特高壓人工交流污穢試驗電源關鍵參數的選型計算分析

孫利朋，李志愿，蔣正龍，李勤樸，方針

(1． 國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙410007;2． 中國新時代國際工程公司，陜西 西安710001)

輸電線路的污閃和覆冰事故嚴重威脅電力系統安全穩定運行，開展人工污穢和覆冰試驗可有效分析電網污閃和冰閃事故的原因，為電氣設備外絕緣設計和選型提供數據支持〔1－6〕。特高壓交流污穢試驗電源是進行特高壓人工交流污穢和覆冰試驗的主要設備〔7－9〕，與其它絕緣試驗設備相比，其參數要求較高:它需要比其它型式的絕緣子試驗更高的短路電流ISC〔9－11〕，且ISC要高于6 A，最高泄漏電流脈沖的幅值Ihmax與短路電流ISC滿足如下關系:ISC/Ihmax≥11;在被試品發生閃絡時，按參考文獻〔12〕的規定，要求它電壓波動小，最大波動值不宜超過6%。

為滿足特高壓設備的交流污穢和覆冰試驗需求，文中的交流污穢試驗設備電壓選為800 kV，從經濟性出發，交流污穢試驗變壓器采用上下2 級串聯方式，其下級電壓等級為500 kV，上級電壓等級為300 kV。根據國內外交流污穢試驗變壓器的容量選擇配置要求，其高壓側輸出電流不小于4 A，容量為3 200 kVA。

1 一次組成及各部分參數說明

交流污穢試驗電源的一次部分的主接線圖如圖1 所示，交流污穢試驗變壓器的10 kV 電源由220 kV 榔梨變電站經長約250 m 的10 kV 電纜引至10 kV 調壓器T1，再經長約50 m 的10 kV 電纜引至交流污穢試驗變壓器T2，當被試品發生短路時，整個系統經保護電阻R 接地。

圖1 交流污穢試驗電源的一次部分主接線圖

220kV 榔梨變電站共有2 臺220 kV 主變，主變參數見表1。

表1 變電站主變參數

當榔梨變電站內1 臺主變獨立運行時，10 kV側母線短路容量是453.52 MVA，2 臺主變并列運行時，10 kV 側母線短路容量是759.80 MVA，220 kV 側短路容量是10 787.7 MVA，110 kV 側短路容量是2 204.83 MVA。在交流污穢試驗過程中，被試品經常發生閃絡短路，并由此引起榔梨變電站的10 kV 母線電壓波動與閃變。從單臺主變和2 臺主變并列運行時的短路容量來看，當交流污穢試驗發生被試品閃絡短路時，2 臺主變并列運行時的電壓波動值是單臺主變運行時的59.69%，因此，文中僅按照發生最嚴重的電壓波動情況(即單臺主變運行情況)計算。

調壓器T1容量為3 200 kVA，其結構為柱式自耦調壓器，在其0～50%的電壓輸出中，阻抗輸出不是線性關系，而在50%～100%的電壓輸出中，阻抗輸出基本呈線性關系，主要阻抗參數見表2。

表2 調壓器主要阻抗參數

試驗變壓器T2為串級式變壓器，其額定電壓為10.5/(500+300)kV，共2 級，下級額定電壓為10.5(低壓繞組(有2 個，可并可串))/500(高壓繞組)/10.5(聯耦繞組)kV，上級額定電壓為10.5(低壓繞組)/300 kV(高壓繞組);總額定容量為3 200 kVA，其中下級的額定容量為3 200(低壓繞組)/3 200(高壓繞組)/1 200(聯耦繞組)kVA，上級額定電壓為1 200(低壓繞組)/1 200(高壓繞組)kVA;阻抗電壓為下級單獨使用時，Uk=2%，UR=0.25%，2 級串聯使用時，Uk=5%，UR=0.25%。

2 關鍵參數的計算

2.1 榔梨變電站主變側參數計算

當220 kV 榔梨變電站的單臺主變運行且交流污穢試驗發生被試品閃絡短路時，主變側的各參數計算如下:

