配網(wǎng)設(shè)備振蕩型沖擊電壓試驗(yàn)技術(shù)研究

牛 凱，洪芳華，李 偉，倪 浩，孫 源，張軒瑞，李軍浩

(1.國網(wǎng)上海市電力公司物資公司，上海 200235；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

1 引言

配電網(wǎng)是電力輸送的最后一環(huán)，其安全運(yùn)行與用戶的用電質(zhì)量息息相關(guān)。配電系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，主要由開關(guān)柜、架空線路、環(huán)網(wǎng)柜、斷路器、配電變壓器等組成，設(shè)備繁多且分布層面很廣泛[1-3]。

目前的配網(wǎng)設(shè)備在出廠前會進(jìn)行工頻耐壓、局部放電等常規(guī)性試驗(yàn)，但是此類常規(guī)試驗(yàn)無法將全部安全隱患排除[4]。在出廠試驗(yàn)中也存在一部分設(shè)備可以通過常規(guī)耐壓合并局部放電試驗(yàn)，但卻無法通過雷電沖擊耐壓試驗(yàn)[5,6]。

面對雷擊，配網(wǎng)設(shè)備因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，對雷擊產(chǎn)生的強(qiáng)電流無法完全避免[7,8]。因此，雷擊是導(dǎo)致配網(wǎng)故障的重要原因之一[9,10]。用雷電沖擊耐壓試驗(yàn)可以最大程度上模擬設(shè)備遭受雷電過電壓時(shí)的狀態(tài)。由于雷電沖擊電壓陡度高幅值大，所以其對配網(wǎng)設(shè)備的絕緣能力考核相較于常規(guī)耐壓試驗(yàn)更加嚴(yán)格[11,12]。

現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)若使用MARX回路產(chǎn)生雙指數(shù)型沖擊電壓會出現(xiàn)設(shè)備過于龐大、不易安裝拆卸等問題，因此雙指數(shù)波的現(xiàn)場實(shí)用性較差。2010年我國開始采用IEC推出的IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)[13]，該標(biāo)準(zhǔn)推薦采用振蕩型雷電沖擊電壓作為現(xiàn)場沖擊耐壓試驗(yàn)的波形。振蕩型沖擊電壓波產(chǎn)生效率高、接近設(shè)備實(shí)際作用波形，與實(shí)驗(yàn)室生成的結(jié)果比對方便，因此適合在現(xiàn)場進(jìn)行沖擊電壓試驗(yàn)時(shí)采用[14]。振蕩型雷電沖擊波(Oscillating Lightning Impulse，OLI)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)可知，波前時(shí)間為0.8～20 μs，半峰值時(shí)間為40～100 μs，振蕩頻率為15～400 kHz。典型振蕩型雷電沖擊電壓波形如圖1所示，圖中U/Upeak為歸一化電壓。

圖1 典型振蕩型雷電沖擊波形

目前，業(yè)內(nèi)利用振蕩型雷電沖擊電壓進(jìn)行的研究主要針對超高壓[15-19]和特高壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear,GIS)的現(xiàn)場沖擊耐壓試驗(yàn)[20]，而低電壓等級的配網(wǎng)設(shè)備試驗(yàn)較少。配網(wǎng)設(shè)備種類繁多并且參數(shù)差別較大，目前針對配網(wǎng)設(shè)備在振蕩型雷電沖擊電壓下的應(yīng)用尚未有系統(tǒng)全面的研究。

配網(wǎng)設(shè)備根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為三類，第一類為各類配電變壓器；第二類為開關(guān)設(shè)備，主要有開關(guān)柜、斷路器等；第三類為輸電線路，主要為架空線、電纜等。由于開關(guān)設(shè)備和配電變壓器在實(shí)際運(yùn)行中更易出現(xiàn)絕緣缺陷并導(dǎo)致故障的問題，對這兩類設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)可以在一定程度上避免由絕緣缺陷導(dǎo)致的事故發(fā)生。

因此，本文以開關(guān)及配電變壓器兩類配網(wǎng)設(shè)備作為試品進(jìn)行試驗(yàn)，測得試品的參數(shù)，探究在不同配網(wǎng)設(shè)備上產(chǎn)生振蕩型雷電沖擊電壓的方法并進(jìn)行調(diào)波，在所有的設(shè)備上均可以得到滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的振蕩型雷電沖擊電壓，對開展配網(wǎng)設(shè)備的現(xiàn)場雷電沖擊試驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義。

