高压开关用电阻绝缘与能量吸收试验研究

姜珊盼 宋继光 李阳 黄帅印 张万德 李光华

摘 要：【目的】电网中越来越多的超特高压开关采用在断口两侧并联电阻的方式来抑制操作过程中产生的过电压。为了在型式试验中考核超特高压开关用电阻的电性能，需要对电阻的绝缘耐受能力和能量吸收试验进行研究。【方法】运用二阶电路的非震荡放电原理，设计电容充电和电阻放电试验回路，通过调节回路的充电电压、回路电容、回路电抗来进行不同阻值电阻的试验。【结果】根据纯阻性的断路器合闸电阻的电性能测试要求，提出了针对合闸电阻冲击耐受电压试验的冲击发生电路形式和能量吸收试验的冲击电流发生回路。【结论】该设计的试验回路可以验证电阻雷电冲击、操作冲击、能量吸收试验，有效地考核了高压开关用电阻的性能。

关键词：电阻；电压耐受；能量吸收；试验回路

中图分类号：TM832     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）08-0005-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.001

Experimental Study on Resistance Insulation and Energy Absorption for High Voltage Switch

JIANG Shanpan1 SONG jiguang2 LI Yang1 HUANG Shuaiyin1

ZHANG Wande1 LI Guanghua1

（1.Henan High Voltage Apparatus Research Institute Co.， Ltd.， Pingdingshan 467001， China;

2.Pinggao Group Co.， Ltd.， Pingdingshan 467001， China）

Abstract： [Purposes] More and more Ultra-high switches in theelectric fence adopt parallel resistors on both sides of the fracture surface to restrain the over-voltage during operation. In order to evaluate the electrical performance of the resistance for ultra-high voltage switch in the type test， it is necessary to study the insulation tolerance and energy absorption test of the resistance.[Methods] According to the non-oscillatory discharge test principle of the second-order circuit， the capacitance charge and resistance discharge test circuits are designed， and the test of different resistance resistances is carried out by adjusting the charging voltage， capacitance and reactance of the circuit. [Findings] According to the requirement of the circuit breaker pure resistance closing resistance test， the impulse generating circuit form for the impulse withstand voltage test of the closing resistor and the impulse current generating circuit for the energy absorption test are proposed. [Conclusions] The test circuit designed in this paper can validate the ability of resistance lightning impulse， working impulse and capacity absorption test， and effectively test the performance of high voltage switch resistor.

Keywords： resistance; voltage tolerance; energy absorption; test loop

0 引言

高压开关用电阻是断路器的一部分。如图1所示，在断路器合闸过程中，在断路器主触头闭合前可按预定的时间投入电阻R，并与波阻抗为Z的输电线路串联［1］。当电网中线路过长时，如果仅使用避雷器，那么在重合闸操作时可能会出现过电压较高的情况，因此利用断路器组装的合闸电阻具有更可靠的保护效果。通过利用电阻将电网中的部分电能吸收转化为热能，可以达到削弱电磁振荡、限制过电压的目的［2-5］。

高压开关用电阻试验的相关标准见表1［6-8］。国内外关于电阻片的试验研究鲜有报道，国外针对电阻片的型式试验主要是由电阻片生产厂家自行完成；国内则是随着断路器整机进行工频耐压和冲击电压试验，仅仅只能考核到电阻串对地（断路器外壳）绝缘，无法考核电阻串的侧面绝缘。此外，电阻串随着产品在做能量吸收能力试验时，整串所需注入的能量太大，常规试验设备无法满足要求［9-10］。

本研究主要对电阻的绝缘耐受能力和能量吸收试验进行研究。一方面，电阻属于阻性负载，对整个试验回路的影响较大。其高压绝缘试验和高压开关绝缘试验不同，高压开关绝缘试验进行断口间绝缘或相对地绝缘试验时，被试品都属于容性负载［11］，常用绝缘试验设备冲击发生器，对电阻起不到考核作用，需要设计新的试验回路［12-13］。另一方面，由于需要考核电阻片在毫秒级的时间内，吸收兆焦级别能量的能力，所以对测试技术提出了极高的要求［14-15］。

1 高压开关用电阻试验分析

高压开关用电阻通常采用碳-陶瓷线性电阻，其利用陶瓷材料与导电碳混合烧结成瓷。电阻的导电成分碳分散在烧结成瓷的无机材料中间，当脉冲负荷时，电阻体均匀发热，同时由于电阻无感、体积大、耐高温、热容量大，因此适合应用在承受脉冲功率的场合。

