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空心电抗器匝间过电压试验用脉冲振荡电路

发布时间:2021-1-21

  摘要:诸多标准已经允许对干式空心电抗器进行脉冲振荡匝间过电压试验.为了探讨其可实施性,本文对该脉冲振荡电路进行了分析和试验研究.由于要求快速重复对电容充电及通过球隙直接对电抗器放电,这个脉冲振荡电路与传统的冲击电压发生器不同.对电容充电可以采用半波整流电路实现;受空气电离影响,靠球隙自然放电的回路不能在电抗器上得到满足标准规定幅值的稳定试验电压.试验研究发现,由于相同电压下可控放电对应间隙比自然放电对应的间隙大,重复放电条件下,依靠触发可以控制球隙的工作状态,在电抗器上得到了幅值稳定的脉冲振荡电压.研究结果表明:为了保证干式空心电抗器匝间过电压试验的实施,采用可控放电技术是必要和可行的.
   
  关键词:电抗器;匝间绝缘;过电压试验;脉冲振荡电路;可控放电
   
  0.引言
  随着干式空心电抗器在电力系统中的大量使用,产品质量潜在隐患或绝缘老化的因素,电抗器损坏事故时有发生.干式空心电抗器损坏的主要原因是绝缘缺陷造成匝间短路引发的[1-9].所以,在制造厂和电力系统现场加强匝间绝缘检测,确保电抗器安全运行非常必要.
   
  干式空心电抗器只有一个绕组且磁路开放,常规的感应电压法不能进行匝间绝缘试验.采用冲击电压替代感应电压试验,试验次数少且匝间故障引起的波形差异很难辨别,使用效果差,有通过了冲击电压试验的电抗器投运后便烧毁的不良记录[10].匝间过电压试验对电抗器施加连续高压脉冲,施加脉冲次数多且能量密度大,且多周期的振荡波形更有利于发现匝间绝缘短路故障,是较理想的匝间绝缘试验方法[10-14].对于35 kV 及以下电压等级的干式空心电抗器,国际标准IEC60076-6-2007、国家标准GB1094.6-2011、行业标准JB/T5346、企业标准DL462及国家电网公司“10kV~66kV干式电抗器技术标准”都允许采用匝间过电压替代感应电压和冲击电压做匝间绝缘试验.行业标准JB/T10775直接要求对干式空心电抗器进行脉冲振荡匝间过电压试验项目[15-20].新实施的国家标准GB1094.6-2011中详细规定了这种脉冲振荡匝间过电压试验方法,它与传统的冲击电压发生器有很大差异,实施起来有难度.本文对脉冲振荡电路的工作原理进行了分析,对采用可控放电技术的脉冲振荡电路进行了试验研究.
   
  1.标准规定的试验方法
  1.1标准有关规定
  GB1094. 6 给出干式空心电抗器匝间过电压试验的电路(图1).原理描述为:匝间过电压试验是通过重复地对一个电容充电并经球隙对电抗器放电来实现.施加在电抗器上的过电压类型如一个具有指数衰减正弦波形的操作冲击.试验持续时间1min,每次放电的初始峰值应为1.33槡2倍(户外设备)或槡2倍(户内设备),GB1094.3的表2和表3给出的额定短时感应或外施耐压试验电压(r.m.s.),对于35kV电压等级及以下的干式空心电抗器,试验电压峰值最高应满足160kV.响应频率是绕组电感和充电电容的函数,一般在100 kHz 数量级.试验应包含不低于3000个要求幅值的过电压.标准中约束了每次初始电压峰值、试验时间和放电次数三个参数.

      1.2试验方法基本原理
  电抗器上形成脉冲振荡电压波形是通过对充电电容的放电实现的.放电回路电阻R包括球隙放电通道电阻和电抗器的等效电阻,这样构成的回路电阻最小,容易满足振荡条件.设电容器的初始充电电压为UC0,回路电流、电容器和电抗器上的电压可以简化成下式当电抗器出现匝间短路故障后,电感量减小且损耗增加.由式(3)与式(4)可以看出,电抗器波形的振荡周期将减小,幅值的衰减速度也将加快,这可作为匝间短路故障判别的主要依据.利用示波器记录分压器低压臂的电压波形,通过波形比较来确定匝间短路故障.
   
  2.试验电路分析
  2.1脉冲振荡试验电路与冲击电压发生器比较
  脉冲振荡试验电路单次工作过程与冲击电压发生器的工作过程类似: 首先需要对充电电容进行充电,然后对充电电容放电. 但充电回路与放电回路与冲击电压发生器都不相同.要在1min时间内完成3000次放电,就需要对充电电容进行相同次数的充电.而冲击电压发生器对充电没有如此高的要求,只需数秒完成1次.放电电路也不像冲击电压发生器那样存在波头制动电阻和波尾制动电阻,而是充电电容与电抗器直接形成阻尼振荡.
   
