直流叠加冲击电压试验回路保护电阻参数选择与外形优化

张贵富，傅中，程登峰，朱太云，朱胜龙，吴正阳

(1. 合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥230009；2. 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，合肥230022)

0 引言

在特高压交流工程系统调试过程中，GIS母线残余电压和合闸的冲击电压共同作用可能会导致GIS母线发生闪络情况。开展GIS母线有残余直流电压情况下叠加冲击电压试验是研究提高GIS母线绝缘水平的必要方法。设计直流叠加冲击电压试验回路是开展试验的重要工作。在设计该试验回路时，一个重要任务是设计特殊的电阻元件保护直流电压发生器，防止过高的冲击电压施加到直流电压发生器造成设备损坏。

国内外研究人员对于直流叠加冲击电压试验方法和对直流电压发生器采取的保护措施开展了大量研究[1 - 6]。徐喆明等人开展了正极性100 kV直流叠加正操作冲击电压试验，用组装好的阻值为3 MΩ、外绝缘长度为0.9 m的氧化膜电阻作为保护电阻，能够有效防止冲击电压加到直流发生器上[1]。廖蔚明等人研究了±800 kV直流线路杆塔塔头空气间隙的直流叠加操作冲击放电特性，文中设计了叠加试验回路，选择10 MΩ的水电阻用于保护直流电压发生器，用绝缘绳悬挂安装[5]。马径坦等人研究了±100 kV直流叠加600 kV冲击电压下GIS的绝缘特性，建立了叠加试验回路，采用1 MΩ的保护电阻，用于降低冲击电压对直流电压发生器的影响[6]。文献[7 - 8]研究了棒-板、棒-棒间隙的直流叠加操作冲击电压试验，试验中施加的直流电压分别为400 kV、600 kV、750 kV，操作冲击电压为不同幅值的120/4 000 μs波形电压，其中文献[7]采用了2.5 MΩ保护电阻来实现保护直流电压发生器的目的，而文献[8]则采用6 MΩ的电阻用于保护额定值为±750 kV、15 mA的直流电压发生器。综上所述，国内外已有较多对于直流电压发生器保护电阻的研究，保护电阻的参数选择方法值得借鉴，但由于试验要求不同，选择的保护电阻阻值也不同，同时由于电压等级高，要实现900 kV直流电压叠加1 800 kV操作冲击电压或2 400 kV雷电冲击电压的共同作用，保护电阻的外绝缘尺寸和外形需要进行设计，之前文献研究则较少。

本文首先利用仿真软件进行直流叠加冲击电压试验回路中保护电阻的阻值计算，确定保护电阻的阻值；对研制的保护电阻进行试验，基于发生的外绝缘闪络现象，优化电阻丝绕法和高压端均压环尺寸，最终获得满足试验要求的电阻。

1 试验回路原理图

直流与冲击电压叠加试验的试验回路如图1所示。其中左边为冲击电压发生器，右边为直流电压发生器。冲击电压发生器通过隔直电容与相应的GIS试验段连接，GIS试验段为1 000 kV电压等级母线串联500 kV母线试验平台，其中1 800 kV操作或2 400 kV雷电冲击电压是1 000 kV GIS母线额定操作或雷电冲击耐受电压。为了防止冲击电压会加到直流电压发生器造成损坏，在回路的直流电压发生器与试品之间增加了保护电阻Rd。Rd的阻尼会使直流发生器上承受的冲击电压减少[1]。正确选择Rd的大小是实现保护的关键[1]。

图1 直流与冲击电压叠加试验回路原理图Fig.1 Schematic diagram of DC and impulse voltage superimposed test circuit

2 保护电阻电阻值选择

2.1 保护选择原理

根据试验回路的等效电路计算，将冲击波等效成持续时间为冲击电压半峰值时间T2的矩形波时, 可算出选择保护电阻Rd的条件[1]。

(1)

式中：Um为冲击电压峰值；Uk为直流电压发生器的承受电压；T2为冲击电压半峰值时间，雷电过电压可取50 μs，操作过电压可取2 500 μs；Cd为滤波电容，在直流电压发生器输出侧一般有50 nF的电容值，可视为滤波电容。

