第２６卷第６期 电力科学与工程 Ｖｏ１．２６．Ｎｏ．６ ２０１０年６月 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｕｎ．，２０１０ 高压电抗器局部放电试验电路设计 杨海生 ，杨爱晟 ，张重远 ，赵 涛 （１．山西省电力公司晋中供电分公司，山西晋中０３０６００； ２．华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定０７１００３） 摘要：设计了一种基于串联谐振原理的高压电抗器局部放电测量基本试验电路。首先用有限元分析软件 计算出给定频率段（３０～３００ Ｈｚ）的高压电抗器阻抗的特性，通过工频条件下的试验值与计算值做比较， 证明该计算方法的正确性，其结果为谐振电容和补偿电容参数值的选择提供依据；然后，建立了试验电 路的灵敏度分析模型，利用伴随网络法进行了灵敏度的计算，以灵敏度为依据对高压滤波器的参数进行 了设计；最后，运用给定的方法给出了实例验证，它为高压电抗器做局部放电试验的电路设计以及参数 确定提供了重要依据。 关键词：高压电抗器；串联谐振；局部放电；灵敏度分析 中图分类号：ＴＭ４７２ 文献标识码：Ａ 对电抗器的研究也有很多方法 。综合以上情 ０引 言 况，本文设计了一种基于串联谐振原理的高压电 抗器局部放电测量基本试验电路。 随着我国电网的逐渐发展，新的超高压电网 和长距离输电线路不断增加，各大电网感性补偿 １谐振的条件 容量不足，电压普遍偏高，给系统的安全稳定运 行带来巨大的安全隐患，因此，电抗器在电网中 谐振是指在一正弦激励下电路端口的电压 的应用需求也越来越多。 与电流，同相位。按图１所示来说明谐振的条 在运行中，高压电抗器可能因绝缘、铁心漏 件。 磁、噪音和振动、渗漏油等问题而产生局部放电， 引起绝缘劣化，最终使绝缘破坏。因此，局部放 电检测至关重要。现场测试高压电抗器局部放电 需要施加其额定运行电压，普通工频高压试验设 备体积大、重量大，给其运输、安装调试带来很 图１谐振电路 大的困难。利用串联谐振试验设备进行工频耐压 Ｆｉｇ．１ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ 试验有很多优点¨。 ，可以采用串联谐振试验装置 当上述电路发生谐振时，电压 与电流川司 作为现场的有效解决措施，文中就是采用串联谐 振试验装置作为现场测试高压电抗器局部放电的 相位，也就是电抗为零，即：０９。 一 ＝０， 。 （ｕ０ｕ 有效方案。同时，对局部放电的检测需要用灵敏 为电路中Ｒ， ，ｃ的谐振角频率。 度来表示，计算出性能对元件参数的灵敏度，选 择不同的容差，以降低成本。 由于∞。 ２ ，所以有 ＿ ， 称为 在试验电路中，因外电路施加的频率和电抗 电路的谐振频率。由上式可知，电路的谐振频率 器的阻抗参数值影响着电路的谐振，故有必要在 ，０与电阻Ｒ无关；它是由电路的参数 ，Ｃ决定。 需要的频率范围内对电抗器阻抗特性进行研究。 对于每一个电路都有一个与之对应的谐振频率 。 收稿日期：２００９—１２—１７。 作者简介：杨海生（１９６６一），男，高级工程师，从事继电保护、变电运行和设备管理工作，Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｇｈａｉｓｈｅｎｇ２３１３＠ １２６．ｅｏｍ。 第６期 杨海生，等高压电抗器局部放电试验电路设计 ｒ 所以，电路产生谐振的条件就是电路的外加电源 欧姆损耗与电阻的关系为 Ｐ＝ 一。． 、，的频率／与电路的固有的谐振频率 相等。 Ｍｓ 因而电阻为Ｒ＝ Ｐ ＝ ２Ｐ ２高压电抗器局部放电的试验电路 ＲＭＳ Ｐｅａｋ 以一台容量为５０ ０００ ＭＶａｒ，铁心的材料为 从实际需要出发，设计了一种基于串联谐振 ３０ＲＧＨ１２０的芯式电抗器为例，用有限元计算其 原理的高压电抗器局部放电测量基本试验电路如 参数。实际需要的频率范围：３０～３００ Ｈｚ，可以 图２。 图２试验电路 Ｆｉｇ．２ Ｔｅｓｔ ｃｉｒｃｕｉｔ 图２中：ｒ，为激磁变压器；Ｃ 为串联谐振电 容；Ｃ 为并联补偿电容；Ｌ。为高压滤波器；Ｌ：为 高压电抗器；Ｃ 为套管末屏电容；Ｃ，为高压电抗 器高压端及高压引线的对地杂散电容；Ｚ 为检测 阻抗；其中，激磁变压器输出的电压频率可调， 为３０～３００ Ｈｚ； ３ 电抗器阻抗的频变特性的有限元计算 利用有限元计算参数时，为了比较准确地计 算，一般采用能量法 ］。 ３．１采用能量法计算电感 对于单一的线圈，如果其中流有电流，，则在 其周围空间就会建立起磁场。若线圈的自感为 ， 则磁场中储存的能量由下式决定： １ 一 Ｗ ＝÷ＬＩ２ 由电磁场理论可知，若求出了线圈周期空间的磁 场分布，则磁场能量也可由下式求出： １ ＝÷１日・圳 其中，体积分在线圈所在的整个空间进行。可求 得线圈自感为 ： ： ．Ｈｄｖ ｒ ｊ ３．