2 振蕩型雷電沖擊電壓產(chǎn)生及調(diào)節(jié)原理

開關(guān)設(shè)備在等效時(shí)可以等效為一個(gè)純電容，而配電變壓器為繞組類設(shè)備，在等效時(shí)除了電容外，還會存在一個(gè)等效電感。為了加以區(qū)分并進(jìn)行對比，下面分別對這兩類設(shè)備進(jìn)行分析。

2.1 開關(guān)設(shè)備振蕩型雷電沖擊電壓的產(chǎn)生原理

開關(guān)設(shè)備振蕩型雷電沖擊電壓的產(chǎn)生回路由三部分組成，分別為沖擊電壓發(fā)生器、調(diào)波電路以及被試開關(guān)，原理圖如圖2所示。其中被試開關(guān)等效為一電容，在圖2中以入口電容C2表示。C1為沖擊電壓發(fā)生器主電容，調(diào)波電路由波頭電阻Rf、波尾電阻Rt和調(diào)波電感La組成。波形的振蕩頻率f可以根據(jù)式(1)計(jì)算得到：

圖2 開關(guān)設(shè)備振蕩型沖擊試驗(yàn)回路原理圖

(1)

若峰值電壓為up，在電壓上升過程中，電壓幅值達(dá)到峰值電壓30%、90%的時(shí)刻t1、t2可由式(2)計(jì)算得出；在包絡(luò)線上，電壓幅值降為峰值電壓一半的時(shí)刻為t3，則波前時(shí)間T1，半峰值時(shí)間T2可由式(3)計(jì)算得出：

(2)

(3)

2.2 配電變壓器振蕩型雷電沖擊電壓的產(chǎn)生原理

配電變壓器振蕩型雷電沖擊電壓的產(chǎn)生原理圖如圖3所示。與開關(guān)設(shè)備組成結(jié)構(gòu)基本相同，同樣由沖擊電壓發(fā)生器、調(diào)波電路以及試品三部分組成。與開關(guān)設(shè)備回路不同的是配電變壓器等效為一電容與電感并聯(lián)，在圖3中以入口電容C2并聯(lián)漏感Lk表示。其余組成部分均與開關(guān)設(shè)備回路相同。

圖3 配電變壓器振蕩型沖擊試驗(yàn)回路原理圖

變壓器存在鐵心勵(lì)磁電感等影響因素，入口電容很難通過計(jì)算精確地得出，通常入口電容實(shí)際值通過試驗(yàn)測量諧振頻率得到。變壓器的總漏感值Lk可以通過式(4)計(jì)算得到：

(4)

式中，uk為變壓器阻抗電壓；UN為變壓器相電壓；ω為工頻電壓角頻率；SN為變壓器額定容量。

變壓器由于存在漏感，振蕩波型會存在兩個(gè)諧振頻率，一是調(diào)波電感La與配電變壓器入口電容C2產(chǎn)生諧振，這部分在波形中表現(xiàn)為波頭處的高頻振蕩，持續(xù)時(shí)間很短。二是漏感Lk與電壓發(fā)生器主電容C1和入口電容C2產(chǎn)生諧振，這部分在波形中表現(xiàn)為低頻振蕩，一般持續(xù)時(shí)間較長。而開關(guān)設(shè)備只存在高頻振蕩，開關(guān)設(shè)備的振蕩波形與配電變壓器的振蕩波型如圖4所示。

圖4 振蕩型雷電沖擊波形

高頻振蕩頻率f1也可由式(1)計(jì)算得出，低頻振蕩頻率f2可以根據(jù)式(5)計(jì)算得出，波前時(shí)間以及半峰值時(shí)間的計(jì)算方法與前述開關(guān)類設(shè)備波形參數(shù)計(jì)算方法相同。

(5)