此外，保护电阻的阻值选择还应满足远小于分压器电阻(1 200 MΩ)和远大于冲击电压发生器波头电阻(32 kΩ)的要求[1]。

2.2 阻值的确定

综合考虑式(1)计算结果和上述取值要求，确定保护电阻的阻值范围为37.5 kΩ≤Rd<1 200 MΩ。在此范围内，选择常用的阻值为50、100、300、500、800 kΩ的保护电阻，分别放在直流叠加操作冲击与直流叠加雷电冲击电压试验回路中进行仿真计算，检验保护电阻的保护效果。仿真电路如图2所示。假设隔直电容为0.03 μF，GIS试验段试品等值电容约为0.007 μF。

图2 保护电阻仿真电路图Fig.2 Simulation circuit diagram of protection resistor

图2中Ea为试品上的叠加电压，Eb为直流电压发生器输出侧电压。试品不闪络时，试品要承受全部叠加电压，为最严重情况[1]。本文针对试品不闪络时，在直流叠加操作冲击电压和直流叠加雷电冲击电压2种情况下，对上述5种阻值的保护电阻分别进行仿真分析。直流电压发生器最高输出电压为1 200 kV，为达到保护直流电压发生器的目的，直流电压发生器承受的叠加电压幅值控制在小于1 200 kV，以此来选择保护电阻。

2.2.1 直流叠加操作冲击电压时电阻计算

保护电阻在不同取值时，进行+900 kV直流电压叠加+1 800 kV操作冲击电压的仿真试验。直流电压发生器输出侧的电压波形如图3所示。可知：1)当Rd分别为50 kΩ和100 kΩ时，直流电压发生器输出侧电压幅值均高于1 200 kV；2)当Rd≥300 kΩ时，直流电压发生器输出侧电压幅值均低于1 200 kV，可满足直流电压发生器控制电压的要求。同时考虑1.2倍的安全系数，选择500 kΩ的保护电阻较合适。

图3 Rd在不同取值时的直流电压发生器电压波形Fig.3 Voltage waveforms of DC voltage generator at different values of Rd

2.2.2 直流叠加雷电冲击电压试验时电阻计算

保护电阻在不同取值时，进行+900 kV直流电压叠加+2 400 kV雷电冲击电压仿真，图4为直流电压发生器输出侧电压波形。由图可知：当Rd≥100 kΩ时，直流电压发生器输出侧电压幅值小于1 200 kV，可以满足直流电压发生器控制电压的要求。

综合直流叠加操作冲击与雷电冲击电压仿真计算结果，选择阻值为500 kΩ的保护电阻可满足试验需要。

图4 Rd在不同取值时的直流电压发生器承受电压波形Fig.4 Voltage waveforms of DC voltage generator at different values of Rd

3 保护电阻设计及试验闪络分析

3.1 保护电阻设计

由于试验电压等级较高，保护电阻在承受直流叠加冲击电压时需要防止外绝缘闪络，保护电阻外绝缘长度要足够。根据文献[10 - 13]中空气间隙距离d与50%冲击放电电压U50%的曲线关系，设计保护电阻的外绝缘长度为10 m，可满足不发生外绝缘闪络的要求。由于工艺原因，单节10 m电阻难以制作，因此采用3节串联、横置结构，设计图如图5所示，实物图如图6所示。

图5 保护电阻设计图Fig.5 Design drawing of protection resistor

图6 保护电阻实物图Fig.6 Physical map of protection resistor

3.2 试验闪络及原因分析

对加工的阻值为500 kΩ、外绝缘长度为10 m的保护电阻进行试验，当施加的雷电冲击电压大于+1 700 kV时，保护电阻多次发生了外绝缘闪络， 分析原因可能为：1)选材及制作工艺不符合试验要求；2)电压与电场分布不均匀。

将电阻进行解剖，环氧筒表面未发现异常，无闪络痕迹；电阻丝未烧断，热容量足够。说明环氧筒与电阻丝性能良好，闪络并非选材及制作工艺所致，可能是电压与电场分布不均匀造成外绝缘闪络。

电压与电场分布不均匀可能是电阻存在的剩余电感与寄生电容造成的[14 - 15]，保护电阻存在剩余电感与寄生电容的工况可有以下4种：工况1，电阻为单线密绕有感结构且寄生电容分布不均匀；工况2，电阻为单线密绕有感结构且寄生电容分布均匀；工况3，电阻为双线对绕无感结构且寄生电容分布不均匀；工况4，电阻为双线对绕无感结构且寄生电容分布均匀。对以上4种工况进行雷电冲击电压的电路仿真分析，模型如图7所示。