２电阻的计算 由场解方程计算场解之后，可以计算系统的 欧姆损耗：Ｐ＝ ｌ』Ｉ，・．， ｄ 得出电抗器阻抗随频率变化的曲线如图３、图４所 示 图３电阻随频率变化的曲线 Ｆｉｇ．３ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃｈａｎ￣ｉｎｇ ｗｉｔｌｌ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ 频翠／Ｈｚ 图４阻抗随频率的变化曲线 ｉＦｇ．４ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃｈａｎｇ￣ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ 同时，假定高压端及高压引线对地杂散电容 不变，利用静态场可以算得：Ｃ ＝４ １９５ ｐＦ。 在５０ Ｈｚ正弦交流电源的激励下，通过试验 测得电抗器的阻抗为２ １０１ Ｑ，与仿真计算值吻 合，同时，计算的电抗器电阻值与直流阻值相差 不大，证明了仿真计算的正确性。在３０～３００ Ｈｚ 的频率范围内，从计算的阻抗参数值中可以看出， 电阻值随频率略有增加；电感值是有波动的，但 电力科学与工程 ２０１０芷 幅度很小，可以取其平均值作为计算值。 ４ 灵敏度模型的建立与分析 （＼ １ｂ １ ＿ ２＋ ３ ４ｔ ｕ，） 可以看出， 具有提高灵敏度的作用。 采用伴随网络法对灵敏度进行分析。建立灵 敏度分析模型，在此基础上建立了伴随网络 ］。 ６理论验证 基于试验电路，可以得到灵敏度的分析模型 如图５所示。 图５灵敏度分析模型 Ｆｉｇ．５ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ 考虑激励源的作用时，取Ｕ：１ Ｖ，可以计算 出流过Ｚ 的电流为， 。 由图５可以得出其灵敏度伴随网络图如图６。 取，＝１ Ａ，计算出流过ｚ 的电流为， 。 图６伴随网络 Ｆｉｇ．６ Ａｄｊｏｉｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋ 故放电电压对检测阻抗Ｚ 的灵敏度为： ＯＺ ：一， ，ｍ，：ｍ ｍ ｍ Ｊ∞ｃ， 。 １［１＋ｊｍＣ３训 Ｊ （ｚ 十 １）＋ ＋ｚ ＋ １］ ｌ ＋ １）・［１ ｃ， ］＋ 其中：ｚ。＝Ｊ ＋ 而 ５参数设计 由灵敏度计算可知，要使放电信号达到最大， 要达到最小。．了￣０Ｖ ｍ＝ａｚ。，可以得到： 本文分别对５０ ０００ ＭＶａｒ，６０ ０００ ＭＶａｒ，７０ ０００ ＭＶａｒ容量的电抗器进行研究，利用有限元软件计 算的电感与试验值相差不到±１％，为更方便做试 验，所采用的电容器具体参数如下：额定电压 １６７ ｋＶ；额定容量５ ０１０ ｋＶａｒ；额定电流３０ Ａ；额 定电容量０．１ Ｆ；额定频率２９０ Ｈｚ；额定使用时 间３０ ｍｉｎ；绝缘强度１．１ Ｕｎ；ｔ ≤０．１５％（工 频）；ＰＤ＜１０ ＰＣ；Ｕｎ：１６７ ｋＶ；台数６台；运行 方式３台串联使用；其试验数据如表１。 表１试验数据 Ｔａｂ．１ Ｔｅｓｔ ｄａｔａ 以文中的方法，取额定电压１６７ ｋＶ，额定电 流３０ Ａ，谐振频率．厂＝２９０ Ｈｚ，谐振电容和补偿电 容（３台０．１ Ｆ串联使用）Ｃ１＝Ｃ２＝０．０６６ ７ Ｆ 的试验电路为基础，确定高压滤波器，对高压电 抗器做了局部放电试验，取得了很好的效果。其 试验的效果和方便性是传统方法所不能比拟的， 它为高压局部放电试验的设计和参数选择提供了 重要的依据。 ７结论 （１）通过试验可以看出，利用串联谐振试验 设备进行试验具有如下的优点：一是供电变压器 和调压器的设备容量小；在理论上供电变压器的 容量可比试验所需容量小；二是谐振装置对其他 由电源所带来的高次谐波分量来说，回路总阻抗 很大，所以，在试品上输出的电压波形较好。 （２）在３０～３００ Ｈｚ频率范围内的正弦交流电 源的激励下，电阻随频率增大而逐渐增大；虽然 电感变化不大，但由于感性的原因，阻抗与频率 有很大关系，在文中的条件下，基本是线性的。 第６期 杨海生，等高压电抗器局部放电试验电路设计 ２７ （３）根据谐振条件，Ｃ，，Ｃ：的选择受到外电 Ｚｈａｏ Ｙａｎｚｈｅｎ，Ｍａ Ｘｉｋｕｉ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｃｔａｎｃｅ 路实验频率和电抗器参数值的影响。 （４）高压滤波器Ｌ 的选择对提高灵敏度有重 要的作用。在获取最高检测信号的情况下，文中 给出高压滤波器的参数值Ｌ。与频率的关系。 ｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃ ｏｆ ｄｒｙ—ｔｙｐｅ ｈａ￣ｉｒｏｎ—ｃｏｋｅ ｒｅａｃｔｏｒｓ［Ｊ］．