3 開關(guān)設(shè)備振蕩型雷電沖擊電壓試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

振蕩型雷電沖擊電壓的波形主要取決于以下幾個(gè)參數(shù)：波頭電阻，波尾電阻，調(diào)波電感以及負(fù)載參數(shù)。根據(jù)已有在電力變壓器以及GIS上進(jìn)行的大量振蕩型雷電沖擊試驗(yàn)的結(jié)果，可以總結(jié)出上述參數(shù)對于波形的影響如下：波頭電阻主要影響波形的振蕩特性，對半峰值時(shí)間影響較大，而對波前時(shí)間以及振蕩頻率影響較小，這與雙指數(shù)雷電沖擊中波頭電阻的影響不同。由于電阻增加時(shí)阻尼作用增大，因此波尾電阻對半峰值時(shí)間影響較大，而對振蕩頻率和波前時(shí)間影響較小，半峰值時(shí)間隨著波頭電阻的增大而減小，隨波尾電阻的增大而增大。調(diào)波電感對于波形的影響較為復(fù)雜，調(diào)波電感同時(shí)影響振蕩頻率以及波頭、波尾時(shí)間。隨著調(diào)波電感的減小，頻率增加，半峰值時(shí)間減小，波前時(shí)間減小。進(jìn)行試驗(yàn)前，先對開關(guān)設(shè)備電容值進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。

表1 設(shè)備參數(shù)

為了獲得不同振蕩頻率下的振蕩型雷電沖擊電壓波形，經(jīng)過初步計(jì)算后選擇4 mH及1 mH兩種不同大小的調(diào)波電感，通過式(1)計(jì)算得到不同開關(guān)設(shè)備的振蕩頻率，數(shù)值見表2。試驗(yàn)時(shí)，在設(shè)備相間施加振蕩型雷電沖擊電壓。將設(shè)備分閘，進(jìn)線端三相短接并與電壓發(fā)生器相連，出線端三相短接并接地。開關(guān)設(shè)備振蕩型沖擊試驗(yàn)的接線原理圖如圖5所示。

表2 開關(guān)設(shè)備振蕩頻率計(jì)算值

圖5 開關(guān)設(shè)備試驗(yàn)接線原理圖

由于在振蕩型雷電沖擊電壓下，波頭、波尾電阻均只對半峰值時(shí)間影響較大，因此將調(diào)波電感接入試驗(yàn)回路首先確定產(chǎn)生振蕩型雷電波的振蕩頻率，再對波頭電阻和波尾電阻根據(jù)其影響規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到可以產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)要求的振蕩型雷電沖擊波形的發(fā)生器參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)的沖擊電壓發(fā)生器參數(shù)見表3，在兩組參數(shù)下得到的空載電壓波形如圖6所示。

表3 沖擊電壓發(fā)生器參數(shù)

圖6 空載試驗(yàn)波形

圖7 開關(guān)柜振蕩型雷電沖擊試驗(yàn)波形

圖8 環(huán)網(wǎng)柜振蕩型雷電沖擊試驗(yàn)波形

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)調(diào)波所得到的電壓發(fā)生器參數(shù)，經(jīng)過試驗(yàn)得到開關(guān)設(shè)備的振蕩型雷電沖擊波形如圖7～圖9所示。對試驗(yàn)所得到的波形經(jīng)過計(jì)算即可得到試驗(yàn)波形參數(shù)，對其中的振蕩頻率與計(jì)算值經(jīng)過對比可得到振蕩頻率的計(jì)算誤差，誤差可由(試驗(yàn)值-計(jì)算值)/試驗(yàn)值計(jì)算得出。

圖9 柱狀斷路器振蕩型雷電沖擊試驗(yàn)波形

波形參數(shù)以及振蕩頻率的計(jì)算誤差見表4。經(jīng)過對照證明所得到的波形參數(shù)均符合IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)。

表4 試驗(yàn)結(jié)果波形參數(shù)

根據(jù)波形結(jié)果可知，由于一般的開關(guān)設(shè)備電容值較小，振蕩型雷電沖擊電壓波形與典型振蕩波相近，因此振蕩波可以較好地應(yīng)用在對開關(guān)設(shè)備進(jìn)行的各種試驗(yàn)上。同時(shí)由于開關(guān)設(shè)備振蕩型雷電沖擊波形振蕩頻率高，波前時(shí)間半峰值時(shí)間均較短，因此進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)波頭電阻應(yīng)選擇數(shù)值較小的電阻。通過對比振蕩頻率的計(jì)算值與實(shí)際值可以發(fā)現(xiàn)誤差較小，說明計(jì)算可以較為準(zhǔn)確地反映出實(shí)際的波形振蕩情況，并且計(jì)算值均比實(shí)際值略小，因此通過計(jì)算設(shè)計(jì)開關(guān)類配網(wǎng)設(shè)備的振蕩型雷電沖擊回路參數(shù)時(shí)應(yīng)適當(dāng)向上留出一定裕度。