電阻電壓 UR(H－L)= 2 × PH－L/S = 0.317%

式中 PH－L為主變高壓側對低壓側的負載損耗，S為主變容量。

式中 UZ(H－L)和UR(H－L)分別為主變高壓側對低壓側的阻抗電壓和電阻電壓。

式中 SdS為單臺主變運行時的系統短路容量，U為主變高壓側額定電壓。

由于UX(H－L)遠大于UR(H－L)，因此，在進行試品短路(閃絡)電流計算時，忽略主變及系統的電阻。

2.2 交流污穢試驗變壓器參數計算

將交流污穢試驗變壓器分別按照:2 個低壓線圈并聯，2 個高壓線圈串聯，其變比為10.5/800 kV;2 個低壓線圈并聯，僅采用污穢試驗變壓器的下級輸出，其變比為10.5 kV/500 kV;2 個低壓線圈串聯，僅采用污穢試驗變壓器的下級輸出時，其變比為10.5 kV/250 kV，3 種方式進行短路阻抗計算，且分別將短路阻抗折算至高壓側，其計算方法如下:

式中 ZB，XB分別為交流污穢試驗變壓器的短路阻抗和短路電抗，U'為交流污穢試驗變壓器的高壓側額定電壓;STR為交流污穢試驗變壓器的額定容量;UdX，UdR分別為交流污穢試驗變壓器的電抗電壓和電阻電壓。

2.3 各設備短路阻抗參數匯總計算

2.3.1 各設備短路阻抗參數匯總

1)將調壓器高壓側的阻抗、220 kV 榔梨變電站10 kV 側阻抗和第1 段電纜的阻抗相加后，按調壓器輸出電壓變比的平方折算至調壓器的低壓側。

2)將步驟1)阻抗折算值與第2 段電纜阻抗值相加后，按污穢試驗變壓器變比的平方折算至污穢試驗變壓器的高壓側。

3)將步驟2)折算值與污穢試驗變壓器的阻抗值相加，得到各設備短路阻抗匯總值。

2.3.2 各種工況下阻抗值參數匯總

1)試驗變壓器2 個低壓線圈并聯，2 個高壓線圈串聯時，其變比為10.5 kV/800 kV，此時的系統阻抗參數計算結果見表3。

表3 試驗變壓器變比為10.5 kV/800 kV 時系統阻抗計算結果 Ω

2)試驗變壓器2 個低壓線圈并聯，僅采用污穢試驗變壓器的下級輸出時，其變比為10.5 kV/500 kV，此時的系統阻抗參數計算結果見表4。

表4 試驗變壓器變比為10.5 kV/500 kV 時系統阻抗參數計算 Ω

3)試驗變壓器2 個低壓線圈串聯，僅采用污穢試驗變壓器的下級輸出時，其變比為10.5 kV/250 kV，此時的系統阻抗參數計算結果見表5。

表5 試驗變壓器變比為10.5 kV/250 kV 時系統阻抗參數計算 Ω

2.4 不同保護電阻下220 kV 榔梨變電站低壓

側母線電壓降計算方法

1)試驗變壓器高壓側短路電流計算

將上述系統、調壓器、線路、工頻試驗變壓器等元件的阻抗匯總值均折合至試驗變壓器高壓側，然后根據調壓位置確定的空載電壓除以回路總阻抗即為短路電流。

2)榔梨變11 kV 母線的電壓波動計算

按照參考文獻〔2〕的估算方法如下:

式中 d 為電壓變動;RL，XL分別為電網阻抗的電阻和電抗分量，在計算時，將原試驗變壓器高壓側的阻抗折算至調壓器原邊;UN為系統標稱電壓，11 kV;ΔP 和ΔQ 分別為短路時的有功功率和無功功率的變化量，由于在污穢試驗變壓器試驗時，在閃絡之前流過被試品(主要是絕緣子串)的電流很小，幾乎為0，因此，ΔP 和ΔQ 可以近似認為是短路時的有功功率和無功功率。

