特高压人工交流污秽试验电源关键参数的选型计算分析

孙利朋，李志愿，蒋正龙，李勤朴，方针

(1． 国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙410007;2． 中国新时代国际工程公司，陕西 西安710001)

输电线路的污闪和覆冰事故严重威胁电力系统安全稳定运行，开展人工污秽和覆冰试验可有效分析电网污闪和冰闪事故的原因，为电气设备外绝缘设计和选型提供数据支持〔1－6〕。特高压交流污秽试验电源是进行特高压人工交流污秽和覆冰试验的主要设备〔7－9〕，与其它绝缘试验设备相比，其参数要求较高:它需要比其它型式的绝缘子试验更高的短路电流ISC〔9－11〕，且ISC要高于6 A，最高泄漏电流脉冲的幅值Ihmax与短路电流ISC满足如下关系:ISC/Ihmax≥11;在被试品发生闪络时，按参考文献〔12〕的规定，要求它电压波动小，最大波动值不宜超过6%。

为满足特高压设备的交流污秽和覆冰试验需求，文中的交流污秽试验设备电压选为800 kV，从经济性出发，交流污秽试验变压器采用上下2 级串联方式，其下级电压等级为500 kV，上级电压等级为300 kV。根据国内外交流污秽试验变压器的容量选择配置要求，其高压侧输出电流不小于4 A，容量为3 200 kVA。

1 一次组成及各部分参数说明

交流污秽试验电源的一次部分的主接线图如图1 所示，交流污秽试验变压器的10 kV 电源由220 kV 榔梨变电站经长约250 m 的10 kV 电缆引至10 kV 调压器T1，再经长约50 m 的10 kV 电缆引至交流污秽试验变压器T2，当被试品发生短路时，整个系统经保护电阻R 接地。

图1 交流污秽试验电源的一次部分主接线图

220kV 榔梨变电站共有2 台220 kV 主变，主变参数见表1。

表1 变电站主变参数

当榔梨变电站内1 台主变独立运行时，10 kV侧母线短路容量是453.52 MVA，2 台主变并列运行时，10 kV 侧母线短路容量是759.80 MVA，220 kV 侧短路容量是10 787.7 MVA，110 kV 侧短路容量是2 204.83 MVA。在交流污秽试验过程中，被试品经常发生闪络短路，并由此引起榔梨变电站的10 kV 母线电压波动与闪变。从单台主变和2 台主变并列运行时的短路容量来看，当交流污秽试验发生被试品闪络短路时，2 台主变并列运行时的电压波动值是单台主变运行时的59.69%，因此，文中仅按照发生最严重的电压波动情况(即单台主变运行情况)计算。

调压器T1容量为3 200 kVA，其结构为柱式自耦调压器，在其0～50%的电压输出中，阻抗输出不是线性关系，而在50%～100%的电压输出中，阻抗输出基本呈线性关系，主要阻抗参数见表2。

表2 调压器主要阻抗参数

试验变压器T2为串级式变压器，其额定电压为10.5/(500+300)kV，共2 级，下级额定电压为10.5(低压绕组(有2 个，可并可串))/500(高压绕组)/10.5(联耦绕组)kV，上级额定电压为10.5(低压绕组)/300 kV(高压绕组);总额定容量为3 200 kVA，其中下级的额定容量为3 200(低压绕组)/3 200(高压绕组)/1 200(联耦绕组)kVA，上级额定电压为1 200(低压绕组)/1 200(高压绕组)kVA;阻抗电压为下级单独使用时，Uk=2%，UR=0.25%，2 级串联使用时，Uk=5%，UR=0.25%。

2 关键参数的计算

2.1 榔梨变电站主变侧参数计算

当220 kV 榔梨变电站的单台主变运行且交流污秽试验发生被试品闪络短路时，主变侧的各参数计算如下:

电阻电压 UR(H－L)= 2 × PH－L/S = 0.317%

式中 PH－L为主变高压侧对低压侧的负载损耗，S为主变容量。

式中 UZ(H－L)和UR(H－L)分别为主变高压侧对低压侧的阻抗电压和电阻电压。

式中 SdS为单台主变运行时的系统短路容量，U为主变高压侧额定电压。

由于UX(H－L)远大于UR(H－L)，因此，在进行试品短路(闪络)电流计算时，忽略主变及系统的电阻。

2.2 交流污秽试验变压器参数计算

将交流污秽试验变压器分别按照:2 个低压线圈并联，2 个高压线圈串联，其变比为10.5/800 kV;2 个低压线圈并联，仅采用污秽试验变压器的下级输出，其变比为10.5 kV/500 kV;2 个低压线圈串联，仅采用污秽试验变压器的下级输出时，其变比为10.5 kV/250 kV，3 种方式进行短路阻抗计算，且分别将短路阻抗折算至高压侧，其计算方法如下:

