沖擊電容器直流疊加操作沖擊回路仿真分析

2019-09-17 01:05:48張晨萌1陳芒芒鑫3孫鵬宇

四川電力技術(shù) 2019年4期

張晨萌1，陳芒芒，王鑫3，孫鵬宇

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川成都 610041；2.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川成都 610021；3.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044)

0 引言

由于中國(guó)一次能源中心與負(fù)荷中心在地域上跨度很大，為合理優(yōu)化國(guó)家能源配置，充分發(fā)揮西南地區(qū)水力資源的作用，國(guó)家電網(wǎng)公司近年加快了特高壓直流輸電工程的建設(shè)[1-3]。中性母線沖擊電容器作為直流回路和濾波回路發(fā)生故障時(shí)的電流流通回路，是換流站中性母線保護(hù)的重要組成部分。近年來(lái)，由沖擊電容器故障引發(fā)的換流站事故時(shí)有發(fā)生：2011年7月30日龍政直流中性母線曾發(fā)生極中性母線電容器擊穿事件[4]，宜都站、政平站已經(jīng)進(jìn)行了中性線電容更換；2014年5月25日，三廣直流工程鵝城站極線故障，極Ⅰ中性線電容器破裂損毀。

沖擊電容器運(yùn)行條件特殊，目前對(duì)沖擊電容器的絕緣老化機(jī)理、絕緣狀態(tài)評(píng)估方法等在國(guó)內(nèi)外尚缺乏深入研究。為研究換流站中性母線側(cè)運(yùn)行的沖擊電容器在實(shí)際環(huán)境中的絕緣老化情況，需要同時(shí)考慮正常運(yùn)行狀態(tài)下電容器承受的直流電壓和故障時(shí)侵入電容器的沖擊過電壓。考慮與電容器并聯(lián)的避雷器對(duì)雷擊過電壓的限制作用，下面僅模擬對(duì)電容器同時(shí)施加直流電壓和操作沖擊電壓的情況。

1 試驗(yàn)回路

試驗(yàn)電路如圖1所示，包含：沖擊電壓發(fā)生器，400 kV/40 kJ，共8級(jí)，單極額定電壓50 kV，單極電容3.99 μF，保護(hù)電阻48 kΩ，波前電阻及放電電阻阻值見3.2節(jié)；沖擊電壓發(fā)生器的對(duì)地雜散電容和高壓引線及球隙等的電容，Cg1、Cg2，取500 pF；Cm1、Cm2組成電容分壓器，采用MWF400-1200型脈沖電容器，額定沖擊電壓400 kV，電容值1188 pF；耦合電容Cc，50 μF；沖擊電容器試品Cs，額定電壓12 kV，電容值0.6 μF；保護(hù)電阻R0，3 kΩ，整流硅堆STACK；交流220 V電壓源；隔離變壓器T1；調(diào)壓變壓器T2；升壓變壓器T3。

圖1 電容器疊加電壓老化試驗(yàn)回路

試驗(yàn)回路工作原理如下：

1)交流電源由圖1中右側(cè)輸入電壓，通過整流硅堆使沖擊電容器試品Cs兩端加直流電壓。

2)操作沖擊電壓由圖1中左側(cè)沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生，通過耦合電容Cc輸出至電容器試品Cs兩端。Cm1、Cm2組成電容分壓器用于測(cè)量沖擊電壓發(fā)生器輸出端電壓。

3)直流電壓產(chǎn)生部分與操作沖擊電壓產(chǎn)生部分由耦合電容Cc進(jìn)行連接。耦合電容既可以避免直流電壓侵入沖擊電壓發(fā)生器，同時(shí)能夠保證操作沖擊電壓無(wú)畸變地通過耦合電容加到?jīng)_擊電容器試品兩端。

2 試驗(yàn)電壓

2.1 操作沖擊電壓

以某±500 kV直流輸電工程首端換流站中性母線沖擊電容器組為對(duì)象，電容器組型式及參數(shù)見表1。

±500 kV換流站中性線電容器故障電壓最大波峰值、波谷值見表2，將明顯幅值偏大的數(shù)據(jù)置于前端。從表2可見僅約15%的故障電壓的最大波峰值及最大波谷值遠(yuǎn)超過平均值。排除15%故障電壓偏大值，中性母線故障電壓最大波峰平均值為1.333 kV，中性母線故障電壓最大波谷平均值為-2.269 kV，均遠(yuǎn)小于電容器單元的額定電壓13.5 kV，經(jīng)過換算，分別約占電容器單元額定電壓的0.985%和1.68%。

