基于CVT的冲击电压过冲补偿的研究

杨永明等

【摘 要】本文从IEC60060-1对高电压设备试验的要求出发，对特高压电容式电压互感器（CVT）试验过冲补偿回路进行了深入的理论分析，并利用pSpice软件对此试验回路进行了仿真，理论分析和仿真均表明：只采用冲击电压發生器无法满足特高压CVT雷电波波形的需求，必须在冲击电压发生器输出端串入过冲补偿装置才能满足IEC对特高压CVT试验的要求；过冲补偿装置的电容和电阻具体参数的选择必须严格保证标准雷电波形的要求。为此，需要对过冲补偿装置的形式进行理论分析、电路仿真分析及实验验证，从而设计出参数合理、效果明显的过冲补偿装置。试验表明并验证了采用冲击电压发生器及参数合理的过冲补偿能够解决目前特高压发展所带来的试品容量不断增大的难题。

【关键词】冲击电压发生器；CVT；过冲补偿

1引言

随着电网超着特高压、智能化方向的发展，特高压直流输电成为其重要的组成部分，而特高压直流输电的重要设备之一就是换流变压器，根据IEC60060-1的规定，特高压CVT的绝缘试验中雷电波的波形是要得到严格保证的[1]。然而，由于入口电容都大大增加，这就对冲击电压发生器的带载能力提出了很高的要求。然而，目前仅靠冲击电压发生器是无法满足换流变压器的试验能力的。因为冲击电压发生器本体内电感的限制，冲击电压发生器其随着电压的升高内电感也不断的增大，使其带负荷能力也不断降低。目前，国际上有两种方法来抑制雷电波的过冲，一是采用串联过冲补偿装置，二是采用并联过冲补偿装置。然而，对于此两种方法的优缺点及其设计方法并没有相关理论和实际研究。

本文从串联过冲补偿和并联过冲补偿的深入分析入手，阐明了两种方法的不同之处，给出了采用串联过冲补偿的合理性及设计方法。对此类问题的解决提供理论和实际的参考。

2并联过冲补偿电路的分析及仿真

图1是并联过冲补偿法的等效电路，其中CT是被试品电容，Ls是回路电感，Roc、Loc及Coc构成并联过冲补偿装置，Loc是并联过冲补偿装置电感，Cs为冲击电压发生器主电容，Rf为波头电阻，Rt为波尾电阻。

对于图1，并联补偿装置是一个吸收电路，当Loc与Coc发生串联谐振时，谐振频率为fres，如果Roc足够小的话，此支路相当于短路。由Cs、CT及Ls产生的频率为fres震荡波形会被吸收掉。此频率可由公式（1），计算出来。

在此对串联回路[2]，[3]进行详细的理论分析，图2是R、L、C串联电路，其中Cs是被试品电容，Ls是谐振电感，Rs是串联回路的总电阻。

由此可见，串联谐振回路，在加上频率等于其谐振频率的震荡电压后，电路将出现一个由原来的初始状态到最终完全谐振状态的过渡过程，此过渡过程的长短完全取决于衰减系数δ，其值越大则过渡过程越短。并联过冲补偿电路，要求过渡过程尽量的长以减少电容和电感上的电压，同时又要求电阻尽量的小，从而快速的吸收过冲电压，从这里的理论分析看出，二者之间存在冲突。

为了对以上的理论分析结果有一个直观的认识，利用Matlab中的Simulink对串联谐振电路进行了仿真分析[4]，所得到的结果如下图所示。

从上述仿真分析可知，串联谐振回路随着品质因数的增大，串联谐振的过渡过程也大大增加，表明串联谐振回路中，短的过渡过程和高的谐振效率是不能同时获得的，即小的电阻和长的过渡过程是无法同时获得的。

从上述理论分析及仿真分析可知，串联谐振回路存在着品质因数和过渡过程的矛盾[2]。然而，并联过冲补偿装置，既需要小的电阻又需要长的过渡过程以减小电容和电感上的电压，否则不是无法把过冲的电压吸收掉无就是法降低电感和电容上的电压。这与串联电路频率特性的结果一致，即宽的带通和高的品质因数是无法同时获得的。另外，此装置可调参数为三个，即电阻、电感和电容，这就使得调试困难。

3 串联过冲补偿电路的分析及仿真

图4是串联过冲补偿装置等效电路[5]，[6]，其中CT是被试品电容，Ls是回路电感，Rc、Lc及Cc构成串联过冲补偿装置，Lc是串联过冲补偿装置的固有残余电感（即电阻制造过程中的残余电感），Cs为冲击电压发生器主电容，Rf为波头电阻，Rt为波尾电阻。

由图4可知，串联过冲补偿装置与被试品电容组成了低通滤波器，高频率的波头过冲被阻尼掉，而低频率的波尾和波头都能顺利通过过冲补偿装置。低通滤波器的等效电路如图5所示。

由于雷电冲击电压波形的IEC标准规定，频率超过0.5MHz且过冲幅值超过峰值的5%是不容许的。故此，必须将高频的震荡波滤掉。由上述理论及仿真分析可知，采用串联过冲补偿装置是可行的。本文通过计算机仿真的方法发现，可以通过首先确定试品的电容量，被试品电容量的一半作为过冲补偿装置的电容参数，然后通过调整波头电阻和过冲补偿装置的电阻，使得试品两端的波形符合国标要求。

4实例试验验证

对于北京华天机电研究所有限公司的冲击电压发生

器CDYH4000kV/600kJ，当CVT等效负载电容为6nF，500kV电压等级时，需要采用串联过冲补偿装置，电阻为108Ω，电容为3000pF。此时，可以抑制过冲为40%，大大提高了带负载能力。图8、图9为过冲补偿电路的仿真电路及仿真结果。

图8中Rf=40Ω，Rt=837Ω，Rc=180kΩ，L=91μH，Rs=108Ω，Cs=3000pF，CT=6000pF。图9中上面的曲线为试品两端的电压波形，波头波尾时间及过冲要求都符合国标规定。图9中下面的曲线为过冲补偿装置两端的电压波形，从图中可以看出，过冲补偿装置两端的电压峰值约为试品电压峰值的40%，过冲补偿效果非常的明显。

在实验中，半电压调波如下，北京华天机电研究所有限公司的冲击电压测量软件具有过冲不符合国标要求自动显示功能，图10为不加过冲补偿装置时的实验结果，从图10可以看出，当满足过冲要求时，波头波尾时间都不符合标准要求。而从图11可以明显看到，当过冲满足要求时，波头波尾时间也都符合国标的要求。图10、图11的数据来河南平高电气。

5 结论

本文的理论分析、电路仿真均及实验均表明：并联过冲补偿装置从原理上就不适合作为过冲补偿装置在高电压实验领域使用，实践中调试困难；而串联过冲补偿装置大大提高了冲击电压发生器的带负载能力，克服了目前随着特高压直流输电的发展而带来的负载电压及等效电容不断增大而造成的冲击电压实验的困难。串联过冲补偿装置调试简单，只需要调整波头电阻就可满足实验需要。

参考文献：

[1] 《IEC60060_1_2011》关于雷电波波形的标准要求部分.

[2] 魏新劳，杨永明.电力电容器过电压周期实验主回路方案分析.哈尔滨理工大学学报，2010年第2期.

[3] 周长源.电路理论基础[M].北京：高等教育出版社，1996.

[4] 周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2005.

[5] 张仁豫等.高电压实验技术[M].北京：清华大学出版社，2003第二版

[6] J.Wolf，G.Voigt： A new solution for the extension of the load range of impulse generator，10thISH Montreal，1997.