10 kV系統(tǒng)沖擊與工頻續(xù)流聯(lián)合試驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

陳斯翔，蘇杏志，孔華東，孫廣慧，劉益軍，齊小軍

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東省佛山市528000； 2.武漢水院電氣有限責(zé)任公司，武漢市 430073)

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10 kV系統(tǒng)沖擊與工頻續(xù)流聯(lián)合試驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

陳斯翔1，蘇杏志1，孔華東1，孫廣慧1，劉益軍1，齊小軍2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東省佛山市528000； 2.武漢水院電氣有限責(zé)任公司，武漢市 430073)

為檢驗(yàn)10 kV帶間隙防雷裝置在沖擊閃絡(luò)后熄滅工頻續(xù)流電弧的能力，設(shè)計(jì)了一種沖擊試驗(yàn)與工頻續(xù)流試驗(yàn)相結(jié)合的試驗(yàn)回路。為了產(chǎn)生較高電壓下的高幅值工頻續(xù)流，采用LC串并聯(lián)諧振回路產(chǎn)生工頻續(xù)流，對(duì)該回路中各元件的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并給出合理數(shù)值，最后利用同步控制回路提取沖擊信號(hào)來(lái)導(dǎo)通工頻續(xù)流回路，實(shí)現(xiàn)沖擊試驗(yàn)與工頻續(xù)流試驗(yàn)的同步。計(jì)算結(jié)果表明，該聯(lián)合試驗(yàn)回路能在產(chǎn)生1.2/50 μs沖擊波的同時(shí)產(chǎn)生頻率為50 Hz的正弦電流波且電流的振蕩能夠持續(xù)至少100 ms，滿足帶間隙防雷裝置在沖擊閃絡(luò)后，檢驗(yàn)工頻續(xù)流下熄滅電弧能力的要求。

帶間隙防雷裝置；LC串并聯(lián)諧振；工頻續(xù)流；聯(lián)合試驗(yàn)；同步控制

0 引 言

目前架空線路的防雷有“堵塞型”和“疏導(dǎo)型”2種思想[1]?！岸氯汀狈览追椒ㄊ俏覈?guó)現(xiàn)階段主要采用的防雷方法[2]，這種防雷理念主要是盡可能不讓線路發(fā)生雷擊閃絡(luò)，如架設(shè)避雷線、降低桿塔接地電阻、雙回線路采用不平衡絕緣方式、安裝線路避雷器等[3]。而“疏導(dǎo)型”防雷則是在絕緣子串上并聯(lián)保護(hù)間隙，雷擊時(shí)允許線路有一定的雷擊跳閘率，雷擊形成閃絡(luò)泄放雷電流的同時(shí)產(chǎn)生工頻續(xù)流，再配合線路繼電保護(hù)裝置的跳閘來(lái)切斷工頻續(xù)流，最后通過(guò)自動(dòng)重合閘裝置合閘送電，可確保雷電流泄放的同時(shí)避免長(zhǎng)時(shí)間的停電[4]。近年來(lái)，出現(xiàn)了一種新的防雷保護(hù)思想，即將“堵塞型”和“疏導(dǎo)型”2種思想相結(jié)合[5]，比較有代表性的產(chǎn)品為俄羅斯Streamer公司研制的一種滅弧柵式避雷器[6]和廣西大學(xué)研制的轟爆氣流滅弧防雷間隙[7]，該類防雷裝置允許線路遭受雷擊時(shí)發(fā)生閃絡(luò)，但是該裝置的特殊結(jié)構(gòu)又能在繼電保護(hù)裝置動(dòng)作前使工頻續(xù)流電弧熄滅，使得輸電線路在遭受雷擊后既能疏導(dǎo)雷電流又不會(huì)使線路跳閘[8-9]，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。但該類裝置因運(yùn)行時(shí)間短，其防雷效果特別是滅弧原理研究得尚不充分[10]，需進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)該類裝置間隙的滅弧性能進(jìn)行檢驗(yàn)及優(yōu)化。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)避雷器的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)間隙熄滅工頻續(xù)流電弧的能力尚未制定相關(guān)考核標(biāo)準(zhǔn)[11-12]，只有DL/T 1293—2013 《交流架空輸電線路絕緣子并聯(lián)間隙使用導(dǎo)則》提出了對(duì)并聯(lián)間隙的工頻燃弧特性進(jìn)行試驗(yàn)的要求，但該試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證并聯(lián)間隙能否使工頻續(xù)流形成的電弧離開(kāi)絕緣子并沿著并聯(lián)間隙向外發(fā)展，并不考察間隙熄滅工頻續(xù)流電弧的能力[13]。為驗(yàn)證此類防雷裝置的滅弧能力，特別是沖擊閃絡(luò)后熄滅工頻續(xù)流電弧的能力，需進(jìn)行沖擊試驗(yàn)與工頻續(xù)流試驗(yàn)相結(jié)合的聯(lián)合試驗(yàn)。聯(lián)合試驗(yàn)時(shí)，沖擊試驗(yàn)采用沖擊電壓發(fā)生器即可產(chǎn)生1.2/50 μs的沖擊電壓波，滿足試驗(yàn)要求；而工頻續(xù)流試驗(yàn)部分因要求在較高電壓下產(chǎn)生高幅值工頻電流的同時(shí)與沖擊試驗(yàn)同步進(jìn)行，一般的工頻發(fā)生器難以達(dá)到試驗(yàn)要求[14-15]。因此，尚未有專門針對(duì)此類聯(lián)合試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備。

