姜珊盼 宋繼光 李陽 黃帥印 張萬德 李光華

摘 要：【目的】電網(wǎng)中越來越多的超特高壓開關(guān)采用在斷口兩側(cè)并聯(lián)電阻的方式來抑制操作過程中產(chǎn)生的過電壓。為了在型式試驗中考核超特高壓開關(guān)用電阻的電性能，需要對電阻的絕緣耐受能力和能量吸收試驗進行研究?！痉椒ā窟\用二階電路的非震蕩放電原理，設(shè)計電容充電和電阻放電試驗回路，通過調(diào)節(jié)回路的充電電壓、回路電容、回路電抗來進行不同阻值電阻的試驗?！窘Y(jié)果】根據(jù)純阻性的斷路器合閘電阻的電性能測試要求，提出了針對合閘電阻沖擊耐受電壓試驗的沖擊發(fā)生電路形式和能量吸收試驗的沖擊電流發(fā)生回路?！窘Y(jié)論】該設(shè)計的試驗回路可以驗證電阻雷電沖擊、操作沖擊、能量吸收試驗，有效地考核了高壓開關(guān)用電阻的性能。

關(guān)鍵詞：電阻；電壓耐受；能量吸收；試驗回路

中圖分類號：TM832???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1003-5168（2024）08-0005-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.001

Experimental Study on Resistance Insulation and Energy Absorption for High Voltage Switch

JIANG Shanpan1 SONG jiguang2 LI Yang1 HUANG Shuaiyin1

ZHANG Wande1 LI Guanghua1

（1.Henan High Voltage Apparatus Research Institute Co.， Ltd.， Pingdingshan 467001， China;

2.Pinggao Group Co.， Ltd.， Pingdingshan 467001， China）

Abstract： [Purposes] More and more Ultra-high switches in theelectric fence adopt parallel resistors on both sides of the fracture surface to restrain the over-voltage during operation. In order to evaluate the electrical performance of the resistance for ultra-high voltage switch in the type test， it is necessary to study the insulation tolerance and energy absorption test of the resistance.[Methods] According to the non-oscillatory discharge test principle of the second-order circuit， the capacitance charge and resistance discharge test circuits are designed， and the test of different resistance resistances is carried out by adjusting the charging voltage， capacitance and reactance of the circuit. [Findings] According to the requirement of the circuit breaker pure resistance closing resistance test， the impulse generating circuit form for the impulse withstand voltage test of the closing resistor and the impulse current generating circuit for the energy absorption test are proposed. [Conclusions] The test circuit designed in this paper can validate the ability of resistance lightning impulse， working impulse and capacity absorption test， and effectively test the performance of high voltage switch resistor.

Keywords： resistance; voltage tolerance; energy absorption; test loop

0 引言

高壓開關(guān)用電阻是斷路器的一部分。如圖1所示，在斷路器合閘過程中，在斷路器主觸頭閉合前可按預(yù)定的時間投入電阻R，并與波阻抗為Z的輸電線路串聯(lián)［1］。當電網(wǎng)中線路過長時，如果僅使用避雷器，那么在重合閘操作時可能會出現(xiàn)過電壓較高的情況，因此利用斷路器組裝的合閘電阻具有更可靠的保護效果。通過利用電阻將電網(wǎng)中的部分電能吸收轉(zhuǎn)化為熱能，可以達到削弱電磁振蕩、限制過電壓的目的［2-5］。

高壓開關(guān)用電阻試驗的相關(guān)標準見表1［6-8］。國內(nèi)外關(guān)于電阻片的試驗研究鮮有報道，國外針對電阻片的型式試驗主要是由電阻片生產(chǎn)廠家自行完成；國內(nèi)則是隨著斷路器整機進行工頻耐壓和沖擊電壓試驗，僅僅只能考核到電阻串對地（斷路器外殼）絕緣，無法考核電阻串的側(cè)面絕緣。此外，電阻串隨著產(chǎn)品在做能量吸收能力試驗時，整串所需注入的能量太大，常規(guī)試驗設(shè)備無法滿足要求［9-10］。

