高耦合分裂電抗器的雷電沖擊特性研究

莫文雄 楊春 師利星 趙睿南 王勇 劉俊翔

摘要：隨著國家電力行業的不斷發展，許多事故發生時的短路電流已經接近或者超過設計初期的額定短路電流值，從而引發開斷裝置無法開斷電流與燒毀設備等一系列問題。目前解決此類問題的最有效的方法是使用大容量的短路電流開斷器，這種解決方式可以在不改變電網現狀的情況下靈活滿足短路電流容量增大的要求，但此法的缺點是電抗器易受雷電波影響。

本文介紹了高耦合分裂電抗器的工作原理與結構特點，利用集總參數法計算了一臺500kV，4MVar高耦合分裂電抗器的雷電沖擊特性。在分裂電抗器一側接地而另一側接入標準雷電波的情況下，分別計算了主絕緣通道與縱絕緣通道的電場強度。并最終通過試驗驗證了該計算的可靠性。

關鍵詞：高耦合;電抗器;雷電沖擊

中圖分類號：TM47

1 前言

隨著我國社會經濟的發展，電網中的短路電流超出現有斷路器通斷能力，已經成為嚴重威脅我國各大用電負荷中心電網的安全穩定運行的重大問題。

隨著電網規模不斷擴大，上述問題也在不斷加劇，限制短路電流的大小是解決短路能量對電網的影響的有效辦法之一。目前的主要措施和方法有：優化各個供電系統的結構、解環運行、提高電網的電壓等級、采用直流輸電、采用限流電抗器以及采用故障電流限制器等方法。與故障電流限制器相比，其它的限制短路電流方法在經濟性、安全性、靈活性、可靠性、穩定性上都有著各種不足。故障電流限制器作為短路電流限制裝置中的代表性設備，其具有損耗小、噪音低、維護工作量小、不易發生相間短路故障、電抗值線性度好、設計壽命長等優點，經過多年的研究和應用，故障電流限制器擁有著良好的的限流性能和成熟的技術，因此，使用故障電流限制器是解決上述問題的重要手段之一[1]。

限流器可分為超導型和常規型兩種，目前國內外在這兩種類型產品領域取得重大研究進展，先后開發了多種限流器，但影響限流器進入市場并得到推廣的因素很多，包括可靠性、經濟性、運維方便等多個方面。常規限流器中，固態限流器重復性好、動作快，但產品損耗高、所需器件多、造價貴，應用領域主要集中在配電網絡;磁飽和限流器動作快、恢復快，但控制復雜、體積龐大、造價高，在高電壓電網中較難推廣應用;諧振型限流器，由于存在并聯諧振型過電壓及諧振電流問題，無法在實際工程中得以應用。超導限流器的優點是動作快、可自觸發、限流深度大，但由于恢復時間長、占地大、造價貴，因此經濟性較差。

基于高耦合分裂電抗器和快速開關的經濟型交流限流器，其基本原理為“雙臂運行時電抗器處于低阻抗通流模式、單臂運行時電抗器處于高阻抗限流模式"，整體限流器具有超大短路電流抑制、可靠性高、低損耗、響應時間快、運維方便等功能。

本文研究了西安西電變壓器有限責任公司、廣東電網有限公司廣州供電局與華中科技大學聯合研究設計的一臺500kV 10MVar高耦合分裂電抗器的雷電沖擊特性。

2 高耦合分裂電抗器設計原理與基本參數

2.1基本原理

高耦合分裂電抗器（High Coupled Split Reactor- HCSR）由相互耦合的兩組線圈組成，一組線圈的兩端直接接入線路，另一個線圈的兩端通過快速開關接入線路。當兩組線圈同時通過電流時，兩線圈產生的磁通在公共磁路內相互抵消，線圈對外僅呈現為很小的漏感。而當兩組線圈電流不均衡或只有單個線圈通流時，對應的線圈對外呈現出很大的單臂電感，能夠有效限制對應支路的故障電流。

上述原理可以實現在系統正常工況下高耦合分裂電抗器對外呈現為低阻抗，故障時HCSR呈現單臂大電感限制短路電流。由于高耦合分裂電抗器的上述作用，使得基于高耦合分裂電抗器和快速開關的限流器在故障時可以有效限制故障電流，正常運行時對系統幾乎沒有影響。

高耦合分裂電抗器的接連原理圖如圖1所示，所有奇數號包封組成1#臂線圈，采用下進線上出線方式;所有偶數號包封組成2#臂線圈，采用上進線下出線方式 。1#臂線圈與2#臂線圈的進出線方式相反，使得整個高耦合分裂電抗器在正常運行時兩臂產生的磁通相互抵消，呈現為低阻抗狀態。