    2.2充电电路分析
    直流供电作为电容充电电源,最高160kV的工作电压,可选用半波整流电路来实现.仅对电容充电,没有其他阻性负载,也不必要额外滤波.在50 Hz供电频率下,半波整流电路1 min 可以完成3 000 次充电,满足国标对充放电次数的要求.
   
  直流高压供电电源与充电电容并联,当电容放电时,直流高压电源会同时参与工作.这样不仅会破坏放电回路的工作条件,而且可能由于过流损坏高压电源.因此,在直流供电与充电电容之间必须放置一个高压保护电阻来减小对放电过程的影响并保护高压电源,它也会减缓对电容的充电速度,取值时要兼顾.图2 是半波整流充电电路.T1为调压器,调节试验电压大小;T2为试验变压器,起升压作用;D1为整流用高压硅堆;R1为保护电阻.

      2.3放电电路分析
  图1中电路的放电利用球隙实现,放电回路能否正常工作取决于球隙放电的稳定性.一般情况下,球隙单次自然放电电压稳定.但放电会造成空气电离,球隙间的离子会改变电场,造成自然放电电压下降.要保证放电稳定,一般两次放电要有1min间隔.在1min完成3000次放电,球隙的自然放电电压会迅速降低.持续工作时间越长,这种现象越严重.球隙放电后,适当增大球隙间隙可以提高球隙的放电电压,由于空气离子分布的不确定性,也不能实现稳定的放电.在这种情况下,电容Cc上的充电电压还未达到试验电压幅值时,球隙便发生放电.式(3)中的UC0减小,电抗器上得到脉冲振荡波形的幅值会降低,达到标准要求的每次放电电压幅值非常困难,而且每个工作周期可能发生多次放电.在实验室利用图1电路初步试验研究时就遇到了这个问题,没能在干式空心电抗器上得到幅值稳定地脉冲振荡电压波形.
   
  利用orcad软件分析球隙放电电压对脉冲振荡电路影响,可直观地说明这一现象.保护电阻为40kΩ,充电电容为6nF,电抗器试品为10mH,放电回路阻抗为50Ω,得到充电电容工作电压波形见图3.稳定放电时,充电电容每个工频周期充放电1次,充电电容上能得到接近交流电源电压峰值的充电电压.当球隙放电电压下降时,电容充电电压达到交流电源电压峰值前便开始放电.放电回路振荡过程结束后,放电球隙开路,交流电源继续对充电电容充电,充电电压仍能满足球隙放电电压条件,又会出现一次放电.如此,一个工频周期可能完成了多次充放电,但每次电压幅值都不能满足试验要求.

       出现以上问题的原因是在重复放电条件下球隙自然放电电压下降. 可尝试可控放电来解决这个问题.在一个球上增加点火针,利用触发实现可控放电.在不触发状态下,球隙电场为稍不均匀电场,且间隙大,自然放电电压远大于试验电压,即使球隙间含空气电离离子也不放电.一旦触发,点火火花破坏球隙稍不均匀电场的条件,球隙发生放电.
   
  3.脉冲振荡电路试验研究
  本文对可控放电的脉冲振荡电路进行了试验研究.试验变压器的额定输出电压峰值为200kV,保护电阻为40kΩ,充电电容为3nF,可控放电球隙的直径为25cm,电抗器试品为55mH,分压器为电容分压器,分压比为1000.通过电源相位控制,每次在供电电源峰值过后,充电电容完成充电并处于电压保持阶段进行放电触发,1min能够完成3000次放电.连续测量的电抗器上的电压波形,发现波形的幅值稳定.不同试验电压下,用数字示波器测量分压器低压臂电压波形如图4所示.

      试验过程中记录了不同放电电压下球隙的最大间隙,通过球隙放电电压表获取了自然放电电压与球间隙数值,两种间隙对比结果见图5.可以看出,相同放电电压下可控放电对应的球间隙远大于自然放电对应的球间隙,这是保证不触发的情况下球隙不放电的条件.

      4.结 论
  A.干式空心电抗器匝间过电压试验用脉冲振荡电路工作过程与冲击电压发生器有较大区别.
  B.受球隙放电电压幅值下降的影响,标准推荐的利用球隙自然放电回路并不能在电抗器上得到符合标准规定幅值的脉冲振荡电压.
      C.采用球隙可控放电能在电抗器上得到幅值稳定的脉冲振荡电压波形. 为了保证标准规定的匝间过电压试验项目的实施,建议采用可控放电球隙.

上海豫程电气有限公司(http://www.yucheng-sh.com)是一家集电抗器, 高压电抗器,高压空心电抗器, 输入输出电抗器,输入输出滤波器产品研发、制造、销售、服务为一体的高科技企业。我公司专业生产各种型号的高低压电抗器及变频器周边配套产品。 高压电抗器种类:干式空心串联电抗器、干式空心限流电抗器、干式空心滤波电抗器、干式铁心串联电抗器、干式铁心起动电抗器


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