空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)用脈沖振蕩電路 摘要:諸多標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)允許對干式空心電抗器進(jìn)行脈沖振蕩匝間過電壓試驗(yàn)．為了探討其可實(shí)施性，本文對該脈沖振蕩電路進(jìn)行了分析和試驗(yàn)研究．由于要求快速重復(fù)對電容充電及通過球隙直接對電抗器放電，這個(gè)脈沖振蕩電路與傳統(tǒng)的沖擊電壓發(fā)生器不同．對電容充電可以采用半波整流電路實(shí)現(xiàn);受空氣電離影響，靠球隙自然放電的回路不能在電抗器上得到滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定幅值的穩(wěn)定試驗(yàn)電壓．試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由于相同電壓下可控放電對應(yīng)間隙比自然放電對應(yīng)的間隙大，重復(fù)放電條件下，依靠觸發(fā)可以控制球隙的工作狀態(tài)，在電抗器上得到了幅值穩(wěn)定的脈沖振蕩電壓．研究結(jié)果表明:為了保證干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)的實(shí)施，采用可控放電技術(shù)是必要和可行的．
關(guān)鍵詞:電抗器;匝間絕緣;過電壓試驗(yàn);脈沖振蕩電路;可控放電
0.引言
隨著干式空心電抗器在電力系統(tǒng)中的大量使用，產(chǎn)品質(zhì)量潛在隱患或絕緣老化的因素，電抗器損壞事故時(shí)有發(fā)生．干式空心電抗器損壞的主要原因是絕緣缺陷造成匝間短路引發(fā)的［1－9］．所以，在制造廠和電力系統(tǒng)現(xiàn)場加強(qiáng)匝間絕緣檢測，確保電抗器安全運(yùn)行非常必要．
干式空心電抗器只有一個(gè)繞組且磁路開放，常規(guī)的感應(yīng)電壓法不能進(jìn)行匝間絕緣試驗(yàn)．采用沖擊電壓替代感應(yīng)電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)少且匝間故障引起的波形差異很難辨別，使用效果差，有通過了沖擊電壓試驗(yàn)的電抗器投運(yùn)后便燒毀的不良記錄［10］．匝間過電壓試驗(yàn)對電抗器施加連續(xù)高壓脈沖，施加脈沖次數(shù)多且能量密度大，且多周期的振蕩波形更有利于發(fā)現(xiàn)匝間絕緣短路故障，是較理想的匝間絕緣試驗(yàn)方法［10－14］．對于35 kV 及以下電壓等級的干式空心電抗器，國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60076－6－2007、國家標(biāo)準(zhǔn)GB1094.6－2011、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5346、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL462及國家電網(wǎng)公司“10kV～66kV干式電抗器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”都允許采用匝間過電壓替代感應(yīng)電壓和沖擊電壓做匝間絕緣試驗(yàn)．行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10775直接要求對干式空心電抗器進(jìn)行脈沖振蕩匝間過電壓試驗(yàn)項(xiàng)目［15－20］．新實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB1094.6－2011中詳細(xì)規(guī)定了這種脈沖振蕩匝間過電壓試驗(yàn)方法，它與傳統(tǒng)的沖擊電壓發(fā)生器有很大差異，實(shí)施起來有難度．本文對脈沖振蕩電路的工作原理進(jìn)行了分析，對采用可控放電技術(shù)的脈沖振蕩電路進(jìn)行了試驗(yàn)研究．