表1 ±500 kV換流站中性線電容器

表2 ±500 kV換流站中性線電容器故障電壓

對(duì)于研究對(duì)象12 kV、0.6 μF電容器，取保守偏大值2%Un時(shí)，則沖擊電壓峰值僅為0.24 kV。GB/T 20993-2012《高壓直流輸電系統(tǒng)用直流濾波電容器及中性母線沖擊電容器》中定義了中性母線沖擊電容器組額定電壓與電容器組的操作沖擊耐受水平(峰值)的關(guān)系為[5]。

(1)

但該標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)端子與外殼間雷電沖擊電壓試驗(yàn)(型式試驗(yàn))進(jìn)行了說明，并未對(duì)操作沖擊電壓試驗(yàn)提供指導(dǎo)意見。

在約占15%比例的中性母線故障電壓偏大值中，最嚴(yán)重時(shí)中性母線故障電壓最大波峰值為49.731 kV，最大波谷值為-63.807 kV，分別約為電容器單元額定電壓的36.84%和47.26%，并且最大波谷值比最大波峰值更大。JB/T 8168-1999《脈沖電容器及直流電容器》中對(duì)用于沖擊電壓的直流電容器的耐久性能的定義為，在額定電壓下，按規(guī)定的波形或電路參數(shù)充放電次數(shù)達(dá)到10 000次[6]。

綜合考慮試驗(yàn)的時(shí)間成本及實(shí)際故障電壓峰值、極性影響，沖擊電容器直流電壓疊加操作沖擊電壓老化試驗(yàn)的沖擊電壓峰值定為-1.2Un、-1.5Un、-1.8Un、-2.2Un、-2.6Un，即-14.4 kV、-18 kV、-21.6 kV、-26.4 kV、-31.2 kV。

2.2 直流電壓

同樣以2.1節(jié)中的±500 kV直流輸電工程首端換流站中性母線沖擊電容器組為對(duì)象，中性母線直流電壓U0=I0R0，其中：I0為單極大地回線運(yùn)行時(shí)接地極注入電流；R0為直流接地極線路電阻與接地極接地電阻之和。該站接地極線路參數(shù)如表3，±500 kV換流站接地極接地電阻一般小于0.1 Ω，此處計(jì)算取0.08 Ω，其誤差相對(duì)于接地極線路電阻值很小。

表3 ±500 kV首端換流站接地極線路參數(shù)

所以R0為0.162 225 Ω，I0取3 kA[7]時(shí)，得中性母線直流電壓為0.486 675 kV，考慮一定的裕度取1 kV。

3 試驗(yàn)回路仿真

3.1 電容器疊加電壓老化電路

沖擊電容器直流電壓疊加沖擊電壓老化試驗(yàn)回路經(jīng)過簡(jiǎn)化，得到電路原理圖如圖2所示。

圖2 電容器疊加電壓老化電路

圖中：Cim為充電電容，取沖擊電壓發(fā)生器1級(jí)電容，電容值為3.99 μF；Rf為波前電阻，Ω；Rt為放電電阻，Ω；Cr為不計(jì)入試品電容的負(fù)荷電容，1688 pF；Cc為耦合電容，50 μF；Cs為電容器試品，0.6 μF；R0為保護(hù)電阻，3 kΩ。

3.2 波前電阻及放電電阻

先不考慮直流電壓側(cè)影響，假定沖擊發(fā)生器簡(jiǎn)化回路為高效率回路(忽略內(nèi)部阻尼電阻)，不考慮回路電感影響，采用簡(jiǎn)化回路的非近似計(jì)算方法，如式(2)。

(2)

而總負(fù)荷電容Cr1由式(3)得到。

Cr1=Cr+CcCs/(Cc+Cs)

(3)

