平波电抗器电容器放电试验电压波形高频过冲的抑制.pdf

技 术 与 应 用 平波电抗器 电容器放 电试验 电压波形高频过冲的抑制 张德顺 吴玉坤 张月华 王 楠 ( 北京电力设备总厂，北京 1 0 2 4 0 1 ) 摘要在特高压平波电抗器 的电容器放电试验中，电压波形 的波前会 出现频率为数百千赫的 高频振荡和过冲。本文计算表 明，如果单纯地依靠波头阻尼 电阻来消除高频振荡和过冲，电容器 放电持续时间将过短。因此提 出了一种使用暂态阻波器抑制过冲的方法，并通过仿真计算和试验， 证明其效果十分 明显。 关键词：平波电抗器；电容器放电试验；高频过冲；阻波器 Su ppr e s s i o n o f HF Ov e r s h o o t i n t he Ca pa c i t o r Di s c ha r g e Te s t o f Smo o t hi ng Re a c t o r s Zh a n g De s hu n Wu Y u k un Zh a n g Y u e hu a Wa n g Na n ( B e r i n g P o w e r E q u i p me n t G r o u p ， B e i j i n g 1 0 2 4 0 1 ) Ab s t r a c t The wa v e fro n t wi l l ha v e a f r e q ue n c y o f a bo ut 4 6 0 k Hz h i g h fre q ue n c y o v e r s ho o t i n t h e c a pa c i t o r d i s c ha r g e t e s t o f e x t r a h i g h vo l t a ge s mo o t hi ng r e a c t o r Thi s a r t i c l e p r o po s e d a ne w ki n d o f s e r i e s a f a s t t r a n s i t i o n c o nd i t i o n t r a p me t ho d t o c o me t h e e f f e c t i v e s u p p r e s s i o n ，a n d d oe s no t a f f e c t t h e d u r a t i o n o f t he e x pe r i me n t a l p r o fil e Ke y wo r ds ： Smo o t h i n g r e a c t o r ； c a pa c i t o r di s c h a r g e t e s t ； HF ov e r s h o ot ； t r a p 平波 电抗器 是直 流输 电系统 关键 设备 之一 。按 照国际标准 I E E E1 2 7 7 1 J 的规定和设备技术规范的要 求 ，用 于 8 0 0 k V特 高压工程 的干 式空心平 波 电抗 器 必须进行 电容器放电试验 ，在电容器与试品之间形 成逐 渐衰 减的 、频率为 3 0 0 9 0 0 H z 的中频振 荡 电 压，振荡电压的第一个最大峰值要求等于 电抗器的 操 作冲击 耐受 电压 。在样 机 的试 验 过程 中发现 ，平 波 电抗 器匝散 电容 和试 验 引线 电感 之 间存 在高 频率 的能量交换，引起试 品电压在波前上升过程中出现 暂态的高频振荡分量。在户外试验场观测到，该暂 态振荡具有 4 6 0 k H z以上的频率，其幅值可引起 1 8 倍 以上 的过冲 。这种 高频 振荡 的叠加 使 电容器放 电 试验 的 瞬时峰 值超过 平波 电抗器 的雷 电冲 击耐 受 电 压 ，对试 品形 成不利 影响 ，因此 必须设法 加 以抑 制 。 1 高频过冲的特性与电阻阻尼的效果 使用 P S C AD软件 进行 仿真 ， 试 品为 7 5 mH 电感 的特 高压平 波 电抗器 ，操作冲 击水平 为 8 4 5 k V。根 6 8 I 电 毒 詈暮 技 戒 2 o 1 2 年 第 9 期 据 试 品电感和 试验装 置 的 电容 器规格 ，充 电电容取 0 5 ，振荡频率为 8 2 2 Hz ，符合标准 的要求。 图 1 仿真模型 图 1 给出了计算模型。图中，c 为冲击电压发 生器 中的电容器，L c为电容器 自身杂散 电感，R t 为波尾电阻，C s为分压器 电容，C a为截波装置电 容 ， L z 、 C z 、C z 、 R z分别 为试 品的 电感 、自身 电容 。 其余为引线的寄生参数 。截波装置高压引线位置较 高不容 易进行 接线 操作 ，进行 各种 试验 时截波 装置 并不从回路中摘除，其 电容总是介入回路。