高压直流电缆试验用直流分压装置的研究

赵海龙

（正泰电气股份有限公司）

0 引言

近年来我国高压直流电缆技术快速发展，±210kV、±320kV及±525kV直流电缆相继研制成功［1-5］。高压直流电缆在投入工程应用前，需通过型式试验和预鉴定试验，通过施加规定的直流试验电压以考核直流电缆的电气性能，采用的关键试验设备为直流电压发生器［6-7］。

直流电压发生器作为高压试验室的主要设备之一，主要用于换流阀、高压直流电缆、直流套管等产品的直流耐压及直流局放等试验［8-10］。直流电压发生器的组成包括本体、分压器、本体与分压器之间的保护电阻等，试验中从直流电压发生器的顶部接线端引出一路直流高压，接入试品进行试验［11-12］。

国内外电缆实验室偶尔会采用一台直流电压发生器接入两个相同额定电压的直流电缆进行试验，但受制于直流电压发生器的结构，尚无法开展一台直流电压发生器接两个不同额定电压的直流电缆进行试验［13-14］。常规直流产品的试验时间较短，通常为几分钟至几小时，而高压直流电缆的试验如负荷循环试验及长期电压试验，持续时间为1个月至1年，试验时间很长，导致试验设备、场地及人员消耗较多，试验成本很高［15-18］。

为此，本文研究一种应用于高压直流电缆试验的直流分压装置，通过该装置与直流电压发生器配套使用，首次实现一台直流电压发生器同时接入两个不同额定电压的高压直流电缆进行试验，以提高试验效率，降低试验成本。

1 设计思路

直流电压发生器的主回路通常采用对称倍压回路，通过多级回路串联，在最顶部实现高压直流试验电压的输出。若直接从直流电压发生器的不同级引出直流电压，即第n级接第1路试品，第n-m级接第2路试品，则第n-m级与第n级的电压比为n-m/n，会造成：一是试验电压比例固定，无法调节，仅能满足1路试品的试验电压，二是第2路试品不经保护电阻直接与直流电压发生器相连，试品击穿或闪络将对直流电压发生器本体造成损害。

因此，在直流电压发生器之外设置一台直流分压装置，通过该装置引出两个不同的直流试验电压。设计思路为：将直流分压装置设计成2级，第1级为高压臂电阻，第2级为低压臂电阻；从高压臂引出第1路直流高压，接入第1个额定电压试品，从低压臂引出第2直流高压，接入第2个额定电压试品；高压臂及低压臂电阻阻值按试验电压要求进行分配；直流分压装置经保护电阻与直流电压发生器相连接。

直流分压装置初步设计图见图1，其中，R1为第1级电阻，即高压臂电阻，R2与R3共同构成第2级电阻，即低压臂电阻，R3为屏蔽电阻，作用为电压钳位，防止各级电阻对地电容分布不均引起的电压比例变化。

图1 直流分压装置初步设计图

2 装置结构

2.1 基本结构

直流试验电压作用下，将试品1和试品2分别等效为电阻RC1、RC2。考虑试品等效电阻后的直流分压装置基本结构见图2。

图2 考虑试品等效电阻后的装置基本结构

R1直接与直流电压发生器连接，通过调节直流电压发生器的输出电压UDC即可调节作用于试品1的试验电压值。适当配合R1及R2的阻值，使得当作用于RC1上的试验电压为U1时，作用于RC2上的电压恰好为标准所要求的试验电压U2。

2.2 优化结构

直流分压装置在使用的过程中，需要考虑以下三个方面因素：一是试品阻值会受到电缆参数及试验环境温度等因素的影响，因此，直流分压装置需设计为可调节参数，以满足试品阻值有一定变化时，施加于RC1和RC2上的试验电压仍可满足标准要求；二是当试品击穿或闪络时，可能会对直流电压发生器造成损害，因此，直流分压装置需经一定保护操作后再与直流电压发生器相连；三是作用于试品2上的电压虽可按比例计算，但准确的电压值仍需采取一定的方式直接测量。

考虑以上因素，将直流分压装置结构适当优化，如图3所示，其中，R1为保护电阻，用于限制试品击穿或闪络时作用于直流电压发生器上的过电压，R2与R3以串并联形式组成第1级电阻，即高压臂电阻，R4与R5共同构成第2级电阻，即低压臂电阻，r为测量电阻，第2级电阻与r形成直流分压装置的测量功能，用于准确测量施加于试品2上的试验电压值。

