王海珍，牛瀟曄，張利峰，洪輝，熊志全，楊昆

(北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司，北京 100176)

220 kV飽和鐵心型超導(dǎo)限流器絕緣設(shè)計(jì)

王海珍，牛瀟曄，張利峰，洪輝，熊志全，楊昆

(北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司，北京 100176)

介紹220 kV SISFCL樣機(jī)高壓絕緣設(shè)計(jì)為密封在非金屬玻璃鋼油箱內(nèi)的油紙絕緣結(jié)構(gòu)，為滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和限流性能其交流繞組匝數(shù)很少，這為主、縱絕緣的設(shè)計(jì)制造帶來(lái)很大困難。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行工頻耐壓、雷電全波(截波)沖擊耐受以及局部放電測(cè)量等型式試驗(yàn)，結(jié)果表明該絕緣設(shè)計(jì)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

飽和鐵心型超導(dǎo)限流器；玻璃鋼油箱；絕緣；屏蔽；型式試驗(yàn)

0 前言

隨著輸配電容量大幅增加，電壓等級(jí)向超高壓方向發(fā)展、電網(wǎng)向堅(jiān)強(qiáng)型智能化發(fā)展。這對(duì)高壓絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求；而同時(shí)出現(xiàn)的電網(wǎng)短路電流水平急劇增大，對(duì)系統(tǒng)的限流技術(shù)和設(shè)備提出了挑戰(zhàn)。目前，高壓絕緣材料特性的研究取得了很大進(jìn)展，設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)在相應(yīng)輔助設(shè)計(jì)下也可大大優(yōu)化。而能夠抑制電網(wǎng)故障短路電流水平的技術(shù)手段卻非常有限。在設(shè)備上，常用的是高阻抗變壓器或空心電抗器等，但這些方法同時(shí)也增加了輸電損耗。

超導(dǎo)材料具有低損耗、高效率、傳輸電流密度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，隨著高溫超導(dǎo)材料技術(shù)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)電力應(yīng)用取得顯著進(jìn)展，如超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器等都已有掛網(wǎng)試運(yùn)行樣機(jī)。超導(dǎo)限流器以其優(yōu)異的工作特性，成為電網(wǎng)克服系統(tǒng)短路電流比較理想的設(shè)備。目前，技術(shù)比較成熟且電壓等級(jí)最高的則是飽和鐵心型超導(dǎo)限流器 (SISFCL)，其原理基于傳統(tǒng)的飽和鐵心電抗器，利用超導(dǎo)材料零電阻及通流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，低損耗地解決了普通導(dǎo)體無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高強(qiáng)度直流勵(lì)磁，同時(shí)避免了超導(dǎo)繞組直接承受短路電流沖擊，其可靠性和可實(shí)現(xiàn)性均優(yōu)于其它類型的超導(dǎo)限流器。與傳統(tǒng)限流設(shè)備相比，它具有極低的輸電穩(wěn)態(tài)阻抗，這意味著正常輸電時(shí)損耗很少；短路故障發(fā)生時(shí)，能瞬間產(chǎn)生高阻抗，達(dá)到限制短路電流的效果；故障消除后，又能迅速恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，配合電網(wǎng)重合閘。

對(duì)于高壓電力設(shè)備，絕緣設(shè)計(jì)是整體設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，將直接影響到設(shè)備整體的結(jié)構(gòu)和性能。220 kV的傳統(tǒng)電力設(shè)備其絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝等已經(jīng)十分成熟，尤其油浸 (紙)絕緣結(jié)構(gòu)，無(wú)論是絕緣材料性能、還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造工藝等都積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為保證設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為此，本文中220 kV SISFCL樣機(jī)高壓絕緣采用了油浸絕緣結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)油浸變壓器、電抗器等設(shè)備將繞組器身、鐵心、金屬夾件等置于一個(gè)可直接接地的金屬油箱中，設(shè)計(jì)繞組間、繞組對(duì)地、繞組對(duì)鐵心間的主、縱絕緣結(jié)構(gòu)不同，220 kV SISFCL僅將交流繞組密封在內(nèi)部設(shè)有接地半導(dǎo)電屏蔽材料的非金屬玻璃鋼油箱內(nèi)，鐵心、夾件以及為超導(dǎo)勵(lì)磁繞組提供低溫運(yùn)行環(huán)境的杜瓦等部件均直接與空氣接觸并統(tǒng)一接地，如圖1所示。這樣，理論上可使油箱內(nèi)電場(chǎng)相對(duì)均勻，有利于絕緣設(shè)計(jì)。但為滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行低阻抗、限流運(yùn)行高阻抗，且體積小等技術(shù)經(jīng)濟(jì)性其交流繞組匝數(shù)很少 (幾十匝)，這又為主、縱絕緣的設(shè)計(jì)制造帶來(lái)了困難。