為檢驗(yàn)帶間隙的防雷裝置沖擊閃絡(luò)后熄滅工頻續(xù)流電弧的能力，本文針對(duì)10 kV電壓等級(jí)，設(shè)計(jì)一種將工頻續(xù)流試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)相結(jié)合的聯(lián)合試驗(yàn)回路，其工頻續(xù)流試驗(yàn)部分根據(jù)LC串并聯(lián)諧振原理，利用LC振蕩回路形成工頻電流，同時(shí)工頻續(xù)流回路的導(dǎo)通采用受控方式，即通過(guò)提取沖擊支路的沖擊信號(hào)，控制工頻續(xù)流回路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通，從而產(chǎn)生工頻續(xù)流，解決沖擊試驗(yàn)與工頻續(xù)流試驗(yàn)同步的問(wèn)題。

1 聯(lián)合試驗(yàn)回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合避雷器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用實(shí)際，聯(lián)合試驗(yàn)回路應(yīng)滿足以下3點(diǎn)要求：

(1)沖擊電壓發(fā)生器能產(chǎn)生1.2/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電壓沖擊波形，且其幅值不低于50 kV[16]；

(2)帶間隙防雷裝置沖擊擊穿后流過(guò)的工頻續(xù)流頻率應(yīng)為50 Hz，且電流的持續(xù)時(shí)間不少于100 ms[13]；

(3)帶間隙防雷裝置雷擊閃絡(luò)后，工頻續(xù)流同步作用在防雷裝置上，沖擊電壓與工頻續(xù)流不存在時(shí)間差。

針對(duì)以上要求，設(shè)計(jì)聯(lián)合試驗(yàn)回路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，C0、L0及L1構(gòu)成的串并聯(lián)諧振電路利用LC振蕩原理來(lái)產(chǎn)生工頻電壓和電流：首先對(duì)充電電

圖1 聯(lián)合試驗(yàn)回路結(jié)構(gòu)圖

容C0進(jìn)行預(yù)充電，閉合工頻振蕩支路開(kāi)關(guān)K0，L0、C0、L1之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生振蕩，輸出振蕩電壓和電流。開(kāi)關(guān)K1所在支路為負(fù)載支路，用來(lái)模擬帶間隙防雷裝置的擊穿。而正確合理地選取電感、電容等參數(shù)，是本文的重點(diǎn)。

2 工頻續(xù)流回路設(shè)計(jì)

由于間隙擊穿后電弧的弧道電阻很小，且阻值存在一定的波動(dòng)[17]，所以在對(duì)工頻續(xù)流回路進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)，忽略電弧弧道電阻的影響，即假設(shè)帶間隙滅弧裝置擊穿后負(fù)載支路為短路狀態(tài)；而沖擊支路由于作用時(shí)間很短，只有幾百μs，且通過(guò)限流電感L1與工頻續(xù)流回路相連，即沖擊支路產(chǎn)生的沖擊電壓主要施加在防雷裝置上，對(duì)工頻續(xù)流回路的影響可暫不考慮。