Ａｄ— Ｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｃａｌｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ， ２００４，２３（１）：６８—７１． ［４］Ｑｉｕ Ｙｕ，Ｓｔｅｐｈｅｎ Ａ Ｓｅｂｏ．Ａｃｃｕｒａｔｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇ－ ｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ａｉｒ—ｃｏｒｅ ｒｅａｃｔｏｒ ｃｏｉｌｓ ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，１９９８，１３（４）： 参考文献 ｌ１１４—１１１９． ［５］Ｍｏｒｉｓｕｅ Ｔ．Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｖｅｃｔｏｒ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｓｃａｌａｒ ［１］闫永利，闫军．工频串联谐振耐压装置现场试验参数 配合的计算及调整［Ｊ］．高压电器，２００４，４０（５）： ３９１—３９３． ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，１９８２，１８（２）：５３１—５３５． ［６］刘国强．Ａｎｓｏｌ工程电磁场有限元分析［Ｍ］．北京：ｆ 电子工业出版社，２００５． Ｙａｎ Ｙｏｎｇｌｉ，Ｙａｎ Ｊｕｎ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｏｆ ｐａ— ｒａｍｅｔｅｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｗｉｔｈ ｐｏｗｅｒ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｓｅ— ［７］阎照文．ＡＮＳＹＳ １０．０工程电磁分析技术与实例详解 ［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００６． ［８］程少庚，崔杜武，刘小河．电网络分析［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，１９９３． ｔｉｅｓ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ， ２００４，４０（５）：３９１—３９３． ［２］全朝春，关根志，袁用武，等．变频串联谐振ＧＩＳ绝 缘试验中的应用［Ｊ］．高压电器，２００６，４２（３）： １９９—２００． ［９］张仁豫，陈昌渔．高电压试验技术［Ｍ］．北京：清 华大学出版社，２００３． Ｑｕａｎ Ｚｈａｏｃｈｕｎ，Ｇｕａｎ Ｇｅｎｚｈｉ，Ｙｕａｎ Ｙｏｎｇｗｕ，ｅｔ ａ１．Ａｐ— ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｅｄ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ［１０］常国强，詹琼华，边敦新．开关磁阻电机驱动系统 场路直接耦合的数学模型［Ｊ］．中国电机工程学 报，２００１，２１（３）：７０—７３． Ｃｈａｎｇ Ｇｕｏｑｉａｎｇ，Ｚｈａｎ Ｑｉｏｎｇｈｕａ，Ｂｉａｎ Ｄｕｎｘｉｎ．Ａ ｄｉ— ｒｅｃｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＳＲＤ ｂｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｆｉｅｌｄ．ｃｉｒｃｕｉｔ『Ｊ］．Ｐｒｏ— ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ＧＩＳ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ，２００６，４２ （３）：１９９—２００． ［３］赵彦珍，马西奎．干式半芯电抗器电抗特性的计算 ［Ｊ］．电工电能新技术，２００４，２３（１）：６８～７１． ｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＥＥ，２００１，２１（３）：７０—７３． Ｔｅｓｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ’ｓ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅａｃｔｏｒ ＰＤ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｒｉｓ Ｒｅｅｓｏｎａｎｔ Ｙａｎｇ Ｈａｉｓｈｅｎｇ ，Ｙａｎｇ Ａｉｓｈｅｎｇ ，Ｚｈａｎｇ Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ ，Ｚｈａｏ Ｔａｏ （１．Ｊｉｎｚｈｏｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｂｒａｎｃｈ，Ｓｈａｎｘｉ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｊｉｎｚｈｏｎｇ ０３０６００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ—ｓｉｔｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ＰＤ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅａｃｔｏｒ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｉｍｐｏｓｅ ｉｔｓ ｒａｔｅｄ ｒｕｎｎｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｏｒ— ｄｉｎａｒｙ ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｉｚｅ，ｗｅｉｇｈｔ，ｉｔｓ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｄｉｉｃｕｌｆｔ， ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｏｎ—ｓｉｔｅ ｄｅｖｉｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｓｏ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｍａｋｅ ａｎ ａｎｔｉ—ＰＤ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｅｓｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ．Ｆｉｒｓｔ，ｗｅ ｕｓｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ（３０～３００Ｈｚ）ｖａｒｉａｈｌｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅａｃｔｏｒ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｌｕｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅ，ｗｅ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｃｏｒ— ｒｅｃｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅ ｃａｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｔｈｅｎ ｗｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｕｓｅ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，Ｗｅ ｇｅｔ ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｏｆ ｖｅｒｉｉ—ｆ ｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｘｔ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｔｅｒｍｉ－ ｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ・ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅａｃｔｏｒ＇ｓ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｔｅｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅａｃｔｏｒ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ；ＰＤ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