高压开关用电阻典型的试验项目见表2，分为电压耐受试验和能量吸收试验。电阻处于高压开关内部的SF6气体环境时，高压开关在进行电网保护和控制时会引起过电压和电弧，电阻需耐受冲击电压和吸收振荡波能量。

电压耐受试验分为工频耐受、雷电冲击耐受、操作冲击耐受等试验。对于绝缘材料，在进行工频、雷电冲击、操作冲击电压试验时，只要不发生绝缘材料被击穿或闪络放电现象，其流经的泄漏电流一般较小，不会引起发热问题。但对于典型被试负载电阻片，其电压耐受试验和传统意义上绝缘材料的电压耐受试验不同。除了1.2/50 μs雷电冲击电压由于持续时间较短，电阻片承受较短时间的冲击作用，冲击能量较小；工频（10 ms）、操作冲击（半峰值时间2.5 ms）试验的同时，电阻片将承受较长时间的作用，流经的电流时间相对较长，承受的能量冲击相对较大。电阻片的工频耐受电压试验和操作冲击电压试验与能量吸收试验有一定的相似性，尤其是工频（10 ms）耐受电压试验，电阻片的能量吸收是比较大的。

2 试验回路基本原理

本研究设计的冲击电压试验和能量吸收试验均采用二阶振荡电路。

由电阻、电感、电容组成的RLC串联电路，如图2所示。假设电容C已充电，电容电压UC等于电容初始充电电压U0。

时间t=0时，开关S闭合，此时电路的放电过程即是二阶电路的零输入响应。电阻绝缘试验采用非振荡放电工况。非振荡放电过程应满足的条件见式（1）。

[R>2LC] （1）

式中：R为回路电阻，Ω；L为回路电感，H；C为回路电容，F。

RLC串联回路电流见式（2）。

[i=U0Lp2-p1ep1t-ep2t] （2）

式中：i为RLC串联回路电流，kA；U0为电容上初始充电电压，kV；t为放电时间，s；p1、p2为两个不等的负实数。

由式（2）可知，特征根p1和p2仅与电路参数和结构有关，而与电路的激励和初始储能无关。计算过程见式（3）。

[p1=-R2L+R2L2-1LCp2=-R2L-R2L2-1LC] （3）

式中：R为回路电阻，Ω；L为回路电感，H；C为回路电容，F；p1、p2为两个不等的负实数。

试验时，电阻上所承受电流为RLC串联回路电流i，因此电阻上的电压见式（4）。

[UR=i×R] （4）

式中：UR为电阻上电压，kV；R为回路电阻，Ω；i为RLC回路电流，kA。

理论上，电容充电能量，最后会全被电阻R吸收，然后转化成热能释放，这一过程见式（5）。

[W=12CU20] （5）

式中：W为电阻吸收的能量，MJ；C为回路电容，F；U0为电容初始充电电压，kV。

3 试验回路设计

根据试验回路的基本原理，本研究设计的高压开关采用电阻雷电、操作冲击电压、能量吸收试验进行回路设计，如图3所示。试验回路主要分为充电回路和放电回路两部分。在充电回路中，调压器T1通过调整高压变压器T2的电压，在经过整流硅堆D和限流电阻R0后对储能电容器C进行充电。放电回路是由电容器C、放电间隙G、调波电感L、待测试电阻R构成。在对储能电容器C充电完成后，触发放电间隙G使电容器C放电，产生冲击电流，流过待测试样。

电容器C是脉冲电容器，可以在快速放电的情况下不致于损坏。通过调整初始充电电压U0、电容器C、调波电感L可以获得不同阻值电阻片试验所需的电压和波形。合闸电阻上的电压、电流由脉冲电阻分压器和电流线圈、示波器进行提取、采集和记录。因此，测试数据准确，避免了人为因素的影响。

超特高压开关用电阻是由多个电阻片串联起来组成，考虑试验回路的电压和容量限制，从而进行单片电阻的绝缘与能量吸收试验。通常单片电阻阻值分布在几欧姆到十几欧姆之间，试验耐受电压在十几千伏到三十千伏之间。

对于单片电阻来说，由于试验电压等级不是太高，因此雷电冲击电压回路可以选择较为紧凑的试验回路。在回路电容为5 μF，总的等效电感为3 μH的情况下，输出的雷电冲击电压波形的波前时间和半峰值时间参考值分别为1.28 s和48.9 s。

