冷龙茂

【关键词】冲击电压发生器;高电压试验;波前振荡;特高压;仿真分析

【中图分类号】TM935 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）08-0039-03

0 引言

我国特高压电网事业蓬勃发展[1]，推动国内特高压电力装备生产基地和研发单位高电压试验室的高压试验能力提升[2-3]。在我国大规模特高压电网建设过程中，特高压GIS生产企业需要大批量、高效率地完成GIS单元出厂试验，这对高压试验室提出了较高的要求。

为了大批量和高效率地完成GIS单元出厂绝缘试验，试验室试验系统采用的是从分压器引线，经套管和管道母线，通过与隔离开关的组合，形成多个耐压端口的试验工装系统。这种工装布置方法的优点是车间装配人员可集中对接若干个试品，然后集中试验。当其中一个试验端口正在进行试验时，另外的试验端口进行试验产品的对接工作，两者互不干扰。

但是，这样设计的工装有一个缺点，长管道母线和多个隔离开关组成的工装电容量很大，会与长管道母线外壳的电感产生L-C振荡，雷电冲击电压波前产生一个折皱，不利于实现标准雷电波的要求。

国标GB/T 16927.1和IEC60060-1对标准雷电冲击电压波形做了严格的规定[4-5]，要求波前时间Tf为1.2μs±30%，波尾时间Tt为50μs±20%，过冲不能大于峰值电压的10%。因为特高压电力装备GIS的电压等级高和电容量较大，所以一般的试验系统难以兼顾满足标准雷电波与企业生产能力的要求。

在较小负载电容情况下，通过调整发生器的波头电阻Rf和波尾电阻Rt，能够缩短冲击电压的波前时间，输出标准雷电冲击电压波形。当波头电阻小于临界阻尼电阻时，冲击电压波形的过冲可能会大于峰值电压的10%。文献[6]详细研究了在发生器和分压器之间串联一个低通滤波器抑制这种振荡的方法。目前，尚无文献深入研究冲击电压波前振荡的原因，仅在试验室尝试通过调整波头电阻和波尾电阻也不能降低或消除冲击电压波前的振荡。

本文运用MATLAB/Simulink仿真软件建立一台4 000 kV/400 kJ冲击电压发生器的仿真模型，用于研究发生器本体电感和引线电感对波形振荡的影响，并重新建立负载电容的仿真模型，仿真得到冲击电压波前振荡的波形。这对搭建实际冲击电压发生器系统具有重要的指导意义。

1 冲击电压发生器等值回路分析

冲击电压发生器是采用马克斯（Marx）回路来产生冲击电压，其基本原理是多个电容器并联充电，而后串联放电，其放电等值回路如图1所示，试品电容C2的电压u2：

图2是等值回路负载电容C2的电压波形图，是一个平滑的双指数波形。这种回路只考虑回路电阻和电容对波形的影响。试验室中实际的雷电冲击电压系统不能得到这样无振荡的冲击电压波形。实际回路中的高压引线、电容器、发生器的波头电阻和波尾电阻、大负载及接地系统等都不可避免地存在电感，会引起波形振荡[7]。

2 波形振荡的因素分析

2.1 冲击电压发生器和引线电感引起的波头振荡

回路中引线的电感和冲击电压发生器本体固有电感会对冲击电压波头产生影响。根据电路理论，如果发生器波头电阻小于临界阻尼值，回路会产生振荡，并且波头过冲可能会超过峰值电压的10%。振荡周期T：

试验室搭建了一台4 000 kV/400 kJ冲击电压发生器仿真模型（如图3所示），冲击电压发生器共20级，采用双边高效充电回路，串联放电时电容C为0.050 5μF（单个电容量为2 μF），发生器设备验收时测得发生器本体电感L1为123μH，发生器杂散电容C0为320 pF，弱阻尼分压器电阻R为384 Ω，高压臂电容Cd1为140 pF，低压臂电容Cd2为0.974 2μF，波头电阻Rf为192 Ω，波尾电阻Rt为1 440 Ω，发生器至分压器引线电感L0约2 μH，分压器至负载套管引线电感L2约15 μH。

图4是试验室实测的冲击电压波形，图5是运用MATLAB/Simulink仿真得到的波形。本次试验只接入了试验室负载总工装电容的1/3，Cx约2 000 pF。仿真回路中考虑了高压引线电感和发生器本体固有电感对回路的影响。实测和仿真波形在波峰处都发生了振荡。