本研究主要對電阻的絕緣耐受能力和能量吸收試驗進行研究。一方面，電阻屬于阻性負載，對整個試驗回路的影響較大。其高壓絕緣試驗和高壓開關(guān)絕緣試驗不同，高壓開關(guān)絕緣試驗進行斷口間絕緣或相對地絕緣試驗時，被試品都屬于容性負載［11］，常用絕緣試驗設(shè)備沖擊發(fā)生器，對電阻起不到考核作用，需要設(shè)計新的試驗回路［12-13］。另一方面，由于需要考核電阻片在毫秒級的時間內(nèi)，吸收兆焦級別能量的能力，所以對測試技術(shù)提出了極高的要求［14-15］。

1 高壓開關(guān)用電阻試驗分析

高壓開關(guān)用電阻通常采用碳-陶瓷線性電阻，其利用陶瓷材料與導(dǎo)電碳混合燒結(jié)成瓷。電阻的導(dǎo)電成分碳分散在燒結(jié)成瓷的無機材料中間，當脈沖負荷時，電阻體均勻發(fā)熱，同時由于電阻無感、體積大、耐高溫、熱容量大，因此適合應(yīng)用在承受脈沖功率的場合。

高壓開關(guān)用電阻典型的試驗項目見表2，分為電壓耐受試驗和能量吸收試驗。電阻處于高壓開關(guān)內(nèi)部的SF6氣體環(huán)境時，高壓開關(guān)在進行電網(wǎng)保護和控制時會引起過電壓和電弧，電阻需耐受沖擊電壓和吸收振蕩波能量。

電壓耐受試驗分為工頻耐受、雷電沖擊耐受、操作沖擊耐受等試驗。對于絕緣材料，在進行工頻、雷電沖擊、操作沖擊電壓試驗時，只要不發(fā)生絕緣材料被擊穿或閃絡(luò)放電現(xiàn)象，其流經(jīng)的泄漏電流一般較小，不會引起發(fā)熱問題。但對于典型被試負載電阻片，其電壓耐受試驗和傳統(tǒng)意義上絕緣材料的電壓耐受試驗不同。除了1.2/50 μs雷電沖擊電壓由于持續(xù)時間較短，電阻片承受較短時間的沖擊作用，沖擊能量較?。还ゎl（10 ms）、操作沖擊（半峰值時間2.5 ms）試驗的同時，電阻片將承受較長時間的作用，流經(jīng)的電流時間相對較長，承受的能量沖擊相對較大。電阻片的工頻耐受電壓試驗和操作沖擊電壓試驗與能量吸收試驗有一定的相似性，尤其是工頻（10 ms）耐受電壓試驗，電阻片的能量吸收是比較大的。

2 試驗回路基本原理

本研究設(shè)計的沖擊電壓試驗和能量吸收試驗均采用二階振蕩電路。

由電阻、電感、電容組成的RLC串聯(lián)電路，如圖2所示。假設(shè)電容C已充電，電容電壓UC等于電容初始充電電壓U0。

時間t=0時，開關(guān)S閉合，此時電路的放電過程即是二階電路的零輸入響應(yīng)。電阻絕緣試驗采用非振蕩放電工況。非振蕩放電過程應(yīng)滿足的條件見式（1）。

[R>2LC] （1）

式中：R為回路電阻，Ω；L為回路電感，H；C為回路電容，F(xiàn)。

RLC串聯(lián)回路電流見式（2）。

[i=U0Lp2-p1ep1t-ep2t] （2）

式中：i為RLC串聯(lián)回路電流，kA；U0為電容上初始充電電壓，kV；t為放電時間，s；p1、p2為兩個不等的負實數(shù)。

由式（2）可知，特征根p1和p2僅與電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與電路的激勵和初始儲能無關(guān)。計算過程見式（3）。