榔梨變電站11 kV 側母線電壓相對值為1－d。

2.5 在各種工況下的電壓計算情況分析

根據上述計算分析，調壓器、試驗變壓器和系統的阻抗值均已確定，對短路電流和榔梨變電站11 kV 母線電壓波動值的計算主要取決于保護電阻值，因此，在以下計算中主要通過保護電阻的取值計算來分析本交流污穢試驗電源能否滿足交流污穢試驗的需要。保護電阻的選取，一方面要盡量滿足試驗時的各方面參數的需求:盡可能保證較大的短路電流，同時要減小對榔梨變電站11 kV 母線電壓的波動;另一方面由于交流污穢試驗電壓有較大的分散性，因此在對同一電壓等級被試品試驗時，試驗電壓范圍要盡量大，同時要盡量采用一種阻值的保護電阻。

按照參考文獻〔10〕中的規定，最大的臨閃泄漏電流脈沖幅值是在絕緣子串爬電比距為25 mm/kV 的情況下，其值為1.35 A，此時的短路電流值要大于14.85 A，而規程中對于爬電比距大于25 mm/kV 的絕緣子串的臨閃泄漏電流脈沖幅值沒有明確規定。根據絕緣子串污閃〔13－17〕的研究，絕緣子串的臨閃泄漏電流脈沖幅值可達到1.5 A，此時的短路電流值要大于16.5 A。此外，根據的目前的覆冰研究〔18，19〕發現，絕緣子串的臨界閃絡電流在覆冰情況下要明顯大于普通污穢情況，但目前沒有權威的測量值。因此，在選取保護電阻時，要盡量獲得較大的短路電流，以滿足覆冰試驗的需求。

2.5.1 特高壓被試品的試驗電壓選擇與計算

1 100kV 產品的試驗電壓主要范圍考慮為(1±10%)× 1 100/，等效于調壓器的71.4%～87.5%分接位置，750 kV 產品的試驗電壓主要范圍考慮為(1±10%)× 800/，等效于調壓器的51.9%～63.5%分接位置，要求保護電阻在該電壓分接范圍內滿足短路電流的要求和榔梨變11 kV 母線電壓波動的要求。這2 種特高壓被試品加壓范圍內的保護電阻計算見表6。

表6 2 種特高壓被試品加壓范圍內的保護電阻計算

從表6 數據可以看出:對于特高壓絕緣子的污穢試驗，僅考慮調壓器的50%及以上的分接位置，保護電阻采用2 種，分別為15 kΩ 和12 kΩ。對于1 100 kV 被試品的試驗，當選用15 kΩ 的保護電阻時，在其試驗電壓范圍內，榔梨變11 kV 母線側的電壓波動不超過5%，短路電流22.3～26.4 A，可以滿足交流污穢試驗的需求，同時也為覆冰試驗留有裕度。

對于750 kV 被試品的試驗，當選用12 kΩ 的保護電阻時，在其試驗電壓范圍內，榔梨變11 kV母線側的電壓波動不超過4%，短路電流20.6～21.5 A，也可以滿足交流污穢試驗的需求，同時也能為覆冰試驗留有裕度。

2.5.2 各電壓等級被試品的試驗電壓選擇與計算

在進行500 kV 和330 kV 被試品試驗時，僅需要采用試驗變壓器的下級，且其低壓2 個線圈并聯接線，此時的試驗變壓器變比為10.5 kV/500 kV。

500kV 被試品的試驗電壓主要范圍考慮為(1±10%)× 550/，等效于調壓器的57.16%～69.86%分接位置，330 kV 產品的試驗電壓主要范圍考慮為(1±10%)× 365/，等效于調壓器的37.93%～46.36%分接位置，要求保護電阻在相應電壓分接范圍內滿足短路電流和榔梨變11 kV 母線電壓波動的要求。500 kV 和330 kV 被試品加壓范圍內保護電阻的計算結果見表7。