1.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法
1.1標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定
GB1094. 6 給出干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)的電路(圖1)．原理描述為:匝間過電壓試驗(yàn)是通過重復(fù)地對一個(gè)電容充電并經(jīng)球隙對電抗器放電來實(shí)現(xiàn)．施加在電抗器上的過電壓類型如一個(gè)具有指數(shù)衰減正弦波形的操作沖擊．試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間1min，每次放電的初始峰值應(yīng)為1.33槡2倍(戶外設(shè)備)或槡2倍(戶內(nèi)設(shè)備)，GB1094.3的表2和表3給出的額定短時(shí)感應(yīng)或外施耐壓試驗(yàn)電壓(r．m．s．)，對于35kV電壓等級及以下的干式空心電抗器，試驗(yàn)電壓峰值最高應(yīng)滿足160kV．響應(yīng)頻率是繞組電感和充電電容的函數(shù)，一般在100 kHz 數(shù)量級．試驗(yàn)應(yīng)包含不低于3000個(gè)要求幅值的過電壓．標(biāo)準(zhǔn)中約束了每次初始電壓峰值、試驗(yàn)時(shí)間和放電次數(shù)三個(gè)參數(shù)．
1.2試驗(yàn)方法基本原理
電抗器上形成脈沖振蕩電壓波形是通過對充電電容的放電實(shí)現(xiàn)的．放電回路電阻R包括球隙放電通道電阻和電抗器的等效電阻，這樣構(gòu)成的回路電阻最小，容易滿足振蕩條件．設(shè)電容器的初始充電電壓為UC0，回路電流、電容器和電抗器上的電壓可以簡化成下式當(dāng)電抗器出現(xiàn)匝間短路故障后，電感量減小且損耗增加．由式(3)與式(4)可以看出，電抗器波形的振蕩周期將減小，幅值的衰減速度也將加快，這可作為匝間短路故障判別的主要依據(jù)．利用示波器記錄分壓器低壓臂的電壓波形，通過波形比較來確定匝間短路故障．
2.試驗(yàn)電路分析
2.1脈沖振蕩試驗(yàn)電路與沖擊電壓發(fā)生器比較
脈沖振蕩試驗(yàn)電路單次工作過程與沖擊電壓發(fā)生器的工作過程類似: 首先需要對充電電容進(jìn)行充電，然后對充電電容放電． 但充電回路與放電回路與沖擊電壓發(fā)生器都不相同．要在1min時(shí)間內(nèi)完成3000次放電，就需要對充電電容進(jìn)行相同次數(shù)的充電．而沖擊電壓發(fā)生器對充電沒有如此高的要求，只需數(shù)秒完成1次．放電電路也不像沖擊電壓發(fā)生器那樣存在波頭制動電阻和波尾制動電阻，而是充電電容與電抗器直接形成阻尼振蕩．
2.2充電電路分析
直流供電作為電容充電電源，最高160kV的工作電壓，可選用半波整流電路來實(shí)現(xiàn)．僅對電容充電，沒有其他阻性負(fù)載，也不必要額外濾波．在50 Hz供電頻率下，半波整流電路1 min 可以完成3 000 次充電，滿足國標(biāo)對充放電次數(shù)的要求．
直流高壓供電電源與充電電容并聯(lián)，當(dāng)電容放電時(shí)，直流高壓電源會同時(shí)參與工作．這樣不僅會破壞放電回路的工作條件，而且可能由于過流損壞高壓電源．因此，在直流供電與充電電容之間必須放置一個(gè)高壓保護(hù)電阻來減小對放電過程的影響并保護(hù)高壓電源，它也會減緩對電容的充電速度，取值時(shí)要兼顧．圖2 是半波整流充電電路．T1為調(diào)壓器，調(diào)節(jié)試驗(yàn)電壓大小;T2為試驗(yàn)變壓器，起升壓作用;D1為整流用高壓硅堆;R1為保護(hù)電阻．
2.3放電電路分析