因此， 电容器放电试验时虽然不必连接截波装置，在仿真 计算时还是以 4 0 0 p F的电容来计入它的影响。电抗 “ 十一五”国家科技支撑计划重大项 目 ( 2 0 0 6 B A A0 2 A 2 2 ) ( a )电抗器 电压全波 0 O ： O n L b J坡 日 过冲振荡 图 3 波头电阻 2 6 6 4 Q的仿真波形 目前， 限制上升沿过冲的普遍方法是增大回路 中 脉冲 电容器和 试品相 串联的波头 阻尼 电阻 。但 计 算 霉 这 与 维 持 波 形 持 续 时 间 相 抵 触 。本文 对添加 坌 别 2 6 6 4 Q 、 1 0 0 Q 、 2 0 0 Q 的 波 头 阻 尼 电 阻 进 行 仿 真 ，结果如 图 3 、4 、5所 示 。波头 电阻 2 6 6 4 Q 季 擎 7 6 , 过 冲 最 高 值 为1 4 8 0 k V ， 对 试 品 来 说 导 签 太 高 。 波头 电阻 1 0 o Q 时过冲 系数 I 4 ，过冲最 为 1 1 9 4 k V，依然比较大 ，并且电容器放 电仅仅 维持 4 ms 。波头电阻增加到 2 0 0 Q 时过冲最高值为 9 5 l k V，虽然过冲系数 1 1 3降低到安全范围内 ， 但 电 窄 器 放 电 持 续 时 间 降 低 到 3 m s ，中 频 振 荡 仅 仅 维 孬 个 周 波 。 根据 I E E E 1 2 7 7 对 电容器放 电试验 的规 定 ， 技 术 与 应 用 电容器放 电持续 时间最少应在 1 0 ms以上 。可见 ， 头 阻尼 电阳取信 掂 f 、 时对 宣蝙 I 口 用 时 。 舯 。 0 o 。 晡 2 B 面 蔷 蔷 磊 蔷 意 菡 ； 。r -I _ Ea1 _ _ E _ _ _ 一 ?一 _ _ 、一 。 搿 i ( b )波前过冲振荡 图 4 波头电阻 1 0 0 1 “的仿真波形 。 、 ， ： ： _ _ 。 ： 一 0 0 Om 7 0 o zo e o ： ( a )电抗器 电压全波 ( b )波前过冲振荡 图 5 波头电阻 2 0 0 1 2的仿真波形 ， 为 能够兼顾抑制高频过冲和维持主振荡持续 ， 本文提出了种新的抑制高频过冲的方法 。 在试验回路中与试品串联接入暂态阻波器 ，对施 品 上的各种电压分量提供有选择的阻尼 ，达到 既抑制过 冲又不 明显影 响主振荡 时间的 目的 。 2 0 1 2 年 弟 9 期嘲 囊嚣 l 技 搬J 6 9 波 作 续 技 术 与 应 用 2 快速 暂态 阻波器 原理 阻波 器， 在欧 美 国家和 日本 又称 陷波器 ，实际是 由电感 器 、电容器 和 电阻器 组成 的 串联 滤波器 。其 电路如 图 6中 ( a )所示 。阻波器 两端 子之 间的阻抗 也 即滤 波 器 的输 入 阻 抗 在 不 同的 频 率 有 不 同 的特 性 。在 8 2 2 H z这样较 低 的频率 ，电路 中调谐 电容 c 呈 现足够 大 的阻抗 ，流经 电阻器 的 电流 小到可 以 忽 略 ，因而此 频 率下 阻波器 基本 上呈现 一只 电感器 的作用 ，其 阻抗 为主线 圈线 圈 的 电抗和 它 的交流等 效 电阻。在数 百千赫 的高频 率 ，电容器 C的容性 电 抗 大幅度 降低 ，阻波 器 中的 电阻器 相 当于直接 与 主线圈 L并联，因而阻波器在高频段的阻抗 以电阻 分 量为 主 。图 6中 ( b )给 出了本课题 所研制 的 阻波 器 高频 阻抗实 测频率 响应特 性 。 L r ( a )电路原理 1 5 0 1 5 0 2 4 0 3 3 0 42 0 5 1 0 6 00 6 9 0 78 0 8 7 0 g 6 0 频率，k H z ( b)向 频 阻 抗特 性( 测 试 值 ) C 阻波 器 中的调谐 电容 器 ；R 阻波器 中的频 带展 宽宽 电 阻 也可称 阻尼 电阻 ；L 阻波器 主线 圈 的电感 ； r 阻波 器主 线 圈的交流 等效 电阻 图 6 阻波 器原理 电路 及其 高频 阻抗特性 由图 6可知 ，在 4 5 0 k Hz以上高频段，阻波器呈 现 出大约 4 2 0 E 的 电阻，这就相当于在试验 回路中串 联 了一只 4 2 0 Q 的 电阻器 ，对波前高频振荡显然应具 有很好 的抑制作用 。另一方面 ，在 3 0 0 9 0 0 Hz这样 的较低频率 下，阻波器 主要表现 一只 电感的作用，其 电阻小的可 以忽 略，因而 它对 电容器放 电过程 持续时 问的阻尼作用是可 以忽略 的，只是 以大约 1 的程度 ( 由阻波器主线圈的电感量决定)降低主振荡的频率 和施加 到试 品上 的 电压 。 