表7 500 kV 和330 kV 被試品加壓范圍內保護電阻的計算結果

從表7 中數據可以看出:對于500 kV 被試品的污穢試驗，僅考慮調壓器的50%及以上的分接位置，保護電阻采用10 kΩ 時較為恰當，在其試驗電壓范圍內，榔梨變11 kV 母線側的電壓波動不超過3%，短路電流超過21.8 A，甚至可以達到30 A，可以滿足交流污穢試驗的需求，同時也為覆冰試驗留有較大的裕度。但如果保護電阻采用10 kΩ進行330 kV 被試品試驗時，其最小短路電流約15 A，勉強可以滿足污穢試驗的需要，而基本沒有進行覆冰試驗的裕度，取值偏大。

對于330 kV 被試品的試驗，當選用5 kΩ 的保護電阻時，在其試驗電壓范圍內，榔梨變11 kV 母線側的電壓波動不超過2%，短路電流超過24 A，甚至可以達到37 A，可以滿足交流污穢試驗的需求，同時也為覆冰試驗留有較大的裕度。如果保護電阻采用5 kΩ 進行500 kV 被試品試驗時，其最小短路電流約37.6 A，榔梨變電站11 kV 側電壓波動小于4%，可以滿足污穢試驗的需要，也可以滿足覆冰試驗的短路電流裕度要求，但短路電流較大，對整個試驗裝置的短路沖擊較大。

2.5.3 110～330 kV 電壓等級被試品的試驗電壓選擇與計算

在進行110～330 kV 被試品試驗時，僅需要采用試驗變壓器的下級，且其低壓2 個線圈串聯接線，此時的試驗變壓器變比為10.5/250 kV。

330kV 產品的試驗電壓范圍考慮為(1±10%)× 365/，等效于調壓器的75.86%～92.72%分接位置，220 kV 產品的試驗電壓范圍考慮為(1±10%)× 252/，等效于調壓器的 52.38%～64.02%分接位置，110 kV 產品的試驗電壓范圍考慮為(1 ± 10%)× 121/，等 效 于 調 壓 器 的25.15%～30.74%分接位置，要求保護電阻在相應電壓分接范圍內滿足短路電流和榔梨變11 kV 母線電壓波動的要求。110～330 kV 被試品加壓范圍內保護電阻的計算結果見表8。

表8 110～330 kV 被試品加壓范圍內保護電阻的計算結果

從表8 中數據可以看出:對于330 kV 和220 kV 被試品的試驗，當選用5 kΩ 的保護電阻時，在其試驗電壓范圍內，榔梨變11 kV 母線側的電壓波動不超過2%，短路電流超過26 A，可以滿足交流污穢試驗的需求，也為覆冰試驗留有較大的裕度。

對于110 kV 被試品的試驗，應當選用1 kΩ 的保護電阻，此時，在其試驗電壓范圍內，榔梨變11 kV 母線側的電壓波動不超過3%，短路電流超過33 A，甚至可以達到43 A，可以滿足交流污穢試驗的需求，同時也為覆冰試驗留有較大的裕度。

3 交流污穢試驗電源抗短路能力計算

對于不同電壓等級的被試品，短路電流峰值系數為

式中 Tf為時間常數，且Tf=∑X/(314×∑R)，∑X 和∑R 分別為整個系統折算至高壓側的總電抗和電阻。

全電流峰值:

式中 IZ'為短路電流方均根值。

全電流最大有效值IF出現在短路的第1 周期，且

文中對1 100 kV，500 kV，330 kV 和220 kV 電壓等級的被試品進行了計算，對1 100 kV 被試品試驗時的變壓器變比為10.5 kV/800 kV，對500 kV被試品試驗時的變壓器變比為10.5 kV/500 kV，對330 kV 和220 kV 試驗時的變壓器變比為10.5 kV/250 kV。

3.1 有保護電阻情況下，短路電流沖擊電流有效值及峰值的計算

在有保護電阻情況下，對各電壓等級被試品進行試驗時，其全電流有效值與峰值基本一致，最大短路電流計算值見表9。

表9 不同電壓等級被試品試驗的最大短路電流值(有保護電阻時)

3.2 升壓變出口(無保護電阻)短路電流有效值、沖擊電流有效值及峰值的計算

在無保護電阻情況下，對各電壓等級被試品進行試驗時，最大短路電流計算值見表10。

表10 不同電壓等級被試品試驗的最大短路電流值(無保護電阻時)