首先，在t=0-時(shí)刻利用直流電源為充電電容C0充電至10 kV，系統(tǒng)相電壓的幅值為8.16 kV；其次，沖擊支路將滅弧裝置的間隙擊穿，開(kāi)關(guān)K0在t=0時(shí)刻閉合，此時(shí)，該電路為L(zhǎng)0、C0和L1串并聯(lián)的三階電路，電容C0開(kāi)始放電，與L0、L1之間進(jìn)行能量交換，并振蕩輸出電壓、電流。

為使該電路輸出頻率為50 Hz的交流電源，需對(duì)L0、C0和L1進(jìn)行合理取值，為此，對(duì)該高階電路進(jìn)行拉普拉斯變換，變換后的電路如圖2所示。

圖2 對(duì)LC串并聯(lián)諧振回路進(jìn)行拉普拉斯變換后的電路

對(duì)圖1的電路進(jìn)行求解，可求出負(fù)載支路上的電流I(s)為

(1)

式中E(s)=UN/s，s為拉普拉斯算子，UN為系統(tǒng)額定電壓。

對(duì)式(1)進(jìn)行變換：

(2)

對(duì)式(2)進(jìn)行拉普拉斯反變換，得到I(s)的原函數(shù)i(t)為

(3)

由式(3)可得：

(4)

(5)

為使負(fù)載支路上流過(guò)的電流頻率為工頻，則ω=2πf=100πHz，即L0、C0和L1應(yīng)滿足如下關(guān)系：

(6)

將式(6)變換為

(7)

或

(8)

則L0、C0和L1的取值首先應(yīng)滿足104π2L1C0>1，且104π2L0C0>1。為達(dá)到一定的振蕩電流幅值，C0的取值定為數(shù)千μF，本文分別選取了1 000，2 000，3 500，5 000 μF這4個(gè)值，調(diào)整L0和L1的取值，計(jì)算出回路中的各參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

考慮到電抗器、電容器的制作工藝并結(jié)合10 kV系統(tǒng)的電流水平，本文選取了2組參數(shù)：(1)C0=2 000 μF，L0=10.3 mH，L1=10 mH；(2)C0=2 000 μF，L0=7.7 mH，L1=15 mH；并利用電磁暫態(tài)仿真軟件EMTP-ATP計(jì)算出這2種情況下負(fù)載支路上流過(guò)的電流波形，如圖3所示。

若考慮電弧電阻的影響，因電阻在L0、C0、L1振蕩過(guò)程中會(huì)吸收部分能量，所以振蕩電流的幅值會(huì)出現(xiàn)衰減，圖4即為假設(shè)電弧電阻為0.5 Ω時(shí)不同元件

表1 不同L0、C0和L1取值時(shí)工頻續(xù)流回路的參數(shù)

Table 1 Parameters of power frequency continuous current circuit with differentL0、C0andL1

圖3 不同元件參數(shù)下負(fù)載支路電流波形圖

參數(shù)下負(fù)載支路電流的波形圖。圖5為電弧電阻為1 Ω時(shí)負(fù)載支路電流波形，從圖5中可以看出，電容參數(shù)同為2 000 μF的條件下，L1=15 mH時(shí)振蕩電流幅值的衰減程度小于L1=10 mH時(shí)的，且電弧電阻越大，兩者的衰減程度差距也越大。因此，本文在設(shè)計(jì)工頻續(xù)流回路時(shí)，回路元件參數(shù)的選擇為：C0=2 000 μF，L0=10.3 mH，L1=10 mH。

圖4 電弧電阻為0.5 Ω時(shí)負(fù)載支路電流波形圖

3 沖擊支路設(shè)計(jì)

沖擊支路的設(shè)計(jì)輸出為1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電壓沖擊波，且其幅值在50～200 kV之間可調(diào)；沖擊支路主要技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)稱電壓200 kV；額定能量2.5 kJ；設(shè)備級(jí)數(shù)2級(jí)；設(shè)備效率>90%。

產(chǎn)生沖擊電壓波的設(shè)備主要由高壓部分和控制系統(tǒng)組成。高壓部分則由沖擊主發(fā)生器、高壓整流充電系統(tǒng)、隔離放電間隙、自動(dòng)接地放電裝置、充電電壓監(jiān)視分壓器和弱阻尼電容分壓器組成。