由于缺 乏经验 ，本课题所研 制 的阻波器选择 了 l m H 主线圈，4 2 0 E 阻塞 电阻 ( 高 频 阻抗 中的电阻分量 ) 边 界频率 为 6 0 k Hz 。 分 析表 明， 阻波器参数仍可 以进 一步优化 ， 比如主 线圈电感 降低 l 7 0 l 电 技戒2 0 1 2 年第9 期 到 0 3 m H，将 4 2 0 E 阻塞 电阻 的 边 界频 率 调 整 到 2 0 0 k H z以上 ，或者将 阻塞 电阻增大到 8 4 0 Q，阻塞 电 阻的边界频率调整到 1 2 0 k Hz以上是完全 可以的。 3 串联阻波器后的仿真计算 图 7 为串入 阻波器之后 的试 品 电压仿真计 算波 形 图，电容充 电 电压 8 4 5 k V，过冲最 高值 为 1 0 4 0 k V， 过冲系数达到 1 2 6 ，放 电开始 1 0 m s 后依然有较 人振 荡 。串入 阻波器 同时加 2 6 6 4 Q 的波头阻尼 电阻时 ， 对波前高频过冲 系数 降到 1 1 9 ，波形如 图 8 所 示 。 I 八八 ，、 ，、 1 I U O 0 0 00 00 ( 1 2 0 0 0 04 0 0 0 0 6 0 0 J O B 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 ( a )电抗器电压全波 一 0 0 0 0 0 B 1 0 m 0 0 2 0 m 0 0 3 0 m 0 04 0 m 0 0 fi 0 m 0吨0 m _ ( b )波前过冲振荡 图 7 串联 阻波器 的仿 真波形 图 a i n Or 啪 h 0 0 0 0 2 0 o o e , o 0 0 6 6 0 0 0 6 8 0 0 0 4 o 0 0 0 - ( a )电抗器 电压全波 t c lnO r a p 一 0 0 13 0 0 0 1O r ,0 0 2 0 m 0 0 30 m 0 0 n o 0 5 0 m 0 0 B0 m I。 ( b )波前过冲振荡 图 8 串入 阻波器并 加 2 6 6 4 Q 电阻 的仿 真波 形图 * t 糍 瓣 一 嘲 掣 蛳 瓣 巷 薅 糍 一 鞭 糍 糍 臻 一 一 糍 一 獭 蓦 霹 u 誊 鐾 i 一 垂 蠢 | l l = _ 囊 鞲 誊 = 一 豫 豫 搿 _ 壬 誊 黼 臻 一 _ 一 上 9雕 - j 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 6 5 4 3 2 4 试验 验证 对 电感 7 5 mH 的 8 0 0 k V 平波 电抗器进 行 电容放 电试 验 ， 使用单 级 电容 2 g F的 1 6 级 冲击 电压 发生器 ， 两极 并联为一 组共 8级 ，总 电容 0 5 。为 比较阻波 器 的效果 ， 先后在 串联和不 串联 阻波 器两种条件 下进 行 了电容器放 电试 验 。试 验时均不 加波头 阻尼 电阻 。 图 9给 出了不带 阻波 器 时波形记 录 。由图 9 ( b ) 中 可 以看 出 ，波 前上 升沿 暂态 振荡频 率 为 4 6 3 k Hz ， 过冲 系数达 1 8 ， 这 与仿 真计 算结 果十分 接近 ， 证 明 了计 算 的准 确性 。 。l L V -J ( a )实测波形图 ( b )波前过冲振荡 图 9 未串阻波器的试验波形图 H I 八 。 _ l l ( a )实测波形 图 “ 口 b 岍 ( b )波前过冲振荡 图 1 O 串联 阻波 器的试 验波 形 图 技 术 与 应 用 图 1 0给 出 了串联 阻波 器之 后 的试 验波 形 ， 从 图 1 0( b ) 可知 ， 此条 件下波 前只 有一 个单极 性 小脉冲 ， 但无 振荡 ，过冲 系数 仅 1 1 8 。可 以看到 高频过 冲得 到 了明显 的抑制 ，与 仿真 结果基 本相 同 。 5 试 验 分析 在试验 中发现 ， 电容器放 电试验 中有 较大 的 电 流通 过 。试验 装置 中 的脉冲 电容 和球 隙通 常是 按雷 电冲击 和操 作冲 击单 脉冲设 计 的，承受1 0 ms 以上 的长 时 间放 电存在 一定 危 险。首 先 ，铜 球表 面经 过 两 、三次 长时 间放 电后会 出现 较 多 的金 属 毛刺 ，影 响球 隙放 电的同步性 并 因此容 易 白放 电 ，使 放 电 电 压 难于 控制 。其 次 ，脉冲 电容器 内产 生大量 的热 能 ， 极 易 使 电容 出现渗 漏油 、“ 鼓 肚” 现 象甚 至 电容量 因 内部个 别元 件击 穿而 降低 。试 验装 置 的破坏 程度 与 电容器 放 电持 续时 问有直 接关 系 。因此 ， 即使 串联 插入阻波器完全可以抑制过冲，