3.3 試驗設備抗短路能力分析

1)根據短路電流峰值和全電流最大有效值的計算，試驗設備在有保護電阻的情況下，出現短路接地時，對于不同電壓等級的被試品試驗時，要求抗短路能力如下:

①對于特高壓被試品進行試驗時，試驗變壓器的額定電流為4 A，要求其至少可以承受9 倍的額定電流的短路沖擊;

②對于500 kV 及以下被試品進行試驗時，試驗變壓器的額定電流為6.4 A，要求其至少可以承受6 倍的額定電流的短路沖擊。

2)試驗設備在無保護電阻的情況下，在試驗過程中出現出口短路的現象概率很小，同時，由于系統的短路阻抗很小，因此短路電流也很大，如果要求設備廠家做到這樣的設備參數，將大大提高設備的造價，非常不經濟，因此，在無保護電阻的情況下的短路計算僅作為一種設備極限選型的參考，其短路能力分析如下:

①對于特高壓被試品進行試驗時，試驗變壓器的額定電流為4 A，要求其至少可以承受12 倍的額定電流的短路沖擊;

②對于500 kV 及以下被試品進行試驗時，試驗變壓器的額定電流為6.4 A，要求其至少可以承受20 倍的額定電流的短路沖擊;

③對于調壓器，要求其至少可以承受19 倍的額定電流的短路沖擊。

4 結論

從上述計算過程來看，交流污穢試驗電源在滿足短路電流的需求下，需盡量合理阻值的保護電阻，一方面可以減小榔梨變電站11 kV 母線的電壓降，另一方面可以減小短路電流對設備的沖擊。在進行不同電壓等級被試品的試驗時，為獲得最佳的試驗效果，其保護電阻取值和試驗變壓器的接線方式如下:

1)進行1100 kV 被試品試驗時，試驗變壓器的高壓側2 級串聯，低壓側2 級并聯。保護電阻原則上選用15 kΩ，以保證試品閃絡時榔梨變電站11 kV 母線側電壓跌落不超過5%。

2)在進行750 kV 被試品試驗時，試驗變壓器的高壓側2 級串聯，低壓側2 級并聯。保護電阻原則上選用12 kΩ，以保證試品閃絡時榔梨變電站11 kV 母線側電壓跌落不超過5%。

3)在進行500 kV 被試品試驗時，僅采用試驗變壓器的下級，低壓側2 級并聯。保護電阻原則上選用10 kΩ，以保證試品閃絡時榔梨變電站11 kV母線側電壓跌落不超過3%。

4)在進行330 kV 被試品試驗時，僅采用試驗變壓器的下級，低壓側2 級并聯(也可以串聯)。保護電阻原則上選用5 kΩ，以保證試品閃絡時榔梨變電站11 kV 母線側電壓跌落不超過3%。

5)在進行220 kV 被試品試驗時，僅采用試驗變壓器的下級，低壓側2 級串聯。保護電阻原則上采用5 kΩ，以保證試品閃絡時榔梨變電站11 kV母線側電壓跌落不超過3%。

6)在進行110 kV 被試品試驗時，僅采用試驗變壓器的下級，低壓側2 級串聯。保護電阻原則上采用1 kΩ，以保證試品閃絡時榔梨變電站11 kV母線側電壓跌落不超過3%。

文中通過對被試品短路時的短路沖擊電流峰值和有效值計算，分析了設備有保護電阻和無保護電阻時的設備抗短路能力要求，由于試驗時，設備均帶有保護電阻，且被試品閃絡時，短路電阻很少出現短路現象，因此，設備抗短路能力要求如下:

1)對于特高壓被試品進行試驗時，試驗變壓器的額定電流為4 A，要求其至少可以承受9 倍的額定電流的短路沖擊;

2)對于500 kV 及以下被試品進行試驗時，試驗變壓器的額定電流為6.4 A，要求其至少可以承受6 倍的額定電流的短路沖擊。

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