图7 保护电阻上承受雷电冲击电压的仿真电路图Fig.7 Simulation circuit diagram of lightning impulse voltage on protection resistor

电阻共分为3节，分析计算时将其中第一节细化为10小段，分析电压分布情况。实际中寄生电容分布不均匀时参数分布比较复杂，本文假设1、3、5、7、9这5小段的电容均为10 pF；2、4、6、8、10这5小段的电容均为50 pF，模拟寄生电容分布不均匀的情况。选取1、3、5、7、9这5小段电压进行对比，得到电压分布如图8所示。

图8 4种情况下的实际电阻电压分布图Fig.8 Distribution diagram of actual resistance voltage in four conditions

由图8可知：1)图8(a)—图8(c)均出现了电阻电压分布不均匀的情况，图8(d)各段输出电压波形基本一致，说明电压分布较均匀；2)对比图8(b)和图8(d)，说明剩余电感的存在对电压分布产生一定的影响；3)对比图8(c)和图8(d)，说明寄生电容的存在对电压分布有较大影响。

根据以上分析，为改善电阻电极间电压分布，防止闪络的发生，需要优化电阻丝绕法，以减少电阻剩余电感；同时需要优化外绝缘，使寄生电容分布更加均匀。

4 电阻丝绕法和外绝缘优化

4.1 电阻丝绕法优化

为使电阻剩余电感尽可能减小，电阻丝绕法采用双线双层对绕无感绕制方法[14]。同时，为了增加电阻丝层与层之间的绝缘，采用包垫单张聚丙乙烯薄膜的做法；为了保护电阻外表面，采用喷涂耐污性能良好的RTV材料的做法，如图9所示。图9中“⊗”表示进线，“⊙”表示出线。

图9 电阻丝双线对绕示意图Fig.9 Schematic diagram of double-wire winding of resistance wire

4.2 外绝缘优化

由于冲击电压的分布还会受寄生电容分布的影响，因此，需要对电阻的外绝缘进行优化设计，配置均压环是外绝缘优化的有效措施[15 - 18]。本文在电阻的两端增设大均压环，中间连接处增设小均压环，均压环外形尺寸制作成类似避雷器用屏蔽环，如图10所示，能够更有效地均匀寄生电容分布，从而均匀电压和电场分布。

图10 均压环结构Fig.10 Structure of grading ring

4.2.1 仿真模型的建立

为选出在电阻电压分布和电场分布均匀时的均压环尺寸，需要通过电场仿真的方法，对不同尺寸均压环的均压效果进行分析。从工程近似角度，将三维电阻模型简化为二维模型[19 - 22]，且在建模过程中忽略了均压环的支撑杆，采用悬浮模型[20]，同时为简化计算，仅对第1节电阻进行仿真分析，其简化模型如图11所示。实际保护电阻悬挂于特高压试验大厅顶部，其电场的求解是开域问题，无法直接用有限元法求解[20 - 22]。本文采用渐进边界条件[20 - 22]，选择直径约为该保护电阻长度10倍的圆形作为外部空气域，来模拟无限大边界。边界条件设置为高压侧(包括均压环)施加雷电冲击峰值电压2 400 kV，低压侧(包括均压环)接地，圆形空气域最外围边界电压设置为0。采用自由三角形网格进行剖分，并选择物理场控制。

图11 加均压环时的保护电阻二维仿真模型Fig.11 Two-dimensional simulation model of protection resistor when grading ring is added

4.2.2 外绝缘优化计算

均压环的原始尺寸如下：大均压环D=2 400 mm、H=1 000 mm、d=240 mm，小均压环D=910 mm、H=245 mm、d=150 mm。研究表明，电阻高压侧的电压分布不均匀度最高，电场也集中在高压侧[19]。下文所指的均压环参数优化均为高压侧大均压环。

1)均压环环径D的优化

取d=240 mm、H=1 000 mm，对比D取值不同时电阻高压侧电极表面及均压环表面的场强最大值，结果如表1所示。电阻沿面电压、电场分布如图12所示。

表1 D取值不同时最大场强计算结果Tab.1 Results of maximum electric field strength with different D

图12 D取值不同时的沿面电压、电场曲线Fig.12 Surface voltage and electric field strength distribution with different values of D