控制系統(tǒng)的主控單元為1臺(tái)可編程控制器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程控制和監(jiān)測(cè)?？刂婆_(tái)內(nèi)裝L-C參數(shù)恒流充電控制裝置，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定值充電和自動(dòng)放電，并具備過(guò)流保護(hù)功能。圖6即為該沖擊支路產(chǎn)生的1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電壓沖擊波，通道1 與通道2為不同變比的沖擊電壓波形。

圖5 電弧電阻為1 Ω時(shí)負(fù)載支路電流波形圖

圖6 沖擊支路產(chǎn)生的沖擊電壓波形

4 工頻續(xù)流回路與沖擊支路的配合

本文所述的沖擊支路與工頻續(xù)流回路的聯(lián)合試驗(yàn)回路能否保持同步，關(guān)鍵在于兩者的同步控制。為此，聯(lián)合試驗(yàn)回路設(shè)計(jì)了利用沖擊信號(hào)控制工頻續(xù)流回路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的同步控制回路。其中，工頻續(xù)流回路開(kāi)關(guān)選用可耐壓6.5 kV的單管IGBT(insulated gate bipolar transistor)模塊，其響應(yīng)速度可達(dá)ns級(jí)。考慮到系統(tǒng)相電壓幅值為8.16 kV，選用2只IGBT模塊串聯(lián)使用以提高耐壓水平，同時(shí)對(duì)2只IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)電阻進(jìn)行匹配以達(dá)到兩者之間的同步控制誤差在ns級(jí)。

為防止IGBT模塊作為主回路同步觸發(fā)的開(kāi)關(guān)器件免受沖擊波的作用，除了反向并聯(lián)續(xù)流二極管模塊外，在正向亦并聯(lián)二極管模塊用以泄放雷電沖擊能量，將開(kāi)關(guān)模塊的正向壓降箝位在二極管模塊的管壓降以內(nèi)。聯(lián)合試驗(yàn)原理圖如圖7所示。

圖7 聯(lián)合試驗(yàn)原理圖

圖7中D4用以泄放侵入的雷電沖擊能量，D3用以防止雷電沖擊能量沿IGBT模塊支路流過(guò)，同時(shí)保證IGBT模塊開(kāi)通后流過(guò)工頻電流。以雷電沖擊1.2/50 μs上升沿作為觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通IGBT開(kāi)關(guān)模塊，控制IGBT的信號(hào)為沖擊波通過(guò)負(fù)載支路兩端分壓器時(shí)的信號(hào)，該信號(hào)再通過(guò)耦合變壓器(1∶1)進(jìn)行隔離并引入同步控制回路，導(dǎo)通工頻續(xù)流回路的開(kāi)關(guān)IGBT，使工頻續(xù)流回路開(kāi)始振蕩，輸出工頻電流。

5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所采用的試品為俄羅斯streamer公司生產(chǎn)的多間隙避雷器，該避雷器用于保護(hù)10 kV系統(tǒng)的交流架空輸電線路，由多個(gè)間隙串聯(lián)而成[18]。對(duì)此類結(jié)構(gòu)的避雷器而言，工頻續(xù)流切斷能力是檢驗(yàn)其性能的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)前，測(cè)試本試驗(yàn)所采用的試品沖擊放電電壓不超過(guò)80 kV；然后，利用10 kV/500 mA大電流充電裝置對(duì)工頻電容預(yù)充電至8.16 kV；沖擊發(fā)生器充電至95 kV。通過(guò)同步控制回路實(shí)現(xiàn)沖擊支路與工頻續(xù)流回路的同步配合，最終在負(fù)載支路上產(chǎn)生的電流波形如圖8所示，其中，通道1為電流波形，通道2為電壓波形。試驗(yàn)時(shí)，用分壓比為1 000∶1的電阻分壓器測(cè)量試品兩端的電壓，用10 mΩ的管式分流器測(cè)量流過(guò)試品的電流。