對(duì)0.6 μF的沖擊電容器試品Cs而言，串聯(lián)一個(gè)電容值約為其10倍的耦合電容Cc，其電容值由0.6 μF變?yōu)?.593 μF，變化率僅約1%，對(duì)總負(fù)荷電容大小的影響很小。而不計(jì)入試品電容的負(fù)荷電容Cr為1688 pF，僅為沖擊電容器試品Cs的0.28%。綜合以上分析，忽略不計(jì)入試品電容的負(fù)荷電容和耦合電容，得到T0=3 217.472 s，波前電阻Rf=120.157 1 Ω，放電電阻Rt=683.777 8 Ω。

為研究直流電壓對(duì)沖擊電壓發(fā)生器輸出波形的影響以及連接操作沖擊電壓側(cè)與直流電壓側(cè)的耦合電容對(duì)試品電壓波形的影響，基于電磁暫態(tài)仿真軟件pscad，使用常用器件搭建了使用時(shí)控開關(guān)控制的電容器直流疊加操作沖擊電壓的仿真模型，如圖3所示。時(shí)控開關(guān)BRK和BRK1的斷開電阻為1 GΩ，閉合電阻為0 Ω。仿真時(shí)長(zhǎng)為1.6 s，仿真步長(zhǎng)1 μs，以U1=-2.6Un=-31.2 kV交流電源降低至波谷的時(shí)刻1.425 s為動(dòng)作時(shí)刻，在1.425 s前開關(guān)BRK1閉合，開關(guān)BRK打開，在1.425 s時(shí)刻打開開關(guān)BRK1，閉合開關(guān)BRK，得到?jīng)_擊電壓發(fā)生器輸出端電壓波形，這同時(shí)也是電容器試品承受的電壓波形(見圖4)。為便于觀察，沖擊電壓發(fā)生器輸出波形及試品兩端電壓波形均為反極性波形。

圖4的無(wú)耦合電容沖擊電壓發(fā)生器輸出電壓波形為419 μs/3909 μs，峰值為30.925 kV。IEC 60060-1:1989及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16927.1-2011規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓的波前時(shí)間Tf為250±20%μs，即200～300 μs，半峰值時(shí)間Tt為2500±60 %μs，即1000～4000 μs。此時(shí)操作沖擊電壓波頭時(shí)間超過了規(guī)定范圍。

圖3 無(wú)耦合電容疊加電壓老化電路

圖4 無(wú)耦合電容沖擊電壓發(fā)生器輸出電壓波形

修正電路將波前電阻Rr降低至70 Ω后，得到操作沖擊電壓波形為280 μs/3645 μs，峰值為31.08 kV。

3.3 直流電源

在老化試驗(yàn)電路中考慮直流電源及保護(hù)電阻3 kΩ后，調(diào)整直流電源電壓至5 kV，沖擊前電容器試品兩端直流電壓約1 kV。操作沖擊電壓波形276 μs/3542 μs，幅值30.49 kV，如圖5所示。可見，直流電源對(duì)混合沖擊電壓波形影響極小，但在無(wú)耦合電容連接沖擊電壓發(fā)生側(cè)和直流電壓側(cè)時(shí)，需要大幅提高直流側(cè)電壓至5 kV來(lái)使電容器試品兩端直流電壓達(dá)到試驗(yàn)要求。

圖5 無(wú)耦合電容修正電路電容器試品疊加沖擊電壓波形

3.4 耦合電容

耦合電容Cc電容值為50 μF。仿真時(shí)長(zhǎng)調(diào)整為2.6 s，時(shí)控開關(guān)動(dòng)作時(shí)間調(diào)整為2.425 s，直流電源電壓調(diào)整為1 kV，此時(shí)沖擊電壓發(fā)生器輸出端電壓波形如圖6，沖擊波形為274 μs/3477 μs，峰值30.4 kV，而沖擊發(fā)生前電壓基本為0，與無(wú)耦合電容下沖擊電壓波形及幅值基本一致。因此，可以認(rèn)為直流電源對(duì)沖擊電壓發(fā)生器的沖擊電壓并無(wú)影響。電容器試品上的疊加沖擊波形為263 μs/3467 μs，峰值31 kV，如圖7所示。可見帶耦合電容后，電容器試品端電壓峰值由30.49 kV增大至31 kV，變化幅度約1.67%。