直流試驗(yàn)線段用阻波器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙錄興，高 磊

(1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.國網(wǎng)西藏電力有限公司電力科學(xué)研究院，西藏 拉薩 850000)

0 引言

高壓直流輸電線路在正常運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)線表面因電暈放電會(huì)產(chǎn)生脈沖式的電暈電流。電暈電流注入導(dǎo)線后沿導(dǎo)線向兩側(cè)傳輸，在導(dǎo)線周圍空間產(chǎn)生無線電干擾[1]，可能會(huì)對輸電線路附近的調(diào)幅廣播接收設(shè)施和各類雷達(dá)、導(dǎo)航臺(tái)造成影響[2]。因此，在進(jìn)行輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)，必須對線路電暈產(chǎn)生的無線電干擾水平加以控制[3]。目前，在預(yù)測直流線路的無線電干擾時(shí)，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式法[4]，而經(jīng)驗(yàn)公式的各種關(guān)鍵參數(shù)基本是依托試驗(yàn)線段開展現(xiàn)場測試獲得的。

直流試驗(yàn)線段的首端需要連接高壓試驗(yàn)電源、但由于試驗(yàn)線段長度有限，直流高壓試驗(yàn)電源因硅堆整流產(chǎn)生的諧波電流不可避免地會(huì)傳播到試驗(yàn)導(dǎo)線上，對試驗(yàn)線段的無線電干擾測量產(chǎn)生干擾。為了隔斷來自試驗(yàn)電源側(cè)的諧波干擾，往往需要在試驗(yàn)線段和高壓試驗(yàn)電源之間串接一個(gè)阻波器。此外，阻波器對高頻電流信號表現(xiàn)出的高阻抗特性，還可避免試驗(yàn)線段上的電暈電流流入電源側(cè)，使試驗(yàn)線段首端也近似實(shí)現(xiàn)開路狀態(tài)的效果。這對于簡化試驗(yàn)線段上的電暈電流波過程分析具有重要作用。

目前，國內(nèi)外對于高壓變電站電力載波阻波器的研究較為深入，但對試驗(yàn)線段無線電干擾測量用阻波器研究則相對較少。國際無線電干擾特別委員會(huì)在其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中[5]，建議阻波器對所測頻率上的信號衰減應(yīng)不小于35 dB。文獻(xiàn)[6]通過理論分析，給出了阻波器在交流特高壓試驗(yàn)線段無線電干擾測量中的作用。但上述文獻(xiàn)均未涉及阻波器參數(shù)的確定方法。

為開展直流輸電線路的無線電干擾研究，中國電科院在北京建設(shè)了直流模擬試驗(yàn)線段。本文針對該試驗(yàn)線段，首先，基于EMTP仿真軟件，建立了阻波器和試驗(yàn)線段的仿真計(jì)算模型，研究了阻波器各參數(shù)取值變化對阻波器衰減特性的影響，推薦了適用于直流試驗(yàn)線段的阻波器參數(shù)方案；接著，基于ANSYS Maxwell軟件，對阻波器在最高試驗(yàn)電壓下均壓罩的表面場強(qiáng)進(jìn)行了計(jì)算校核，確保阻波器表面不發(fā)生明顯電暈；最后，將研制的阻波器安裝于試驗(yàn)線段上，并開展了試驗(yàn)線段無線電干擾測試。通過對比安裝阻波器前后的測試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了阻波器設(shè)計(jì)方案的合理性。

1 直流模擬試驗(yàn)線段

直流模擬試驗(yàn)線段主要用于開展電磁環(huán)境試驗(yàn)研究。其線路長度為100 m，兩端掛線塔采用自立式鋼管門型架，線路極間距6 m，導(dǎo)線對地最小高度為7 m，架設(shè)導(dǎo)線型式為4×LGJ-95/15，分裂間距45 cm。線段末端開路，首端連接高壓直流試驗(yàn)電源，試驗(yàn)電源最高輸出電壓為400 kV。

2 阻波器參數(shù)確定方法

阻波器在物理上可等效為電感LW和雜散電容CW并聯(lián)的電氣元件，與線路的等效對地電容C0和高壓直流試驗(yàn)電源共同組成了一個(gè)濾波電路。試驗(yàn)線段連接阻波器的等效電路模型如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)線段連接阻波器的等效電路模型

采用EMTP軟件[7-9]，對圖1的等效電路進(jìn)行建模。計(jì)算模型中，試驗(yàn)線段采用JMarti分布參數(shù)模型，直流高壓試驗(yàn)電源可等效為阻容并聯(lián)結(jié)構(gòu)元件。其等效電容值約為0.478 μF，電阻值約為400 MΩ。計(jì)算時(shí)，假定試驗(yàn)線段中間位置發(fā)生電暈，即在線路中間位置注入不同頻率、幅值相同的交變電流，通過求解從阻波器流入電源端的電流大小，即可得到阻波器對不同頻率電暈電流的衰減特性。圖2給出了電容CW為20 μF時(shí)，電感LW取不同值時(shí)阻波器對高頻電流的衰減特性曲線。圖3給出了電感LW為20 mH時(shí)，電容CW取不同值時(shí)阻波器對高頻電流的衰減特性曲線。

圖2 電感變化時(shí)阻波器輸出電流衰減特性曲線(CW=20 μF)

圖3 電容變化時(shí)阻波器輸出電流衰減特性曲線(LW=20 mH)

