雷电冲击电压下空心电抗器电压分布特性研究.pdf
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1、第45卷第3期2023年6 月D0I:10.13625/ki.hljep.2023.03.004黑龙江电力Heilongjiang Electric PowerVol.45 No.3Jun.2023雷电冲击电压下空心电抗器电压分布特性研究申昱博,张健,陈莉娟,刘骥,刘贺千,张明泽3,朱东柏3(1.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院,哈尔滨150 0 30;2.国网太仓市供电公司,江苏苏州2 1540 0;3.哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室,哈尔滨150 0 8 0)摘要:针对目前空心电抗器雷击过电压下内部绕组电压分布无法定量计算的问题,建立一种适用于空心电抗器结构的高频阻
2、抗网络等效分析模型。根据基尔霍夫基本定律,提出雷击电压下暂态、稳态电压分布的计算方法,能够计算电抗器内雷击电压下的电压分布。以实际并联空心电抗为例,对计算得到雷击电压下的电压分布与实际测试的电压分布进行分析。根据计算结果发现,内外包封中1-2 匝线圈的承担电压及不均匀系数均较大,主要与内外侧对地电压引起的电压钳位有关。关键词:空心电抗器;雷击过电压;暂态电压;阻抗分布网络中图分类号:TM85Study on voltage distribution characteristics of air-coredreactor under lightning impulse voltageSHEN Y
3、ubo,ZHANG Jian,CHEN Lijuan,LIU Ji3,LIU Heqian,ZHANG Mingze,ZHU Dongbai3(1.State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.Electric Power Research Institute,Harbin 150030,China;2.State Grid Taicang Power Supply Company,Suzhou 215400,China;3.Key Laboratory of Engineering Dielectricsand Its Application
4、Ministry of Education,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)Abstract:Aiming at the current problem that the voltage distribution in the internal windings of air-cored reactorsunder lightning overvoltage cannot be calculated quantitatively,a high-frequency impedance network
5、equivalentanalysis model suitable for air-cored reactor structure is established.According to Kirchhoffs basic law,acalculation method for transient and steady state voltage distribution under lightning overvoltage is proposed,whichcan calculate the voltage distribution within the reactor under ligh
6、tning overvoltage.Taking an actual parallelair-cored reactor as an example,the voltage distribution under lightning overvoltage calculated and the actualmeasured voltage distribution are analyzed.Based on the calculation results,it is found that the voltage borne by1-2 turns of coils in the inner an
7、d outer envelopes and the non-uniformity coefficient are both large,which ismainly related to the voltage clamp caused by the inner and outer side voltage to ground.Key words:air-cored reactor;lightning overvoltage;transient voltage;impedance distribution network0 引 言电抗器作为一种重要的电力设备,在电力系统中起补偿杂散容性电流、限
8、制合闸涌流、限制短路电流以及对电路和设备进行滤波、平波、启动、防雷、阻波等作用 1-3。在空心电抗器的实际运行过程中,不但要遭受到工频过电压的冲击作用,同时收稿日期:2 0 2 3-0 2-13。基金项目:新型抗开裂无环流干式空心电抗器技术研究及应用(项目编号:52 2 437 2 2 0 0 0 Q)。作者简介:申昱博(1992),男,硕士,工程师,主要从事高电压技术相关工作。文献标志码:A文章编号:2 0 9 5-6 8 43(2 0 2 3)0 3-0 2 0 4-0 6也要承受来自雷电过电压的冲击作用 4-5。雷电冲击过电压可以在短时间内迅速上升到其电压峰值,从雷电压的电压波形可以看出
9、,在波前时间内,电压波形十分陡峭,几乎呈直线升高。当雷电过电压作用在电抗器时,电抗器需要在短时间内承受幅值极高的电压 6 ,这不仅会对电力电抗器的绝缘结构造成损害,也严重危害电网的稳定运行。空心电抗器在冲击过电压的作用下,线圈之间会产生电磁感应,线圈内部发生振荡过程 7 ,对该过程的分析不仅可以得到雷电压冲击下电抗器线圈绕组上的电压初始分布情况,还可以计算出各绕组匝间电压差,以此可在设计和制造过程中为选择第3期绝缘厚度、气道厚度等参数提供参考数据,从而设计出满足绝缘裕度要求的最优电抗器绝缘结构。由于不同电压等级的空心电抗器包封数量不同,且各包封内的线圈并联匝数较多,存在并绕情况,使用仿真软件对