圖1 (a)220 kV SISFCL結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 (b)油箱和繞組結(jié)構(gòu)示意圖

帶著上述困難對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電場(chǎng)仿真和波分布的理論分析，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行雷電全波 (截波)沖擊耐受、外施工頻耐壓以及局部放電測(cè)量等型式試驗(yàn)研究。

1 限流器的絕緣設(shè)計(jì)

1.1 主絕緣

主絕緣，即繞組對(duì)油箱屏蔽、繞組對(duì)鐵心之間的絕緣結(jié)構(gòu)，其所應(yīng)承受的絕緣水平和試驗(yàn)電壓如表1所示。

表1 絕緣水平和試驗(yàn)電壓

為了防止在工頻和沖擊試驗(yàn)電壓下，油道內(nèi)出現(xiàn)放電現(xiàn)象，采取把大油隙分割為小油隙的油紙隔板結(jié)構(gòu)，采用薄紙筒小油隙結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原則是使油隙在局部放電試驗(yàn)電壓下的電場(chǎng)強(qiáng)度值低于油隙起始局部放電電場(chǎng)強(qiáng)度。為此，在分割完絕緣油隙后，采用專用電場(chǎng)計(jì)算程序?qū)υO(shè)備在各種工況電壓下的全域電場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)分析計(jì)算。在控制電極表面第一油隙場(chǎng)強(qiáng)的同時(shí)，全面分析沿電力線各油隙的電場(chǎng)分布。如圖2(a) (b)所示在1min外施工頻電壓395 kV下繞組端部的等位線分布和場(chǎng)強(qiáng)分布。由圖可以看出等位線光滑無(wú)突起尖端部分，分布合乎要求。

圖2 395 kV下等位線分布圖

圖3 、圖4所示為靜電環(huán)周圍的電場(chǎng)分布。沿場(chǎng)強(qiáng)最大的一條電力線路徑取多點(diǎn)，計(jì)算沿此路徑第一油隙的場(chǎng)強(qiáng)分布，可以看出靜電環(huán)周圍電場(chǎng)是比較均勻的，不會(huì)出現(xiàn)局部放電。

圖3 第一油隙電力線分布圖

1.2 縱絕緣

縱絕緣研究的重點(diǎn)是高壓繞組在各種試驗(yàn)電壓下的餅間絕緣強(qiáng)度及繞組軸向絕緣強(qiáng)度。利用波過(guò)程計(jì)算軟件計(jì)算繞組的沖擊電壓分布，并根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)采取有效措施，調(diào)整繞組屏蔽的段數(shù)、工作線匝的絕緣厚度、屏蔽線匝的絕緣厚度以及油道的大小。通過(guò)電容補(bǔ)償進(jìn)一步改善沖擊電壓梯度的分布，使各絕緣有足夠的裕度，以保證在很少的匝數(shù)情況下繞組縱絕緣強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求且具有良好的沖擊電壓分布。嚴(yán)格控制場(chǎng)強(qiáng)分布，確保繞組內(nèi)不發(fā)生局部放電，保證繞組的縱絕緣強(qiáng)度。雷電全波沖擊電壓梯度分布如圖4。

圖5 線圈節(jié)點(diǎn)電位，油道梯度分布結(jié)果

根據(jù)交流匝數(shù)要求線圈共36段，采用兩段屏插入電容式繞組，以兩個(gè)線餅 (正、反餅)作為一個(gè)單元。圖4中節(jié)點(diǎn)電位是將每個(gè)單元的末端作為節(jié)點(diǎn)計(jì)算其到線圈末端的電壓占所加線圈電壓950 kV的百分?jǐn)?shù)。油道梯度是每個(gè)單元的兩端壓降占線圈所加電壓950 kV的百分?jǐn)?shù)。

判斷波過(guò)程是否合格，主要分析以下兩點(diǎn)：

1)繞組中各段屏所處的電位從施加電壓端到末端應(yīng)呈衰減趨勢(shì)。

2)每個(gè)單元的兩餅之間的電壓梯度不能相差太大，呈線性分布。

由節(jié)點(diǎn)電位數(shù)據(jù)可以看出各線餅所處的電位均小于入波電壓，而且呈均勻衰減趨勢(shì)；另外由油道梯度數(shù)據(jù)可以看出線餅間電壓梯度呈線性，無(wú)擊穿電壓隱患。