由圖2和圖3可知:①對于直流試驗(yàn)線段，當(dāng)阻波器電感和電容取值相匹配時(shí)，在某些頻率下濾波電路將發(fā)生諧振，在諧振頻率處阻波器對流過電流的衰減效果最為明顯，在實(shí)際測試時(shí)可利用該特性有針對性地對消除某一頻率的諧波干擾；②在電容值固定的情況下，增加阻波器的電感，對于1 MHz以上的頻段范圍的電流衰減量基本沒有影響；③在電感值固定的情況下，減小阻波器的電容，可有效增加阻波器的等值電抗，從而使全頻段范圍的電流衰減量效果均有不同程度的提升。

根據(jù)國際無線電干擾特別委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，阻波器對無線電干擾所處頻率的電暈電流衰減量應(yīng)不小于35 dB。研究表明，直流線路的無線電干擾的頻率區(qū)間基本上集中在10 MHz以下。表1給出了阻波器取不同參數(shù)時(shí)的阻波器衰減量。對于阻波器而言，增大電感較為容易，但減小電容則較為困難。因此，阻波器電容數(shù)值選取不宜過小。綜合考慮技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性，對于本文的直流試驗(yàn)線段，阻波器設(shè)計(jì)要求為電容值不大于15 pF，電感值不小于20 mH。

表1 阻波器取不同參數(shù)時(shí)阻波器衰減量

根據(jù)以上參數(shù)建議，研制了適用于直流試驗(yàn)線段的阻波器。阻波器外形及尺寸如圖4所示。

圖4 阻波器外形及尺寸

阻波器由兩個(gè)圓環(huán)形均壓罩和絕緣套筒組成，均壓罩材料為鋁制，絕緣套筒采用環(huán)氧樹脂材料，筒壁上均勻纏繞細(xì)圓銅絲構(gòu)成螺線圈電感。阻波器結(jié)構(gòu)高度為1.2 m，均壓罩外徑為0.8 m，管徑為0.2 m，絕緣套筒外徑為0.4 m。

空心螺線圈的自感可根據(jù)文獻(xiàn)[8]推薦的公式計(jì)算。計(jì)算公式如下:

(1)

式中:L為線圈自感，μH；R為螺線圈的半徑，cm；N為總匝數(shù)；l為螺線圈的垂直高度，cm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，研制的阻波器電感值約為28 mH。阻波器的電容主要由兩部分組成，分別為上下均壓罩之間的電容和線圈繞組間的雜散電容。通過仿真計(jì)算，均壓罩之間的電容值約為11 pF，電感線圈繞組之間的雜散電容之和不超過4.5 pF，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3 阻波器表面電場強(qiáng)度校核

阻波器串聯(lián)接入試驗(yàn)回路中，在試驗(yàn)時(shí)將承受較高電壓。為了避免阻波器自身發(fā)生電暈對無線電干擾測量產(chǎn)生影響，其均壓罩的設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮在最大試驗(yàn)電壓下不發(fā)生電暈。為此，本文利用三維電場計(jì)算軟件，建立了阻波器的三維有限元仿真模型，并對均壓罩表面的電場強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。阻波器均壓罩表面電場分布云圖(電壓400 kV)如圖5所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，均壓罩表面的最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在均壓罩的外側(cè)，最大值約為18 kV/cm，其他大部分區(qū)域的電場強(qiáng)度均小于16 kV/cm。根據(jù)我國特高壓直流工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[9]，各類小尺寸金具和均壓環(huán)的表面場強(qiáng)按照不大于20 kV/cm控制。因此，本文所設(shè)計(jì)的阻波器在最大試驗(yàn)電壓下不會(huì)發(fā)生較為明顯的電暈放電，滿足電暈控制要求。

圖5 阻波器均壓罩表面電場分布云圖(電壓400 kV)

4 試驗(yàn)線段安裝阻波器后的效果

將研制的阻波器安裝于直流試驗(yàn)線段上，阻波器頂端與試驗(yàn)線段耐張絕緣子串均壓環(huán)直接相連，末端與直流高壓試驗(yàn)電源相連。在阻波器連接到線路前后，對試驗(yàn)線段中間位置處的無線電干擾進(jìn)行了測試，得到了有無阻波器時(shí)的無線電干擾頻譜特性曲線對比。試驗(yàn)線段首端有無阻波器的無線電干擾頻譜曲線對比如圖6所示。

圖6 有無阻波器的無線電干擾頻譜曲線對比圖

由圖6的頻譜特性曲線對比結(jié)果可以看出:未安裝阻波器前，無線電干擾的頻譜特性雜亂無章沒有規(guī)律；安裝阻波器后，無線電干擾頻譜的波峰-波谷交替出現(xiàn)的趨勢更清晰，且波峰與波峰之間頻率間隔相等，約為1.38 MHz。直流模擬試驗(yàn)線段全長100 m，弧垂3 m。若考慮電源引線長度5 m，總長度約為108 m，根據(jù)文獻(xiàn)[10]的計(jì)算方法，在兩端開路的試驗(yàn)線段中間位置的無線電干擾頻譜曲線波峰-波峰的頻率間隔計(jì)算值約為1.39 MHz，與測試結(jié)果基本一致，證明了本文所設(shè)計(jì)的阻波器的有效性。

5 結(jié)論

本文研究了阻波器各參數(shù)取值變化對阻波器衰減特性的影響，推薦了阻波器參數(shù)設(shè)計(jì)方案。首先，綜合考慮技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性，對于本文的直流試驗(yàn)線段，阻波器設(shè)計(jì)要求為電容值不大于15 pF，電感值不小于20 mH。

其次，對阻波器均壓罩的表面電場強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算校核，在400 kV試驗(yàn)電壓下，均壓罩表面電場強(qiáng)度不大于18 kV/cm，滿足電暈控制要求。最后，利用研制的阻波器，開展了試驗(yàn)線段上的無線電干擾測量，無線電干擾頻率特性規(guī)律得到極大改善，驗(yàn)證了阻波器設(shè)計(jì)方案的合理性。