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 102401）

平波电抗器是直流输电系统关键设备之一。按照国际标准IEEE1277[1]的规定和设备技术规范的要求，用于800kV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 300～900Hz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460kHz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PSCAD软件进行仿真，试品为75mH电感的特高压平波电抗器，操作冲击水平为 845kV。根据试品电感和试验装置的电容器规格，充电电容取0.5μF，振荡频率为822Hz，符合标准[1]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，Lc为电容器自身杂散电感，Rt为波尾电阻，Cs为分压器电容，Ca为截波装置电容，Lz、Cz、Cz、Rz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400pF的电容来计入它的影响。电抗器端对端匝散电容是实际测量值，电路中其余杂散参数为估计值。开关 K（球隙）接通回路之前电容器的电压取 845kV。按此条件计算，获得了电抗器两端之间的电压波形，如图2所示。为了观察波前细节，图2只是给出了起始阶段50μs的波形。由图2可见，波前阶段的高频振荡使电压波最大幅值达到1556kV，过冲系数高达1.86，振荡频率为475kHz。

图2 波前高频振荡

图3 波头电阻26.64Ω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与脉冲电容器和试品相串联的波头阻尼电阻。但计算表明这与维持波形持续时间相抵触。本文对添加阻值分别为26.64Ω、100Ω、200Ω的波头阻尼电阻进行仿真，结果如图3、4、5所示。波头电阻26.64Ω时，过冲系数1.76，过冲最高值为1480kV，对试品来说显然太高。波头电阻100Ω时过冲系数 1.4，过冲最高值为 1194kV，依然比较大，并且电容器放电仅仅维持 4ms。波头电阻增加到 200Ω 时过冲最高值为951kV，虽然过冲系数1.13降低到安全范围内，但电容器放电持续时间降低到3ms，中频振荡仅仅维持一个周波。根据IEEE1277[1]对电容器放电试验的规定，电容器放电持续时间最少应在10ms以上。可见，波头阻尼电阻取值较小时，对高频过冲无明显抑制作用，取值较大时，虽然可以抑制过冲，但主振荡持续时间却受到严重限制，不能满足规范要求。

图4 波头电阻100Ω的仿真波形

图5 波头电阻200Ω的仿真波形

为了能够兼顾抑制高频过冲和维持主振荡持续时间，本文提出了一种新的抑制高频过冲的方法。该方法在试验回路中与试品串联接入暂态阻波器，对施加于试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 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822Hz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R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R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。

图6 阻波器原理电路及其高频阻抗特性

由图6可知，在450kHz以上高频段，阻波器呈现出大约420Ω的电阻，这就相当于在试验回路中串联了一只420Ω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 300～900Hz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间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1mH主线圈，420Ω阻塞电阻（高频阻抗中的电阻分量）边界频率为60kHz。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到 0.3mH，将 420Ω阻塞电阻的边界频率调整到200kHz以上，或者将阻塞电阻增大到840Ω，阻塞电阻的边界频率调整到120kHz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845kV，过冲最高值为1040kV，过冲系数达到1.26，放电开始10ms后依然有较大振荡。串入阻波器同时加26.64Ω的波头阻尼电阻时，对波前高频过冲系数降到1.19，波形如图8所示。

图7 串联阻波器的仿真波形图

图8 串入阻波器并加26.64Ω电阻的仿真波形图

4 试验验证

对电感75mH的±800kV平波电抗器进行电容放电试验，使用单级电容2μF的16级冲击电压发生器，两极并联为一组共8级，总电容0.5μF。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463kHz，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。

图9 未串阻波器的试验波形图

图10 串联阻波器的试验波形图

图10给出了串联阻波器之后的试验波形，从图10（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 1.18。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 10ms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自放电，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间有直接关系。因此，即使串联插入阻波器完全可以抑制过冲，保留波头电阻、波尾电阻从而将放电持续时间维持在一个适当数值（10ms左右）仍然是必要的。否则试验装置可能会在试验过程中频繁损坏，使试验和工程进度无法履行时间计划。

6 结论

1）在平波电抗器的电容器放电试验回路中，杂散电容、引线电感等会在波前上升沿产生很强的高频暂态过程，形成1.8倍甚至更高的过冲。

2）波头阻尼电阻对于抑制高频过冲的效果欠佳，一味加大阻尼电阻值，会严重缩短放电持续时间。

3）串入阻波器可以有效的消除试验回路在波前产生的高频暂态分量，大大消减过冲电压峰值，对试品起到了有效的保护作用。

[1]IEEE Std 1277-2000[s]. IEEE Trial-Use Standard General Requirements and Test Code for Dry-Type and Oil-immersed Smoothing Reactors for DC Power Transmission.