10、其建模后的计算结果与实际经验值相差巨大,无法有效获取电压分布参数。因此通过有效的数值计算手段,准确快速地获得电抗器在雷电压冲击下的电压分布特性,具有重要的工程意义。1高频下空心电抗器等效电路模型在传统的空心电抗器低频模型中,电抗器只是被等效成电感,这种模型无法有效描述电抗器高频特性。而在雷击电压作用下,电压作用时间为微秒级,电抗器内多匝线圈中的电容、电阻特性均不能忽略。1.1初始暂态过电压下的电抗器等值电路高频等效电路模型中含有电感与互感的支路中,存在自感抗值与互感抗值为无限大的情况,此时相当于断路状态。在直角波波头作用时,将电抗器等值网络简化成如图1所示的复杂电容电路网络模型,该电路模型仅由
11、电容组成。设定电抗器的线圈层数为n,每层分为m份。其中,C,,代表第i层第j段匝间电容,每层线圈绝缘导线规格相同,各段匝电容相等;Ck,代表第i层第j段与第i+1层第j段之间沿轴向的层间电容,两层线圈间绝缘结构相同,在包封内部为环氧玻璃丝绝缘,申昱博,等:雷电冲击电压下空心电抗器电压分布特性研究Ck.16-1)AC.Czi1十Cki11z.nlCg:21图1初始电抗器电容网络等值模型Fig.1Equivalent model of initial reactorcapacitor network1.2稳态电压下的电抗器等值电路在雷电压波波尾时,其电抗器高频等值模型应考虑线圈间自感、互感及电阻的
12、影响,电抗器的阻容网络等效电路如图2 所示。分布电容参数与图1相同;L,代表第i层支路的第j段的自感及第i层支路的第j段与n-1个线圈的互感之和;R,代表第i个线圈第段的交流电阻,交流电阻包括导体电阻和含涡流损耗的等值电阻。205包封间为气道,各段线圈层间电容也相同;Cg.与Cg.2;分别代表电抗器内外径的两个表面沿轴向的对地分布电容。Cs.Cz.11Ck.11Cg.liC.JiCk.iCkC.26-LCg.(ml)Cz.1mCk.1lm-1l)4z,imAz,nmCg.lCz.11R11LLiICk.11Cz,iRi1LilCkilZnRlLmlCg16-)Ri-5mL1G-1).Ck.1G
13、-11RiL3LiG-1)R-Lnj-1)C.uCa.iRyLiCk.jC元.iHL3LCk.6-1)CznlCg.lml)一Cz.lLmRmCk,l(m-l)Ca.inLCk.jCk.ili-1)RRmRmnCg,21 Cg2-1Cg2+Cg,20m-l)图2 稳态电抗器阻容网络等值模型Fig.2 Equivalent model of steady-state reactor resistance capacitance network电位分布计算十分重要。实际的电抗器结构,自2等效模型参数计算感、互感分布已明确,但在高频作用下其电容网络电抗器等值模型中,参数确定对其雷电压下的与电阻网络却
14、十分复杂,该文将对高频激励下两种 206参数的等值计算方法进行分析。2.1等值电阻网络构建高频下空心电抗器的电阻分析既要考虑导体电阻,同时也要考虑集肤效应交流电阻值的影响,以及涡流损耗的等值电阻。1)导体电阻:空心电抗器各线圈都是通过铝导线绕制而成,导体电阻值的大小与导体材料、几何尺寸相关。第i层线圈的导体电阻可表示为R,=Po(a+1)(2mn+h.)T(d;/2)2式中:po为0 时导体的电阻率;T为电抗器的工作环境温度;为该导体金属材料的温度系数;d,为导线直径;r;为第i层线圈的内径;h;为第i层单匝导线高度;n;为第i层并联匝数。2)集肤效应电阻:当交变电流流过导线时,导线的等效电阻
15、值不再是导线的直流电阻值。根据麦克斯韦微分方程及电流密度与电场强度、磁场强度与磁通密度之间的关系,单位长度的交流电阻(复阻抗实部)表达式为1(ber(kr)bei(kr)-bei(kr)bei(kr)ber(kr)?+bei(kr)?式中:k为涡流系数,与导体的电导率及磁导率有关;为导体电导率,铝的电导率 1为3.7 10 7 S/m;8为集肤深度,与激励的角频率、导体的电导率及磁导率有关;r为导线截面半径值;ber(k r)、b e i(k r)为零阶开尔文函数,ber(k r)、b e i(k r)为一阶开尔文函数。当导线中通过高频电流时,导线截面半径r远大于此时的集肤深度,此时式(2)进
16、一步可计算得到:38=RdRac=7Tyr(28+4+32)式中:Rd表示直流电阻,Q。3涡流损耗等效电阻:空心电抗器的结构形式一般采用多包封,多绕组并联,许多细导线相互并联绕制而成每层绕组。以圆导线为例,导线圆环上回路单位长度dx的电阻为dR=pVa-4d于是可得单位长度dx回路产生的涡流损耗为8元dP=p1Bx2/a-4xddRP黑龙江电力因此可得等效损耗:0.5a8元f1Bx/a-4xdxPe=JO式中:f为电源频率;为圆导线截面积;p为导体电阻率;B为导线的磁感应强度;l为导线长度。由式(6)可知,涡流损耗与磁感应强度的平方、电源频率及其垂直人射的面积成正比,根据Bartkey变换方法
17、可获得整个电抗器对空间任意处的磁场强度及等效电阻值。2.2等值电容网络构建(1)1)匝间电容:电抗器的匝间电容由两部分组成,两相邻线匝之间的分布电容如图3所示。D;图3相邻线匝间电容Fig.3 Capacitance between adjacent turns由图3可知,邻近匝间电容是通过导线1、2 表(2)面绝缘层电容C。、匝间绝缘电容C,三部分串联形成,匝间总电容C,可以表示为1dc+dc,2dc,(0):-dC.dc,2式中:8 为真空介电常数,8.8 5410-12 F/m;8.为绝缘的相对介电常数;l,为单匝线长度;D。为导线外径;D,为导线内金属外径。2)层间电容:电抗器是由多层
18、同轴线圈相互并38(3)284+32r)21(4)(5)第45卷2fB;al(6)16pPD12sece-1+:联构成,可以认为是同心圆柱模型,单匝导线高度层间电容C,计算如下:=nhIn(D)D.式中:d为铝导线直径;D,为内包封外表层直径;D,为外包封内表层直径;8.为绝缘的相对介电常数;h为单匝导线高度;n为单层并联匝数。3)对地杂散电容:最外层的对地杂散电容就是由空气绝缘部分决定的电容,可以采用模拟电荷法进行计算,如图4所示。doD。8D,(7)2T808,d(8)第3期申昱博,等:雷电冲击电压下空心电抗器电压分布特性研究207间电容,对地杂散电容以及电路的自感与互感。CiC4n3L3
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