对于操作冲击电压来说，由于峰值时间和半峰值时间均较长，因此对回路总的等效电感值要求较大，不用考虑紧凑回路的设计要求，仅根据操作冲击电压波形的时间参数要求，设计回路参数即可。在回路总电容为500 μF、电感0.18 mH的情况下，输出的波形峰值时间和半峰值时间参考值分别为245 μs和2 489 μs。

对于合闸电阻片能量吸收试验，其试验条件是要求施加在合闸电阻上的冲击电压峰值不超过其操作冲击电压。这是由于能量吸收试验是考核在模拟工频半波的8～11 ms内，合闸电阻所吸收的冲击能量。如果施加在合闸电阻上的冲击电压过大，相当于合闸电阻承受了一个毫秒量级的瞬态过电压，可能导致合闸电阻侧面绝缘的闪络击穿。

高压开关用电阻进行试验时，对电阻片施加具有规定波形的耐受电压，如果电阻侧面未发生击穿，则认为通过试验。试验波形如图4所示，主要展示的是试样未击穿（a）和被击穿（b）情况下电压电流的变化曲线。出现图4波形的主要原因是当电阻试样未击穿时，试验过程中电阻阻值变化不大，电压、电流呈同趋势衰减；当电阻试样被击穿时，电阻阻值急剧下降，电压降低，电流升高。

4 结论

①高压开关电阻片作为一个电阻体，对试验回路的影响较大。在常规的高压开关产品试验中，不论是考核断口间绝缘还是相对地绝缘，试品都属于容性负载，对试验回路的影响较小。同时，电阻片不能使用冲击电压发生器进行绝缘试验。

②本研究设计的RLC回路对高压断路器合闸电阻进行冲击电压试验和能量吸收试验，电阻上采集到的电压、电流波形符合国家标准要求，可以有效考核电阻的性能。

③通过改变试验回路的充电电压、回路电容、回路电抗可以进行雷电冲击电压、操作冲击电压及能量吸收试验。同时便于针对不同阻值和性能的电阻片更改回路参数。

参考文献：

［1］米尔萨德·卡普塔诺维克.高压断路器理论、设计与试验方法［M］.王建华，闫静，译.北京：机械工业出版社，2015.

［2］黎斌.SF6高压电器设计［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］牟波.500 kV断路器合闸电阻故障分析及应用维护［J］.中国新技术新产品，2017（3）：64-65.

［4］张帆.500 kV断路器合闸电阻事故分析与故障检测［J］.中国科技信息，2013（4）：82.

［5］张智勇.500 kV断路器合闸电阻故障分析及运行维护［J］.广东科技，2013，22（18）：104-105.

［6］全国高压开关设备标准化技术委员会（SAC/TC 65）.高压交流断路器：GB/T 1984—2014［S］.北京：中国标准出版社，2015.

［7］全国高压开关设备标准化技术委员会（SAC/TC 65）.高压交流断路器的合成试验：GB/T 4473—2018［S］.北京：中国标准出版社，2018.

［8］全国特高压交流输电标准化技术委员会（SAC/TC 569）.1 100 kV高压交流断路器：GB/T 24838—2018［S］.北京：中国标准出版社，2018.

［9］王庆华.带合闸电阻的500 kV罐式断路器的研究［J］.福建电力与电工，2000（1）：16-18.

［10］黄然，赵现平，雷圆圆，等.断路器合闸电阻热容量及额定参数计算分析［J］.电工电气，2013（8）：22-24，40.

［11］张仁豫，陈昌渔，王昌长.高电压试验技术［M］.3版.北京：清华大学出版社，2009.

［12］李毅.750 kV断路器合闸电阻的现场测试［J］.四川水力发电，2010，29（6）：269-272.

［13］李松磊，刘分，程龙君，等.550 kV断路器合闸电阻热容量的研究［J］.河南科技，2015（7）：120-122.

［14］李新春，隋文婧.800 kV罐式断路器用合闸电阻热容量浅析［J］.商品与质量：科教与法，2014（1）：66-67.

［15］邱关源，罗先觉.电路［M］.北京：高等教育出版社，2006.

收稿日期：2023-10-12

作者简介：姜珊盼（1990—），女，本科，工程师，研究方向：高压电气试验。