图3 直流分压装置优化结构

3 参数计算

图2中，各电压按电阻阻值进行分配：

由式（2）得：

由于Z2中已知R3、R2，则：

RC2电流计算方法：

根据此计算方法，可通过调节R1的阻值来计算第2路试品的参数要求。

试验时施加于RC1的试验电压通过调节直流电压发生器的输出电压即可，RC2按一定比例取得试验电压，而试品2的阻值RC2随电缆长度及规格等不同会有一定变化。

图3中，各电阻阻值计算方法为：

4 实例研究

实验室现有一台2400kV/30mA直流电压发生器，6级串联，级电压400kV，最高可输出电压2400kV。国内±525kV及±320kV直流电缆试验需求量较大，以下以±525kV及±320kV直流电缆为试品，举例说明直流分压装置的电阻配置方法。

4.1 电阻配置

当试品1和试品2分别为±525kV、±320kV直流电缆时，UC1=972kV，UC2=592kV［19］。若以单根50m长度±320kV直流电缆进行测试，试验中±320kV直流电缆在592kV试验电压下的试验电流范围为1.2mA，考虑一定变化范围，配置直流分压装置时的IC2取0.85～1.74mA。

采用图3结构，Z2阻值调节方式分以下三种方式：方式1，保留所有的电阻，此时Z2值最小，IC2最大；方式2，去掉上一级R2及下一级R2；方式3，去掉上一级R3及下一级R3，此时Z2值最大，IC2最小。

为降低杂散电容对分压值的影响，R4和R5宜选取大阻值电阻，R4取1500MΩ，R5取1500MΩ。根据式（7）～式（9），各电阻阻值配置见表1，则R2=212.5MΩ，R3=255MΩ。

表1 电阻阻值配置表

保护电阻R1的阻值选取需综合考虑，不可过小，否则起不到保护作用，也不可过大，否则保护电阻上的电压降过大，影响试品1和试品2的试验电压值，R3阻值宜为kΩ级，综合考虑，R1取值80kΩ。

4.2 过电流保护效果研究

若试品1或试品2试验时发生击穿或闪络，产生的过电流可能会对直流电压发生器造成影响。采用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件，对试品击穿或闪络后的过电流进行仿真研究［20-21］。试品击穿或闪络采用开关接地的方式来模拟，仿真模型见图4。

图4 过电流仿真模型

4.2.1 试品1击穿或闪络

试品1（±525kV直流电缆）击穿或闪络时，流过直流电压发生器的高压硅堆的最大电流为23.7A，如图5所示，小于高压堆的最大瞬时耐受电流60A，直流电压发生器处于安全状态。

图5 试品1击穿或闪络时流过硅堆的最大电流

4.2.2 试品2击穿或闪络

试品2（±320kV直流电缆）击穿或闪络时，流过直流电压发生器的高压各级硅堆的最大电流为8.2A，如图6所示，高压硅堆处于安全状态。

图6 试品2击穿或闪络时流过高压硅堆的最大电流

4.3 分压效果研究

对直流分压装置接入负载后的分压效果进行试验研究，试验回路原理图如图7所示。

图7 试验回路原理图

其中，DC为直流电压发生器本体，Rb1为直流电压发生器的保护电阻，R1和R2分别为电阻分压器的高压臂及低压臂，Rb2为直流分压装置与直流电压发生器之间的保护电阻，R3和R4构成标准电阻分压器，用以与试品2的测量电压做比对，Z1和Z2构成电阻分压装置，Z1为第1级电阻，Z2为第2级电阻，r为测量电阻。试验中，接入负载电阻RL，RL=500MΩ，用以模拟±320kV直流电缆。试验回路布置图如图8所示。

图8 试验回路布置图

测试结果如表2所示，其中UC1为施加于试品1上的试验电压，由直流电压发生器直接测量，UC2为施加于试品2上的试验电压，由标准电阻分压器测量。从表2可看出，电压偏差k%随着试验电压的提高逐渐减小，当施加于试品1的电压为试验电压时，偏差k%=-0.61%＜1%（试验要求UC1/UC2=972kV/592kV=1.64），分压效果较好，可以满足试验要求。

表2 直流分压效果测试

5 结束语

本文研究的直流分压装置，作用为与直流电压发生器配套使用，实现一台直流电压发生器接入两个不同额定电压的直流电缆进行试验。

1）直流分压装置结构为高压臂及低压臂2级组成，为充分考虑试品阻值的变化，其结构为可调节式，并配置测量电阻用于准确测量试品2上的试验电压值。

2）以试品1和试品2分别为±525kV及±320kV直流电缆，具体说明直流分压装置的电阻配置方法，仿真计算试品击穿或闪络时产生的过电流是否对直流电压发生器的高压硅堆造成损害，采用试验方法研究装置的分压效果。

3）当试品为其他额定电压的电缆组合时，可以依据高压直流电缆的具体试验电压值及试验电压比例关系、电缆试品的阻值情况，参考本文方法进行设计。