù)。

3）試品：由于操作沖擊的作用時(shí)間比較長(zhǎng)，可以認(rèn)為線(xiàn)圈上的電壓分布為均勻分布，所以分析調(diào)波元件對(duì)于波形的影響分析時(shí)可以把電抗器看作自身電感和入口電容的并聯(lián)線(xiàn)路。

4）試驗(yàn)線(xiàn)路和其他調(diào)波元件：包括試驗(yàn)線(xiàn)路的寄生電感、試品首端并聯(lián)電容器以及支撐電阻等。

3 操作沖擊試驗(yàn)波形仿真

以下以一臺(tái)單相 60000kVar并聯(lián)電抗器操作沖擊試驗(yàn)為例，建立ATP線(xiàn)路模型，具體試驗(yàn)線(xiàn)路如圖1所示。

圖中，C1為沖擊電壓發(fā)生器主電容；Rt為波尾電阻；LVG為沖擊電壓發(fā)生器寄生電感；Rf為波頭電阻；LL為試驗(yàn)線(xiàn)路寄生電感；RL為試驗(yàn)回路電阻；LLC為負(fù)荷電容線(xiàn)路寄生電感；RLC為負(fù)荷電容線(xiàn)路電阻；CC為負(fù)荷電容；CT為試品入口電容；LT為試品電感；RT為試品電阻（包括試驗(yàn)接線(xiàn)電阻）；LVD為電壓測(cè)量回路寄生電感；RVD為分壓器電阻；CVD為分壓器電容。

圖1 操作沖擊試驗(yàn)電路

根據(jù)以上等效電路和電路中的各個(gè)元件參數(shù)可以建立ATP仿真的模型，并進(jìn)行計(jì)算可以得到相應(yīng)的電壓波形和電流波形，與實(shí)際的波形進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示。

圖2 ATP計(jì)算波形與試驗(yàn)實(shí)際波形的對(duì)比

由以上結(jié)果比較可知，使用以上電路波形進(jìn)行模擬得到的電壓和電流波形與實(shí)際得到的波形具有相同的形狀，同時(shí)計(jì)算的波形與實(shí)際波形參數(shù)也比較相似，因此可以在上述電路模型上進(jìn)行波形影響因素的研究。

4 調(diào)波因素對(duì)波形的影響及調(diào)波規(guī)律

建立試驗(yàn)線(xiàn)路的 ATP模型后，可以在模型上對(duì)各個(gè)波形影響因素進(jìn)行研究，對(duì)于調(diào)波因素，可以分別在模型上輸入不同的元件參數(shù)，把得到的波形和計(jì)算結(jié)果放到一起進(jìn)行比較，可以得到試驗(yàn)線(xiàn)路的寄生電感和試品的入口電容對(duì)于電壓波形沒(méi)有明顯的影響，對(duì)于其他影響因素對(duì)于波形參數(shù)的影響見(jiàn)表1。

表1 各類(lèi)因素對(duì)波形參數(shù)的影響

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求操作沖擊試驗(yàn)的波形應(yīng)達(dá)到T1大于 100μs、Td大于 200μs、T0大于 500μs，最好大于1000μs，反極性電壓低于峰值電壓的 50%，實(shí)際電抗器操作沖擊試驗(yàn)中，波形調(diào)整中的難點(diǎn)包括：Td和T0太小，反極性電壓過(guò)高以及沖擊發(fā)生器的效率過(guò)低。由表1可以總結(jié)電抗器操作沖擊試驗(yàn)的調(diào)波規(guī)律如下。

1）對(duì)于不同的試品，電感越小，效率、T1、Td、T0都相應(yīng)減小，所以電感越小即電抗器的容量越大、電壓越低，相應(yīng)的操作沖擊試驗(yàn)的調(diào)波難度越大。

2）對(duì)T1的調(diào)節(jié)：只有入口電容很小的產(chǎn)品才會(huì)發(fā)生T1不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求，增大波頭電阻和增加并聯(lián)的符合電容都可以增大T1，增加負(fù)荷電容器的方法具有更明顯的效果。

3）對(duì)Td的調(diào)節(jié)：增加Td的方法包括：增加波頭電阻、波尾電阻、沖擊機(jī)主電容和負(fù)荷電容，其中最有效的增加Td的方法為增加端頭并聯(lián)的負(fù)荷電容，為了提高沖擊機(jī)的效率，同時(shí)應(yīng)減小波頭電阻。

4）對(duì)T0的調(diào)節(jié)：增加T0的方法包括：增加波尾電阻、沖擊機(jī)主電容、負(fù)荷電容和支撐電阻，其中增加波尾電阻和支撐電阻由于對(duì)其他參數(shù)的影響較小應(yīng)優(yōu)先采用。

5）對(duì)反極性電壓的調(diào)節(jié)：降低反極性電壓的方法包括：增加波尾電阻，支撐電阻、沖擊機(jī)主電容、減小負(fù)荷電容、調(diào)節(jié)波頭電阻，其中增加波尾電阻和支撐電阻由于對(duì)其他參數(shù)的影響較小應(yīng)優(yōu)先采用。

5 結(jié)論

由以上操作沖擊試驗(yàn)仿真計(jì)算的結(jié)果分析可以得到以下結(jié)論。

1）對(duì)于電抗器操作沖擊試驗(yàn)，使用集中參數(shù)的電路等效模型進(jìn)行仿真可以得到與實(shí)際一致的結(jié)果。

2）電抗器操作沖擊試驗(yàn)等效模型中的各個(gè)參數(shù)都可以得到精準(zhǔn)值，線(xiàn)路寄生電感和入口電容等不能得到準(zhǔn)確值的參數(shù)對(duì)波形的影響不大，因此可以對(duì)新型號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行模擬。

3）電路中的參數(shù)變化經(jīng)常會(huì)影響幾個(gè)參數(shù)，試驗(yàn)人員應(yīng)掌握各個(gè)參數(shù)變化對(duì)于波形的影響規(guī)律，以提高調(diào)波效率。

[1] 施圍,李岱.電磁暫態(tài)程序——EMTP介紹[J].中國(guó)電力,1987(2): 13-17.

[2] 王浩祥,孫偉,傅正財(cái),陳堅(jiān).負(fù)荷對(duì)沖擊電壓發(fā)生器輸出能力的影響研究[J].高壓電氣,2009(5): 92-95.