干式空心电抗器匝间过电压试验方法研究

虞晓巍

引言

电抗干式空心电抗器是电抗器的一种，使用时噪声较小，但其使用占地面积较大[1-2]，涉及工作磁场范围较广，极易受电磁污染导致严重电磁干扰，不利于电力系统有效运行[3]。干式空心电抗器产生的磁污染可能会影响周围群众的健康[4]。为降低干式空心电抗器的运行负荷，减轻带来的磁污染，需有效地进行匝间过电压试验。

在干式空心电抗器运行过程中，随着使用年限的增长及使用材料的缺陷，极易出现过电压故障。研究表明，近几年我国大中小型变电站的干式空心电抗器过电压事故频发，给变电站造成了巨大的经济损失[5]。部分干式空心电抗器在制造过程中存在微小的缺陷，若未及时察觉[6]，很容易在频繁投切的过程中形成匝间故障。相关研究人员针对干式空心电抗器匝间过电压故障特点设计几种常规的匝间过电压试验方法[7]，但上述试验使用VMD模态分解技术获取过电压特征，易受电抗器并联包封作用影响，导致试验过电压波形不拟合，不符合干式空心电抗器匝间过电压试验要求。本文根据干式空心电抗器的匝间缺陷特征，设计全新的干式空心电抗器匝间过电压试验方法。

一、干式空心电抗器匝间过电压试验方法设计

（一）构建干式空心电抗器过电压试验等效模型

构建与实验需求拟合的空心电抗器过电压试验等效模型是提高实验效果的基础，本文使用等效计算法分析了干式空心电抗器的结构，构建了有效的过电压试验等效模型[8]。本文使用基础频率采集集合表示存在气隙的干式空心电抗器，调整电抗器的等效集成参数，有效处理电抗器的涡流问题[9]。根据干式空心电抗器的匝间导体间距可以计算电容系数，构建有效干式空心电抗器过电压试验等效模型，如图1。

图1 干式空心电抗器等效模型

本文构建的等效模型忽略了磁导率、电导率对试验结果造成的影响。在干式空心电抗器稳定运行状态下，满足安培环路定律，此时根据电抗器内部的磁感强度可以调整试验频率，确保其满足干式空心电抗器试验要求，提高试验的可靠性。

（二）辨识干式空心电抗器匝间过电压试验参数

为解决常规匝间过电压试验受电抗器并联包封作用影响导致的试验过电压波形不拟合问题，本文辨识了干式空心电抗器过电压试验参数，提高参数与试验间的拟合性。干式空心电抗器属于感性元件，可能存在电流突变问题，影响最终的实验结果，本文分析过电压产生原理，确定试验等效电路间振荡关系，降低回路振荡误差。

截流过电压属于重要的试验参数，为试验创造了基础相位条件，因此，本文根据干式空心电抗器的电压峰值状态进行了参数辨识，此时生成的振荡回路辨识参数方程如公式（4）。

本文使用ATP-EMTP构建仿真参数辨识程序，结合上文构建等效模型进行综合辨识。干式空心电抗器可能会出现截流复燃问题，此时可以使用上述程序从三个角度调整试验参数：

其一是截流值，在试验过程中该值相对难以模拟，该值低于试验范围会立即出现试验截断现象，需要根据断路器的综合性能指标设置合理的开断电路参数，提高截流分散性，该截流值一般低于7A；其二是介质动态绝缘强度，当断路器切断电抗工频电流后，其产生的机械力会发生不同程度的变化，导致试验介质强度过高，严重增加了试验的不稳定性，需根据介质绝缘强度与试验触头分断关系进行拟合表示，拟合表示式如公式（6）。

式中，u_d为试验介质的动态绝缘强度，t为试验触头的分断时间。其三是高频熄弧能力，即在试验过程中需要保证流过断路器的电流始终为0，且电流对时间的变化率满足试验要求。只有满足上述条件试验断路器才能成功达到熄灭状态，使试验参数达到过电压试验标准。

（三）修正干式空心电抗器匝间过电压试验电路

匝间过电压试验相对于耐感试验的难度更低，两者使用的试验电路图也不同，本文根据GB1094.6国家标准对现有的匝间过电压试验电路进行优化，如图2。

图2 干式空心电抗器匝间过电压试验修正电路

圖2可知，上述试验修正电路的过电压试验持续时间为1min，试验电压峰值会随着电压等级变化而变化，但最高为66kV，试验响应频率需满足干式空心电抗器的充放电电容关系。

当电容与干式空心电抗器形成回路时，会发生脉冲振荡，产生振荡电压，其也是过电压试验的基本原理，因此，在试验的过程中，可以结合电抗器的等效并联关系建立充放电电路，降低其他电容与等效电容之间的差值，提高最终的试验效果，此时得到的等效电路如图3。