利用这一特点，在发生器和分压器之间串联一个合适的电感，试品上可以得到雷电冲击振荡波或者操作冲击振荡波[4-5]。

冲击电压发生器的标准波额定负载能力达到极限后，进一步降低波头电阻可以在一定范围内减小波头时间。但是，此时波形过冲会超过峰值電压的10%。在分压器和发生器之间串联一个低通滤波器[8-9]，抑制波头的振荡，减小波形过冲，使之符合国标GB/T 16927.1标准要求，这在一定程度上提高了带标准波负载能力。低通滤波器是由合适的电阻和电容并联而成的。

2.2 GIS试品电感引起的波形振荡

大型试验装置运用GIS长母线和隔离开关组合成多个耐压端口工装。长管道母线接地路径远，存在一定的电感，使得试品和工装电容是通过一个电感接地。这个电感会引起回路发生振荡，在雷电冲击电压上升沿会形成一个折皱。还是运用这台4 000 kV/400 kJ冲击电压发生器进行仿真分析。图6所示为仿真模型的回路，母线工装电容量很大（长约802 m），仿真时采用分布参数进行仿真。仿真设置的负载为7 000 pF，电感量设置成50 μH。

如图7和图8所示分别是试验室实测和软件仿得到的冲击电压波形。仿真时在负载电容接地回路串入电感后得到的波形和实测波形一致，都有一个折皱。说明负载电容接地回路中的电感引起冲击电压波形波前振荡。

仿真结果显示波前振荡的周期T约1.8μs。在冲击电压发生器球隙触发后，冲击电压发生器电容开始向大负载电容充电时，大负载电容与接地系统的电感产生了L-C振荡，在冲击电压波前形成一个折皱。

在设计冲击电压系统时，试验室接地网的接地电阻要符合要求。在不得不采用大负载长管道母线工装时，应该分段就近接地，避免串入回路的电感太大引起波前振荡，冲击电压波前出现折皱现象。

3 结论

引起冲击电压产生过冲和折皱的原因是回路中存在电感，使回路产生了L-C振荡。本文分析了回路中不同分布的电感引起冲击电压波形振荡的位置不同。

（1）高压引线的电感和发生器固有电感引起冲击电压波头振荡。利用这一特点在进行雷电振荡波试验或操作振荡波试验时，就是在分压器出口处串联一个合适的电感，使波形产生振荡，得到符合要求的冲击振荡波形。在进行非振荡冲击试验时尽量减小回路里的电感量，例如波头电阻采用无感绕法、减小高压引线的长度等措施。在调波时，过冲如果大于峰值电压的10%，增大波头电阻可以使冲击电压波形过冲减小到峰值电压的10%以下。为了提高带标准波负载能力，过冲大于10%可以在分压器和负载之间串联一个低通滤波器降低过冲，使之满足标准波波头时间的要求。

（2）如果试验室里大负载长母线工装和GIS试品做不到就近接地，试品电容通过电感接地。这个电感引起回路产生振荡，在波前形成一个折皱，增大波前时间，不利于实现标准雷电波。影响雷电冲击电压考核试品绝缘性能的有效性。所以，设计冲击电压系统应该避免设计成大容量长母线工装。

参 考 文 献

[1]刘振亚.构建全球能源互联网推动能源与环境协调发展[J].中国电力企业管理，2014（23）：14-17.

[2] 《四川水利发电》编辑部.四川省特高压试验基地研究规划方案[J].四川水利发电，2013（2）：25.

[3]于永清，李光范，宿志一，等.特高压直流试验基地建设[J].中国电力，2006，39（10）：10-14.

[4]General definitions and test requirements.IEC6006

0-1：2010-High-Voltage test techniques-part1[Z].2010.

[5]GB/T 16927.1—2011，高电压试验技术 第一部分：一般定义及试验要求[S].

[6]申萌，鐘磊，陆建挺，等.标准雷电冲击电压过冲抑制回路的仿真及试验研究[C].中国电工技术学会会议论文集，2012：265-272.

[7]张仁豫，陈昌渔，王昌长，高电压试验技术[M].第3版.北京：清华大学出版社，2009：95-102.

[8]宣耀伟，乐彦杰，张娜飞，等.雷电冲击试验冲击电压发生器调波电阻的确定[J].机电工程，2014，31（3）：388-392.

[9]臧绪运，赵刚，孙伟，等.大电容负载冲击试验输出特性的仿真研究[C].中国电工技术学会会议论文集，2002：31-34.