[p1=-R2L+R2L2-1LCp2=-R2L-R2L2-1LC] （3）

式中：R為回路電阻，Ω；L為回路電感，H；C為回路電容，F(xiàn)；p1、p2為兩個不等的負實數(shù)。

試驗時，電阻上所承受電流為RLC串聯(lián)回路電流i，因此電阻上的電壓見式（4）。

[UR=i×R] （4）

式中：UR為電阻上電壓，kV；R為回路電阻，Ω；i為RLC回路電流，kA。

理論上，電容充電能量，最后會全被電阻R吸收，然后轉(zhuǎn)化成熱能釋放，這一過程見式（5）。

[W=12CU20] （5）

式中：W為電阻吸收的能量，MJ；C為回路電容，F(xiàn)；U0為電容初始充電電壓，kV。

3 試驗回路設(shè)計

根據(jù)試驗回路的基本原理，本研究設(shè)計的高壓開關(guān)采用電阻雷電、操作沖擊電壓、能量吸收試驗進行回路設(shè)計，如圖3所示。試驗回路主要分為充電回路和放電回路兩部分。在充電回路中，調(diào)壓器T1通過調(diào)整高壓變壓器T2的電壓，在經(jīng)過整流硅堆D和限流電阻R0后對儲能電容器C進行充電。放電回路是由電容器C、放電間隙G、調(diào)波電感L、待測試電阻R構(gòu)成。在對儲能電容器C充電完成后，觸發(fā)放電間隙G使電容器C放電，產(chǎn)生沖擊電流，流過待測試樣。

電容器C是脈沖電容器，可以在快速放電的情況下不致于損壞。通過調(diào)整初始充電電壓U0、電容器C、調(diào)波電感L可以獲得不同阻值電阻片試驗所需的電壓和波形。合閘電阻上的電壓、電流由脈沖電阻分壓器和電流線圈、示波器進行提取、采集和記錄。因此，測試數(shù)據(jù)準確，避免了人為因素的影響。

超特高壓開關(guān)用電阻是由多個電阻片串聯(lián)起來組成，考慮試驗回路的電壓和容量限制，從而進行單片電阻的絕緣與能量吸收試驗。通常單片電阻阻值分布在幾歐姆到十幾歐姆之間，試驗?zāi)褪茈妷涸谑畮浊Х饺Хg。

對于單片電阻來說，由于試驗電壓等級不是太高，因此雷電沖擊電壓回路可以選擇較為緊湊的試驗回路。在回路電容為5 μF，總的等效電感為3 μH的情況下，輸出的雷電沖擊電壓波形的波前時間和半峰值時間參考值分別為1.28 s和48.9 s。

對于操作沖擊電壓來說，由于峰值時間和半峰值時間均較長，因此對回路總的等效電感值要求較大，不用考慮緊湊回路的設(shè)計要求，僅根據(jù)操作沖擊電壓波形的時間參數(shù)要求，設(shè)計回路參數(shù)即可。在回路總電容為500 μF、電感0.18 mH的情況下，輸出的波形峰值時間和半峰值時間參考值分別為245 μs和2 489 μs。

對于合閘電阻片能量吸收試驗，其試驗條件是要求施加在合閘電阻上的沖擊電壓峰值不超過其操作沖擊電壓。這是由于能量吸收試驗是考核在模擬工頻半波的8～11 ms內(nèi)，合閘電阻所吸收的沖擊能量。如果施加在合閘電阻上的沖擊電壓過大，相當于合閘電阻承受了一個毫秒量級的瞬態(tài)過電壓，可能導(dǎo)致合閘電阻側(cè)面絕緣的閃絡(luò)擊穿。

高壓開關(guān)用電阻進行試驗時，對電阻片施加具有規(guī)定波形的耐受電壓，如果電阻側(cè)面未發(fā)生擊穿，則認為通過試驗。試驗波形如圖4所示，主要展示的是試樣未擊穿（a）和被擊穿（b）情況下電壓電流的變化曲線。出現(xiàn)圖4波形的主要原因是當電阻試樣未擊穿時，試驗過程中電阻阻值變化不大，電壓、電流呈同趨勢衰減；當電阻試樣被擊穿時，電阻阻值急劇下降，電壓降低，電流升高。

4 結(jié)論

①高壓開關(guān)電阻片作為一個電阻體，對試驗回路的影響較大。在常規(guī)的高壓開關(guān)產(chǎn)品試驗中，不論是考核斷口間絕緣還是相對地絕緣，試品都屬于容性負載，對試驗回路的影響較小。同時，電阻片不能使用沖擊電壓發(fā)生器進行絕緣試驗。

②本研究設(shè)計的RLC回路對高壓斷路器合閘電阻進行沖擊電壓試驗和能量吸收試驗，電阻上采集到的電壓、電流波形符合國家標準要求，可以有效考核電阻的性能。

③通過改變試驗回路的充電電壓、回路電容、回路電抗可以進行雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓及能量吸收試驗。同時便于針對不同阻值和性能的電阻片更改回路參數(shù)。

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收稿日期：2023-10-12

作者簡介：姜珊盼（1990—），女，本科，工程師，研究方向：高壓電氣試驗。