2.2 HCSR結構特點

500kV高耦合分裂電抗器整體為干式空心結構，主要由澆注式結構線圈、高強度鋁合金星形架、復合支柱絕緣子、玻璃鋼材質防雨罩等組成。其基本原理和傳統的分裂電抗器有所不同，包括兩組產生相反磁通的耦合線圈，從結構上來看，干式空心高耦合分裂電抗器只有繞組、沒有鐵心，線圈由若干并聯的電感線圈同軸組裝在一起，再由位于線圈上部和下部的星形架（匯流排）固定。

線圈結構示意圖和總體結構示意圖如圖2所示：

2.3 HCSR主要參數

根據新型的斷路器并聯方案，研制的HCSR適用于500kV電壓等級，HCSR的各項參數如表1所示。

3 HCSR的雷電沖擊計算

隨著各種電抗器在電力系統中的大量使用，由于存在產品質量潛在隱患和絕緣老化的因素，電抗器的損壞時有發生[2-6]。澆注式線圈作為高耦合分裂電抗器的核心部件，它的匝間及臂間過電壓情況是絕緣設計的關鍵。本文結合了實驗所用的高耦合分裂電抗器的結構特點，對1#臂與2#臂進行了沖擊電壓試驗，最后得到了電抗器內部線匝的電位及臂間電壓分布情況。

高耦合電抗器損壞的主要原因是由于絕緣缺陷造成匝間短路造成的。絕緣設計是HCSR應用于高電壓等級電網時面臨的關鍵問題。在限流器運行過程中，HCSR主要受到兩種過電壓的沖擊：操作過電壓和雷電過電壓。而雷電過電壓對于整個設備的影響最為嚴重。因此對HSCR進行雷電沖擊試驗是十分必要的。

根據高耦合電抗器運行特點，雷電可能從1#臂的兩端侵入，而2#臂的兩端接地，如圖三所示;也有可能從2#臂的兩端侵入，而1#臂的兩端接地。

入波為1.2/50μs標準雷電波，幅值為145kV時，經過試驗測得各包封間的最大電壓梯度如表2所示。

當1#臂雙端入波，2#臂雙端接地情況。入波為1.2/50μs標準雷電波，幅值為145kV時，各個包封的對地電位如圖4所示。而當2#臂雙端入波，1#臂雙端接地情況。入波為1.2/50μs標準雷電波，幅值為145kV時，各個包封的對地電位如圖5所示。

從計算結果來看，包封間主絕緣最大電壓差出現在第7到第8包封間的主絕緣通道，其值為28.4kV。根據設計參數，兩個包封間的主絕緣距離為49.4mm，其中絕緣材料包含聚酰亞胺膜、DMD和環氧樹脂，將上述材料都折算到空氣，主絕緣通道內的電場強度為1.6kV/mm，而空氣的擊穿場強為3.0kV/mm，則安全裕度為1.875。

環氧樹脂的擊穿強度為21 kV/mm，聚酰亞胺薄膜的擊穿強度達到329kV/mm[7]，本產品環氧樹脂厚度為9mm，聚酰亞胺膜絕緣厚度為1.2mm，經計算可以耐受的工頻電壓大于180kV，考慮到雷電與工頻的電壓的折算系數，則耐受電壓更要高于這一值。故對于高耦合電抗器來講，主絕緣與縱絕緣的均是安全的。

4結論

通過以上的試驗數據分析可知分析得出在奇數包封和偶數包封分別接入雷電沖擊波進行雷電沖擊試驗時，包封主通道所承受的電壓與正常運行時差異較大。但是這兩種入波方式之間的差異卻并不大，且每個包封通道所承受的電壓差均在30kV之內，最大值出現在第7到第8包封間的主絕緣通道，其值為28.4kV。而根據高耦合分裂電抗器的設計標準，包封主通道間可承受的最大電壓差為53.25kV，包封主通道的安全裕度為1.85。即可認為入波為1.2/50μs標準雷電波，幅值為145kV時，包封主絕緣符合安全標準。

對于每個單獨的包封，對地電位隨著餅數的增加先增大后減小。電壓小于可以耐受的工頻電壓180kV。

綜上所述該產品完成了廠內的雷電沖擊試驗，證明了計算程序的準確性。

參考文獻

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作者簡介：

莫文雄

1971—，男，碩士，教授級高工

長期從事電力技術監督管理和電力生產管理工作。

師利星（通訊作者）

1984—，男，本科，高級工程師

長期從事電抗器產品的設計研究工作。