2 絕緣試驗(yàn)

220 kV SISFCL樣機(jī)在制造廠內(nèi)進(jìn)行了絕緣型式試驗(yàn)。主要包括雷電全波 (截波)沖擊試驗(yàn)、外施工頻耐壓試驗(yàn)和局部放電測(cè)量試驗(yàn)。

2.1 雷電全波 (截波)沖擊

限流器實(shí)際運(yùn)行中串聯(lián)在線路中，兩個(gè)高壓端子都有可能為入波端，因此單相樣機(jī)的雷電沖擊試驗(yàn)接分別對(duì)兩個(gè)高壓端子進(jìn)行。即一端入波，另一端接地。試驗(yàn)沖擊全波為標(biāo)準(zhǔn)雷電波 (1.2 μs±30%)/(50 μs±20%)，試驗(yàn)電壓為負(fù)極性，額定全波峰值950 kV，額定截波峰值1 050 kV，根據(jù)GB1094.3規(guī)定，施加電壓的順序?yàn)椋?/p>

一次降低電壓的負(fù)極性全波沖擊；

一次額定電壓的負(fù)極性全波沖擊；

一次降低電壓的負(fù)極性截波沖擊；

二次額定電壓的負(fù)極性截波沖擊；

二次額定電壓的負(fù)極性全波沖擊。

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)兩端子的全部沖擊均無(wú)外部閃絡(luò)，降低電壓下的電壓和電流瞬變波形與全試驗(yàn)電壓下的瞬變波形無(wú)明顯差異如圖3所示，說(shuō)明絕緣耐壓試驗(yàn)合格，保證了SISFCL在抗雷電沖擊過(guò)電壓的安全可靠性。

圖3 雷電沖擊試驗(yàn)波形

2.2 外施工頻電壓耐受和局部放電測(cè)量

參考GB1094.3規(guī)定單相樣機(jī)外施工頻耐壓只進(jìn)行相對(duì)地試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行局部放電特性評(píng)估，在U2=1.5Um/3下所有測(cè)量端子上的視在放電量的連續(xù)水平滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。施加電壓的大小和時(shí)間順序如圖所示。圖4中電壓為對(duì)地電壓有效值，分別應(yīng)為：

上升到1.1Um/3，保持5 min，監(jiān)測(cè)局部放電水平；

上升到U2，保持5 min，監(jiān)測(cè)局部放電水平；

上升到U1，即額定外施工頻耐壓值，持續(xù)60 s；

試驗(yàn)后立刻不間斷地降低到U2，并至少保持30 min，測(cè)量局部放電；

降低到 1.1Um/3，保持 5 min，測(cè)量局部放電；

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖4 外施工頻電壓和局部放電測(cè)量電壓施加順序

表3 工頻耐壓和局部放電試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，220 kV SISFCL的絕緣在耐受1 min工頻電壓前后，局部放電量均較小，遠(yuǎn)低于1.5×Um/3下不大于500 pC，1.1×Um/3下不大于100 pC的標(biāo)準(zhǔn)要求?？梢詽M足SISFCL長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上介紹單相220 kV飽和鐵心型超導(dǎo)限流器，其新穎的油箱結(jié)構(gòu)和性能要求對(duì)絕緣設(shè)計(jì)提出了更高要求，通過(guò)對(duì)主縱絕緣的電場(chǎng)和波過(guò)程進(jìn)行仿真，優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)，并通過(guò)型式試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)完全能夠滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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王海珍，北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司。

Insulation Design and Test of 220 kV Saturated Iron Core Superconducting Fault Current Limiter

WANG Haizhen1，NIU Xiaoye1，LIU Lin2，ZHANG Lifeng1，HONG Hui1
(Innopower Superconductor Cable Co.，Ltd.，Beijing 100176)

The insulation of 220 kV SISFCL adopt oil-paper，but which is sealed non-metallic GFRP tank，at the same time the turns of ac winding is much less than ones of transformer，all the above takes difficult for design.According the standards，type test including power frequency withstand voltage，lighting full-wave(chopped)impulse and measurement of partial discharge are passed，which show the design is satisfactory.

Saturated iron core superconducting fault current limiter；GFRP tank；Insulation；Shield；Type test

TM471

B

1006-7345(2014)06-0008-04

2014-10-21

資金資助項(xiàng)目：國(guó)家 863計(jì)劃課題 2006AA03Z234，2009AA03Z228和2009AA035403；云南省匹配國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目2010GA003。