图3 试验等效电路

由图3可知，上述等效电路满足试验的分压关系，可以有效调整初始试验电压，提高试验电路的电压效率。

试验等效并联电容越高，试验端的电压就越低，为解决现存效率低的问题，本文调整干式空心电抗器的等效并联电容，记录不同充电电容下的电压效率，选取电压效率最高时的等效电容值作为试验电容值。当干式空心电抗器试验放电过程中，放电回路的并联关系会发生变化，因此可调整加载电抗器两端的初始试验电压，形成全新的RLC等效电压试验关系，降低试验波形的衰减速度，使其满足变化的充放电容量要求。当振荡波频率过高时，其试验等效参数会发生一定改变，不利于试验的可靠性，因此本文设计方法计算了稳定振荡周期，进行振荡周期调整，最大程度上提高试验输出波形与标准波形的拟合效果。

二、实验

为验证干式空心电抗器匝间过电压试验方法的试验效果，搭建试验平台，与文献一、文献二两种常规的干式空心电抗器匝间过电压试验方法对比，进行实验，如下。

（一）实验准备

本文选取cksg-4.2/0.45-7干式空心电抗器作为实验电抗器，其性能良好，适配各种实验场景。当电抗器受合闸暗流作用影响时，可通过串联谐振处理谐波放大作用。不同充放电电容下干式空心电抗器的运行状态不同，本实验结合过电压试验验证要求，搭建有效实验平台，平台由调压器、电源、分压器等组成，布设场景也满足本实验要求。实验过程须满足实验平台的整体功能要求，即始终产生有效振荡频率的阻尼电波，当设备达到规定幅值后的震荡电压波应超过指定数量，清晰地记录试验过电压波形。

为获取准确仿真实验结果，需搭建合理匝间脉冲振荡，上述实验平台设置参数如表1。

表1 实验参数

表1可知，本实验选取IEC 60076国家标准生成干式空心电抗器匝间过电压实验电路。电容与电抗器会出现震荡反应，降低电抗器电感量，使电感频率发生动态变化，从而确定干式空心电抗器的匝间缺陷关系。

经过多次实验发现，球隙放电过程会造成空气电离反应，导致实验电压迅速改变，若此时充电电压未达到实验电压幅值可能出现严重脉冲振荡问题，影响最终的实验结果，本文预设标准的试验电压幅值，增加IGBT试验电子开关，有效调整实验电路的放电关系，降低干式空心电抗器微缺陷对实验结果造成的影响。在实验开始前需预先施加指定大小的试验电压进行标定，作标准过电压波形，记录后再输入最高试验电压，若此时电抗器状态满足过电压实验要求可进行实验，反之需重新调整。

（二）实验结果与讨论

在GWINSTEK进行仿真实验，用本文设计的干式空心电抗器过电压试验方法，文献一的10 kV及35 kV干式空心电抗器过电压试验方法及文献二基于电抗器开断的干式空心电抗器过电压实验方法试验，为降低实验随机性，本文预设6nF、3nF两种充电电容，三种方法在6nF充电电容下输出的试验过电压波形如图4。

图4 6nF的试验过电压波形结果

由图4可知，当充电电容为6nF时，本文干式空心电抗器匝间过电压实验方法得到试验过电压波形与标准试验过电压波形拟合，文献一的10 kV及35 kV干式空心电抗器过电压试验方法，以及文献二的基于电抗器开断的干式空心电抗器过电压实验方法得到的试验过电压波形与标准试验过电压偏差较大，将充电电容调整至3nF得到实验结果如图5。

图5 3nF的试验过电压波形结果

图5可知，此时本文设计干式空心电抗器匝间过电压试验方法生成的试验过电压波形与标准试验过电压波形相差较小，均低于充电电容为6nF时的电压波形波动。文献一的10kV及35 kV干式空心电抗器过电压试验方法及文献二基于电抗器开断的干式空心电抗器过电压实验方法生成的试验过电压波形波动仍然较大，与标准试验过电压波形差距更大。

本文干式空心电抗器匝间过电压试验方法的试验效果较好，有应用价值。

结束语

随着干式空心电抗器的使用年限增加，其组成材料及内部结构会发生改变，出现过电压故障，影响电力系统的运行可靠性，为解决上述问题，设计有效的干式空心电抗器匝间过电压试验方法。常规的过电压试验方法的试验效果较差，不满足目前的试验要求。本文设计全新干式空心电抗器匝间过电压试验方法，结果表明设计干式空心电抗器匝间过电压试验方法的试验效果较好，有可靠性，可为降低干式空心电抗器的运行风险作出贡献。

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