圖1中電路的放電利用球隙實(shí)現(xiàn)，放電回路能否正常工作取決于球隙放電的穩(wěn)定性．一般情況下，球隙單次自然放電電壓穩(wěn)定．但放電會造成空氣電離，球隙間的離子會改變電場，造成自然放電電壓下降．要保證放電穩(wěn)定，一般兩次放電要有1min間隔．在1min完成3000次放電，球隙的自然放電電壓會迅速降低．持續(xù)工作時(shí)間越長，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重．球隙放電后，適當(dāng)增大球隙間隙可以提高球隙的放電電壓，由于空氣離子分布的不確定性，也不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的放電．在這種情況下，電容Cc上的充電電壓還未達(dá)到試驗(yàn)電壓幅值時(shí)，球隙便發(fā)生放電．式(3)中的UC0減小，電抗器上得到脈沖振蕩波形的幅值會降低，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的每次放電電壓幅值非常困難，而且每個(gè)工作周期可能發(fā)生多次放電．在實(shí)驗(yàn)室利用圖1電路初步試驗(yàn)研究時(shí)就遇到了這個(gè)問題，沒能在干式空心電抗器上得到幅值穩(wěn)定地脈沖振蕩電壓波形．
利用orcad軟件分析球隙放電電壓對脈沖振蕩電路影響，可直觀地說明這一現(xiàn)象．保護(hù)電阻為40kΩ，充電電容為6nF，電抗器試品為10mH，放電回路阻抗為50Ω，得到充電電容工作電壓波形見圖3．穩(wěn)定放電時(shí)，充電電容每個(gè)工頻周期充放電1次，充電電容上能得到接近交流電源電壓峰值的充電電壓．當(dāng)球隙放電電壓下降時(shí)，電容充電電壓達(dá)到交流電源電壓峰值前便開始放電．放電回路振蕩過程結(jié)束后，放電球隙開路，交流電源繼續(xù)對充電電容充電，充電電壓仍能滿足球隙放電電壓條件，又會出現(xiàn)一次放電．如此，一個(gè)工頻周期可能完成了多次充放電，但每次電壓幅值都不能滿足試驗(yàn)要求．
出現(xiàn)以上問題的原因是在重復(fù)放電條件下球隙自然放電電壓下降． 可嘗試可控放電來解決這個(gè)問題．在一個(gè)球上增加點(diǎn)火針，利用觸發(fā)實(shí)現(xiàn)可控放電．在不觸發(fā)狀態(tài)下，球隙電場為稍不均勻電場，且間隙大，自然放電電壓遠(yuǎn)大于試驗(yàn)電壓，即使球隙間含空氣電離離子也不放電．一旦觸發(fā)，點(diǎn)火火花破壞球隙稍不均勻電場的條件，球隙發(fā)生放電．
3.脈沖振蕩電路試驗(yàn)研究
本文對可控放電的脈沖振蕩電路進(jìn)行了試驗(yàn)研究．試驗(yàn)變壓器的額定輸出電壓峰值為200kV，保護(hù)電阻為40kΩ，充電電容為3nF，可控放電球隙的直徑為25cm，電抗器試品為55mH，分壓器為電容分壓器，分壓比為1000．通過電源相位控制，每次在供電電源峰值過后，充電電容完成充電并處于電壓保持階段進(jìn)行放電觸發(fā)，1min能夠完成3000次放電．連續(xù)測量的電抗器上的電壓波形，發(fā)現(xiàn)波形的幅值穩(wěn)定．不同試驗(yàn)電壓下，用數(shù)字示波器測量分壓器低壓臂電壓波形如圖4所示．
試驗(yàn)過程中記錄了不同放電電壓下球隙的最大間隙，通過球隙放電電壓表獲取了自然放電電壓與球間隙數(shù)值，兩種間隙對比結(jié)果見圖5．可以看出，相同放電電壓下可控放電對應(yīng)的球間隙遠(yuǎn)大于自然放電對應(yīng)的球間隙，這是保證不觸發(fā)的情況下球隙不放電的條件．
4.結(jié) 論
A.干式空心電抗器匝間過電壓試驗(yàn)用脈沖振蕩電路工作過程與沖擊電壓發(fā)生器有較大區(qū)別．
B.受球隙放電電壓幅值下降的影響，標(biāo)準(zhǔn)推薦的利用球隙自然放電回路并不能在電抗器上得到符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定幅值的脈沖振蕩電壓．
C.采用球隙可控放電能在電抗器上得到幅值穩(wěn)定的脈沖振蕩電壓波形． 為了保證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的匝間過電壓試驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，建議采用可控放電球隙． |