可以看出，随着均压环环径D的增大，均压环表面最大场强逐渐减小，保护电阻沿面电压与电场的均匀程度逐渐升高，但变化幅度相对减小。增大D可以有效改善电阻的电压与电场分布，但当D过大时，由表1可知，电阻高压侧电极的最大场强会逐渐增大。因此均压环环径取为2 400～2 900 mm较为合适。

2)均压环罩深H的优化

取D=2 400 mm、d=240 mm，对比H不同取值下电阻高压侧电极表面及均压环表面的场强最大值，如表2所示。电阻沿面电压、电场分布如图13所示。可以看出，随着H的减小，电阻高压侧电极表面和均压环表面最大场强逐渐减小，当H为400～700 mm时，电阻沿面电压和电场分布不均匀程度比较低。因此取均压环罩深为400～700 mm较为合适。

表2 H取值不同时最大场强计算结果Tab.2 Results of maximum electric field strengths with different H

图13 H取值不同时沿面电压和电场Fig.13 Surface voltages and electric field strengths distribution with different H

3)均压环管径d的优化

取D=2 400 mm、H=1 000 mm，对比d不同取值下电阻高压侧电极表面及均压环表面的场强最大值，结果如表3所示。电阻沿面电压、电场分布如图14所示。可以看出，随着d的增大，高压侧电极表面、均压环表面的最大场强会逐渐降低，但由图14可知，相比于前面1)和2)的仿真结果，d对电阻表面电压和电场的影响较小，当d>290 mm时，随着d的增大，高压侧电极和均压环表面场强减小的幅度降低，且从经济角度考虑，取均压环管径为240～290 mm较为合适。

表3 d取值不同时的最大场强计算结果Tab.3 Results of maximum electric field strengths with different d

图14 d取值不同时沿面电压、电场曲线Fig.14 Surface voltages and electric field strengths with different d

通过以上对均压环配置参数的仿真计算，得出保护电阻高压端应配置D=2 700 mm、H=500 mm、d=250 mm的均压环。对比无均压环、均压环优化前和均压环优化后3种情况，分别计算电阻高压侧电极表面及均压环表面的场强最大值，结果如表4所示。3种情况下的电阻沿面电压、电场分布如图15所示，未安装均压环和安装优化后均压环的保护电阻表面电场分布云图如图16所示。由表4可知，对比于无均匀环和优化前的均压环两种情况，电阻安装优化后的均压环，高压侧电极和均压环表面场强最大值显著降低。同时由图15和图16可知，电阻高压侧电极安装优化后的均压环，电压分布和电场分布更加均匀，可有效防止闪络的发生。

表4 3种情况下最大场强计算结果Tab.4 Results of maximum electric field strengths in three conditions

图15 3种情况下沿面电压、电场Fig.15 Voltages and electric fields in three conditions

图16 保护电阻表面电场分布云图Fig.16 Cloud diagram of electric field strength distributions on the surface of protection resistor

根据第4.1节和第4.2节内容，经过外绝缘优化后，保护电阻的整体结构示意图如图17所示。对比图5，图17在保护电阻环氧筒的表面改用双线双层对绕的电阻丝，在电阻的两端增设大均压环，中间连接处增设小均压环。由尼龙丝编制而成的绝缘绳将保护电阻吊至半空，保证对地绝缘，同时改变起吊点的位置，可以减小绝缘绳对保护电阻电场分布的影响。

图17 外绝缘优化后的保护电阻设计图Fig.17 Design diagram of protection resistor after optimization of external insulation

根据图17，设计出的保护电阻实物如图18所示。将优化后的保护电阻放在试验回路中，经过直流叠加冲击电压试验，直流电压发生器得到有效保护，同时电阻未再发生外绝缘闪络，保证了叠加试验的正常进行。

图18 外绝缘优化后的保护电阻实物图Fig.18 Physical map of protection resistor after optimization of external insulation

5 结论

本文利用仿真软件确定了保护电阻的阻值，并优化了电阻丝绕法和外绝缘，最终获得满足试验要求的电阻，同时获得如下结论。

1)建立直流叠加冲击电压试验回路仿真模型，综合直流叠加操作冲击电压与雷电冲击电压仿真计算结果，为满足本试验回路要求，保护电阻选择500 kΩ较合适。同时，外绝缘长度为10 m。

2)电阻丝采用双线双层对绕无感绕制方法；电极外观配置环径为2 700 mm、罩深为500 mm、管径为250 mm的均压环进行优化，且每节电阻中间连接处增设小均压环，可满足试验的需要。