式中 ZB，XB分别为交流污秽试验变压器的短路阻抗和短路电抗，U'为交流污秽试验变压器的高压侧额定电压;STR为交流污秽试验变压器的额定容量;UdX，UdR分别为交流污秽试验变压器的电抗电压和电阻电压。

2.3 各设备短路阻抗参数汇总计算

2.3.1 各设备短路阻抗参数汇总

1)将调压器高压侧的阻抗、220 kV 榔梨变电站10 kV 侧阻抗和第1 段电缆的阻抗相加后，按调压器输出电压变比的平方折算至调压器的低压侧。

2)将步骤1)阻抗折算值与第2 段电缆阻抗值相加后，按污秽试验变压器变比的平方折算至污秽试验变压器的高压侧。

3)将步骤2)折算值与污秽试验变压器的阻抗值相加，得到各设备短路阻抗汇总值。

2.3.2 各种工况下阻抗值参数汇总

1)试验变压器2 个低压线圈并联，2 个高压线圈串联时，其变比为10.5 kV/800 kV，此时的系统阻抗参数计算结果见表3。

表3 试验变压器变比为10.5 kV/800 kV 时系统阻抗计算结果 Ω

2)试验变压器2 个低压线圈并联，仅采用污秽试验变压器的下级输出时，其变比为10.5 kV/500 kV，此时的系统阻抗参数计算结果见表4。

表4 试验变压器变比为10.5 kV/500 kV 时系统阻抗参数计算 Ω

3)试验变压器2 个低压线圈串联，仅采用污秽试验变压器的下级输出时，其变比为10.5 kV/250 kV，此时的系统阻抗参数计算结果见表5。

表5 试验变压器变比为10.5 kV/250 kV 时系统阻抗参数计算 Ω

2.4 不同保护电阻下220 kV 榔梨变电站低压

侧母线电压降计算方法

1)试验变压器高压侧短路电流计算

将上述系统、调压器、线路、工频试验变压器等元件的阻抗汇总值均折合至试验变压器高压侧，然后根据调压位置确定的空载电压除以回路总阻抗即为短路电流。

2)榔梨变11 kV 母线的电压波动计算

按照参考文献〔2〕的估算方法如下:

式中 d 为电压变动;RL，XL分别为电网阻抗的电阻和电抗分量，在计算时，将原试验变压器高压侧的阻抗折算至调压器原边;UN为系统标称电压，11 kV;ΔP 和ΔQ 分别为短路时的有功功率和无功功率的变化量，由于在污秽试验变压器试验时，在闪络之前流过被试品(主要是绝缘子串)的电流很小，几乎为0，因此，ΔP 和ΔQ 可以近似认为是短路时的有功功率和无功功率。

榔梨变电站11 kV 侧母线电压相对值为1－d。

2.5 在各种工况下的电压计算情况分析

根据上述计算分析，调压器、试验变压器和系统的阻抗值均已确定，对短路电流和榔梨变电站11 kV 母线电压波动值的计算主要取决于保护电阻值，因此，在以下计算中主要通过保护电阻的取值计算来分析本交流污秽试验电源能否满足交流污秽试验的需要。保护电阻的选取，一方面要尽量满足试验时的各方面参数的需求:尽可能保证较大的短路电流，同时要减小对榔梨变电站11 kV 母线电压的波动;另一方面由于交流污秽试验电压有较大的分散性，因此在对同一电压等级被试品试验时，试验电压范围要尽量大，同时要尽量采用一种阻值的保护电阻。

按照参考文献〔10〕中的规定，最大的临闪泄漏电流脉冲幅值是在绝缘子串爬电比距为25 mm/kV 的情况下，其值为1.35 A，此时的短路电流值要大于14.85 A，而规程中对于爬电比距大于25 mm/kV 的绝缘子串的临闪泄漏电流脉冲幅值没有明确规定。根据绝缘子串污闪〔13－17〕的研究，绝缘子串的临闪泄漏电流脉冲幅值可达到1.5 A，此时的短路电流值要大于16.5 A。此外，根据的目前的覆冰研究〔18，19〕发现，绝缘子串的临界闪络电流在覆冰情况下要明显大于普通污秽情况，但目前没有权威的测量值。因此，在选取保护电阻时，要尽量获得较大的短路电流，以满足覆冰试验的需求。

2.5.1 特高压被试品的试验电压选择与计算

1 100kV 产品的试验电压主要范围考虑为(1±10%)× 1 100/，等效于调压器的71.4%～87.5%分接位置，750 kV 产品的试验电压主要范围考虑为(1±10%)× 800/，等效于调压器的51.9%～63.5%分接位置，要求保护电阻在该电压分接范围内满足短路电流的要求和榔梨变11 kV 母线电压波动的要求。这2 种特高压被试品加压范围内的保护电阻计算见表6。