圖8 施加在負(fù)載支路上的電流波形

從圖7中可看出，多間隙避雷器被沖擊波擊穿后流過(guò)工頻續(xù)流，因存在電弧的弧道壓降，多間隙避雷器兩端電壓穩(wěn)定在3 kV左右。工頻續(xù)流階段持續(xù)時(shí)間約為半個(gè)周波，即10 ms，續(xù)流峰值可達(dá)1.8 kA，隨后在工頻續(xù)流過(guò)零點(diǎn)時(shí)，多間隙避雷器將工頻續(xù)流切斷，施加于多間隙避雷器的電壓逐漸恢復(fù)至8.16 kV，該電壓周期為25 ms，略大于工頻的20 ms，在該幅值電壓作用下，防雷間隙未發(fā)生重燃。

以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，該聯(lián)合試驗(yàn)回路能在試品被雷電壓擊穿的同時(shí)提供高幅值的工頻續(xù)流，并能在試品切斷續(xù)流后同步提供系統(tǒng)工頻電壓以檢驗(yàn)試品是否會(huì)發(fā)生重燃。因此，該聯(lián)合試驗(yàn)回路可對(duì)帶間隙防雷裝置進(jìn)行沖擊與工頻續(xù)流試驗(yàn)相結(jié)合的綜合防雷試驗(yàn)。

6 結(jié) 論

(1)研制的沖擊電壓發(fā)生器能產(chǎn)生1.2/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電壓壓波形，且其幅值不低于50 kV；

(2)通過(guò)LC串并聯(lián)諧振回路可產(chǎn)生頻率為50 Hz、振蕩時(shí)間超過(guò)100 ms的振蕩電流；

(3)引入同步控制回路，在沖擊支路產(chǎn)生沖擊波的瞬間即可提取沖擊信號(hào)并觸發(fā)工頻續(xù)流回路開(kāi)始振蕩，實(shí)現(xiàn)了沖擊與工頻續(xù)流同時(shí)發(fā)生；

(4)帶間隙防雷裝置切斷工頻續(xù)流后，聯(lián)合試驗(yàn)回路能同步提供系統(tǒng)工頻電壓以檢驗(yàn)試品是否會(huì)發(fā)生重燃。

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陳斯翔 (1985)，男，碩士，工程師，主要從事電氣設(shè)備絕緣配合及避雷器技術(shù)方面的研究工作；

蘇杏志(1965)，男，高級(jí)工程師，從事高電壓技術(shù)及輸電技術(shù)方面的工作；

孔華東(1975)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)方面的工作；

孫廣慧(1980)，男，高級(jí)工程師，從事配電工程及運(yùn)行管理方面的工作；

劉益軍(1982)，男，高級(jí)工程師，從事電氣設(shè)備檢測(cè)方面的工作；

齊小軍(1976)，男，工程師，從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)方面的研究工作。

(編輯：張小飛)

10 kV Combined Test Circuit Design with Impulse and Power Frequency Continuous Current

CHEN Sixiang1, SU Xingzhi1, KONG Huadong1,SUN Guanghui1, LIU Yijun1, QI Xiaojun2

(1.Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan 528000, Guangdong Province, China; 2.Wuhan Shuiyuan Electrical Co., Ltd., Wuhan 430073, China)

To test the capability of 10 kV lightning protection device with series gaps to cut off the power frequency continuous current after the device breakdown by lightning, this paper designed a test loop in combination with impulse test and power frequency continuous current test.In order to generate power frequency continuous current with high amplitude under higher voltage, a LC series and parallel resonant circuit was used in which the parameters of each element were calculated and selected and their reasonable values were given.Finally, a synchronization control circuit was chosen to extract the impulse signal to conduct the power frequency continuous current circuit, which could realize the synchronization in impulse test and power frequency continuous current test.The calculation results show that the combined test circuit can generate 1.2/50 μs impulse waveform, and 50 Hz sinusoidal current wave with 100 ms oscillation, which can meet the requirement of testing the capability of lightning protection device with series gaps to cut off electric arc under power frequency continuous current after the device breakdown by lightning.

lightning protection device with series gaps; LC series and parallel resonant; power frequency continuous current; combined test; synchronization control

南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(K-GD2013-0268)。

TM 862

A

1000-7229(2015)08-0102-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.017

2015-06-15

2015-07-10

Project Supported by China Southern Power Grid Co.,Ltd (K-GD2013-0268).