4 配電變壓器振蕩型雷電沖擊電壓試驗(yàn)

4.1 配電變壓器參數(shù)計(jì)算

配電變壓器的主要參數(shù)有入口電容和漏感，如前所述入口電容難以計(jì)算，一般通過實(shí)際測量得到其電容參數(shù)，因此只計(jì)算變壓器漏感。在實(shí)驗(yàn)前通過測量得到了兩臺變壓器的電容參數(shù)以及銘牌參數(shù)見表5。

表5 配電變壓器參數(shù)

變壓器內(nèi)部繞組有兩種接法，分別為Y型和△型接法，兩種接法的漏感計(jì)算等效電路如圖10所示。單相的漏感為L，根據(jù)電路原理可知，Y型接法變壓器漏感為1.5L，△型接法的漏感為0.5L。根據(jù)式(4)即可計(jì)算出單相的漏感L。計(jì)算得400 kV·A變壓器單相漏感為106.1 mH，200 kV·A變壓器單相漏感為53.1 mH。

圖10 變壓器漏感等效電路

4.2 試驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對配電變壓器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在相間施加振蕩型雷電沖擊電壓，高壓側(cè)被試相接沖擊電壓發(fā)生器，其余兩相接地，低壓側(cè)三相接地。配電變壓器振蕩型沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)接線原理圖如圖11所示。

圖11 配電變壓器試驗(yàn)接線原理圖

試驗(yàn)所選用的調(diào)波電感與開關(guān)設(shè)備試驗(yàn)時(shí)相同，分別為1 mH和4 mH，通過式(1)計(jì)算后得到的不同配電變壓器的振蕩頻率見表6。同樣先將調(diào)波電感接入試驗(yàn)回路，再對波頭、波尾電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到可以產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)要求的振蕩型雷電沖擊波形的電壓發(fā)生器參數(shù)。配電變壓器試驗(yàn)時(shí)的電壓發(fā)生器參數(shù)見表3。

表6 配電變壓器振蕩頻率計(jì)算值

根據(jù)調(diào)波所得到的電壓發(fā)生器參數(shù)，對配電變壓器進(jìn)行試驗(yàn)。得到的振蕩型雷電沖擊電壓波形如圖12所示，參數(shù)及振蕩頻率計(jì)算誤差見表7。經(jīng)過對照證明所得到的波形參數(shù)均符合IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 配電變壓器試驗(yàn)波形

表7 試驗(yàn)結(jié)果波形參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，由于配電變壓器電容普遍較大，因此在相同電壓發(fā)生器參數(shù)的情況下，振蕩頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開關(guān)設(shè)備，同時(shí)由于變壓器漏感的影響，波前時(shí)間、半峰值時(shí)間均較開關(guān)設(shè)備更長，同時(shí)根據(jù)波形可知，配電變壓器設(shè)備的振蕩時(shí)間更短。因此，在設(shè)計(jì)配電變壓器振蕩型雷電沖擊電壓試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小波頭電阻和波尾電阻，同時(shí)選用較小的調(diào)波電感以增加振蕩部分的時(shí)間。相較于開關(guān)設(shè)備，配電變壓器計(jì)算值與實(shí)際值之間的誤差較大，因此在通過計(jì)算設(shè)計(jì)配電變壓器振蕩型雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)應(yīng)留出較大裕度。

5 結(jié)論

本文針對開關(guān)設(shè)備和配電變壓器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過計(jì)算得到了配電變壓器的漏感參數(shù)、不同參數(shù)下振蕩型雷電沖擊波形的頻率，并與試驗(yàn)進(jìn)行對比，研究在開關(guān)設(shè)備及配電變壓器上的雷電沖擊電壓試驗(yàn)波形的產(chǎn)生方法并總結(jié)波形規(guī)律。結(jié)論如下：

(1)開關(guān)設(shè)備的振蕩頻率計(jì)算值與試驗(yàn)值可以較好的吻合，但是計(jì)算值偏小。

(2)相較于開關(guān)設(shè)備，配電變壓器由于結(jié)構(gòu)影響，在相同電壓發(fā)生器參數(shù)下得到的波形振蕩頻率低，波前時(shí)間、半峰值時(shí)間長，并且計(jì)算值與實(shí)際值誤差較大。

(3)通過改變電壓發(fā)生器的參數(shù)，在不同的配網(wǎng)設(shè)備上均可以得到振蕩型雷電沖擊波形，并且波形均滿足IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)。