表6 2 种特高压被试品加压范围内的保护电阻计算

从表6 数据可以看出:对于特高压绝缘子的污秽试验，仅考虑调压器的50%及以上的分接位置，保护电阻采用2 种，分别为15 kΩ 和12 kΩ。对于1 100 kV 被试品的试验，当选用15 kΩ 的保护电阻时，在其试验电压范围内，榔梨变11 kV 母线侧的电压波动不超过5%，短路电流22.3～26.4 A，可以满足交流污秽试验的需求，同时也为覆冰试验留有裕度。

对于750 kV 被试品的试验，当选用12 kΩ 的保护电阻时，在其试验电压范围内，榔梨变11 kV母线侧的电压波动不超过4%，短路电流20.6～21.5 A，也可以满足交流污秽试验的需求，同时也能为覆冰试验留有裕度。

2.5.2 各电压等级被试品的试验电压选择与计算

在进行500 kV 和330 kV 被试品试验时，仅需要采用试验变压器的下级，且其低压2 个线圈并联接线，此时的试验变压器变比为10.5 kV/500 kV。

500kV 被试品的试验电压主要范围考虑为(1±10%)× 550/，等效于调压器的57.16%～69.86%分接位置，330 kV 产品的试验电压主要范围考虑为(1±10%)× 365/，等效于调压器的37.93%～46.36%分接位置，要求保护电阻在相应电压分接范围内满足短路电流和榔梨变11 kV 母线电压波动的要求。500 kV 和330 kV 被试品加压范围内保护电阻的计算结果见表7。

表7 500 kV 和330 kV 被试品加压范围内保护电阻的计算结果

从表7 中数据可以看出:对于500 kV 被试品的污秽试验，仅考虑调压器的50%及以上的分接位置，保护电阻采用10 kΩ 时较为恰当，在其试验电压范围内，榔梨变11 kV 母线侧的电压波动不超过3%，短路电流超过21.8 A，甚至可以达到30 A，可以满足交流污秽试验的需求，同时也为覆冰试验留有较大的裕度。但如果保护电阻采用10 kΩ进行330 kV 被试品试验时，其最小短路电流约15 A，勉强可以满足污秽试验的需要，而基本没有进行覆冰试验的裕度，取值偏大。

对于330 kV 被试品的试验，当选用5 kΩ 的保护电阻时，在其试验电压范围内，榔梨变11 kV 母线侧的电压波动不超过2%，短路电流超过24 A，甚至可以达到37 A，可以满足交流污秽试验的需求，同时也为覆冰试验留有较大的裕度。如果保护电阻采用5 kΩ 进行500 kV 被试品试验时，其最小短路电流约37.6 A，榔梨变电站11 kV 侧电压波动小于4%，可以满足污秽试验的需要，也可以满足覆冰试验的短路电流裕度要求，但短路电流较大，对整个试验装置的短路冲击较大。

2.5.3 110～330 kV 电压等级被试品的试验电压选择与计算

在进行110～330 kV 被试品试验时，仅需要采用试验变压器的下级，且其低压2 个线圈串联接线，此时的试验变压器变比为10.5/250 kV。

330kV 产品的试验电压范围考虑为(1±10%)× 365/，等效于调压器的75.86%～92.72%分接位置，220 kV 产品的试验电压范围考虑为(1±10%)× 252/，等效于调压器的 52.38%～64.02%分接位置，110 kV 产品的试验电压范围考虑为(1 ± 10%)× 121/，等 效 于 调 压 器 的25.15%～30.74%分接位置，要求保护电阻在相应电压分接范围内满足短路电流和榔梨变11 kV 母线电压波动的要求。110～330 kV 被试品加压范围内保护电阻的计算结果见表8。

表8 110～330 kV 被试品加压范围内保护电阻的计算结果

从表8 中数据可以看出:对于330 kV 和220 kV 被试品的试验，当选用5 kΩ 的保护电阻时，在其试验电压范围内，榔梨变11 kV 母线侧的电压波动不超过2%，短路电流超过26 A，可以满足交流污秽试验的需求，也为覆冰试验留有较大的裕度。

对于110 kV 被试品的试验，应当选用1 kΩ 的保护电阻，此时，在其试验电压范围内，榔梨变11 kV 母线侧的电压波动不超过3%，短路电流超过33 A，甚至可以达到43 A，可以满足交流污秽试验的需求，同时也为覆冰试验留有较大的裕度。

3 交流污秽试验电源抗短路能力计算

对于不同电压等级的被试品，短路电流峰值系数为

式中 Tf为时间常数，且Tf=∑X/(314×∑R)，∑X 和∑R 分别为整个系统折算至高压侧的总电抗和电阻。

全电流峰值:

式中 IZ'为短路电流方均根值。

全电流最大有效值IF出现在短路的第1 周期，且

文中对1 100 kV，500 kV，330 kV 和220 kV 电压等级的被试品进行了计算，对1 100 kV 被试品试验时的变压器变比为10.5 kV/800 kV，对500 kV被试品试验时的变压器变比为10.5 kV/500 kV，对330 kV 和220 kV 试验时的变压器变比为10.5 kV/250 kV。

3.1 有保护电阻情况下，短路电流冲击电流有效值及峰值的计算

在有保护电阻情况下，对各电压等级被试品进行试验时，其全电流有效值与峰值基本一致，最大短路电流计算值见表9。

表9 不同电压等级被试品试验的最大短路电流值(有保护电阻时)

3.2 升压变出口(无保护电阻)短路电流有效值、冲击电流有效值及峰值的计算

在无保护电阻情况下，对各电压等级被试品进行试验时，最大短路电流计算值见表10。

表10 不同电压等级被试品试验的最大短路电流值(无保护电阻时)

3.3 试验设备抗短路能力分析

1)根据短路电流峰值和全电流最大有效值的计算，试验设备在有保护电阻的情况下，出现短路接地时，对于不同电压等级的被试品试验时，要求抗短路能力如下:

①对于特高压被试品进行试验时，试验变压器的额定电流为4 A，要求其至少可以承受9 倍的额定电流的短路冲击;

②对于500 kV 及以下被试品进行试验时，试验变压器的额定电流为6.4 A，要求其至少可以承受6 倍的额定电流的短路冲击。

2)试验设备在无保护电阻的情况下，在试验过程中出现出口短路的现象概率很小，同时，由于系统的短路阻抗很小，因此短路电流也很大，如果要求设备厂家做到这样的设备参数，将大大提高设备的造价，非常不经济，因此，在无保护电阻的情况下的短路计算仅作为一种设备极限选型的参考，其短路能力分析如下:

①对于特高压被试品进行试验时，试验变压器的额定电流为4 A，要求其至少可以承受12 倍的额定电流的短路冲击;

②对于500 kV 及以下被试品进行试验时，试验变压器的额定电流为6.4 A，要求其至少可以承受20 倍的额定电流的短路冲击;

③对于调压器，要求其至少可以承受19 倍的额定电流的短路冲击。

4 结论

从上述计算过程来看，交流污秽试验电源在满足短路电流的需求下，需尽量合理阻值的保护电阻，一方面可以减小榔梨变电站11 kV 母线的电压降，另一方面可以减小短路电流对设备的冲击。在进行不同电压等级被试品的试验时，为获得最佳的试验效果，其保护电阻取值和试验变压器的接线方式如下:

1)进行1100 kV 被试品试验时，试验变压器的高压侧2 级串联，低压侧2 级并联。保护电阻原则上选用15 kΩ，以保证试品闪络时榔梨变电站11 kV 母线侧电压跌落不超过5%。

2)在进行750 kV 被试品试验时，试验变压器的高压侧2 级串联，低压侧2 级并联。保护电阻原则上选用12 kΩ，以保证试品闪络时榔梨变电站11 kV 母线侧电压跌落不超过5%。

3)在进行500 kV 被试品试验时，仅采用试验变压器的下级，低压侧2 级并联。保护电阻原则上选用10 kΩ，以保证试品闪络时榔梨变电站11 kV母线侧电压跌落不超过3%。

4)在进行330 kV 被试品试验时，仅采用试验变压器的下级，低压侧2 级并联(也可以串联)。保护电阻原则上选用5 kΩ，以保证试品闪络时榔梨变电站11 kV 母线侧电压跌落不超过3%。

5)在进行220 kV 被试品试验时，仅采用试验变压器的下级，低压侧2 级串联。保护电阻原则上采用5 kΩ，以保证试品闪络时榔梨变电站11 kV母线侧电压跌落不超过3%。

6)在进行110 kV 被试品试验时，仅采用试验变压器的下级，低压侧2 级串联。保护电阻原则上采用1 kΩ，以保证试品闪络时榔梨变电站11 kV母线侧电压跌落不超过3%。

文中通过对被试品短路时的短路冲击电流峰值和有效值计算，分析了设备有保护电阻和无保护电阻时的设备抗短路能力要求，由于试验时，设备均带有保护电阻，且被试品闪络时，短路电阻很少出现短路现象，因此，设备抗短路能力要求如下:

1)对于特高压被试品进行试验时，试验变压器的额定电流为4 A，要求其至少可以承受9 倍的额定电流的短路冲击;

2)对于500 kV 及以下被试品进行试验时，试验变压器的额定电流为6.4 A，要求其至少可以承受6 倍的额定电流的短路冲击。

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