谐波过电压下电缆护层保护器泄漏电流特征分析

方春华,张怡琳,庄 立,李 放,孙奥琪,胡 涛,张 瑶,江进波

(1.三峡大学电气与新能源学院,湖北 宜昌 443002;2.国网湖北省电力有限公司宜昌供电公司,湖北 宜昌 443000)

0 引言

近年来,随着我国大规模创新多种形式的新能源送出系统,系统暂态过电压问题逐渐显现[1]。在高压输电线路中,工频暂态过电压严重影响电气设备运行的性能,制约新能源发展,为电力系统的运行埋下安全隐患[2-4]。以避雷器、电缆护层保护器、断路器等典型电气设备为例,过电压的大小与其耐受时间呈负相关的特性[5]。

相对传统供电负荷,铁路系统负载具有非对称性、间歇性的特征,易在牵引站供电电缆中产生含量较大的高次谐波,加速电缆接地系统保护器的老化[6-7]。根据实际调研,铁路供电线路护层谐波电流以低次奇次谐波为主,主要包含5、7、11次谐波,其中7次谐波含有率高达22.5%,且在测试范围内47、49、51次谐波也存在含量较高的情况。当线路中有高频电流流过时,线路的集肤效应加重,并且电流密度增大,致使线路的相线以及中性线出现发热的情况[8]。如果线路产生的能量大于保护器的吸收范围,热量在保护器内部大量累积而发生爆炸,危害电缆线路正常运行[9-10]。因此,研究老化保护器谐波过电压下的运行特性,对保障输电线路的安全、稳定运行具有重要的现实意义。

电缆护层保护器结构与低压避雷器类似,其内部主要由硅氧化锌阀片制成[11]。持续的大电流和过电压直接导致老化避雷器泄漏电流增大,热功率增加,发生热击穿现象[12-13]。文献[14]分析了各个寿命阶段车顶避雷器的泄漏电流等特征参量与可靠度的关系。文献[15]建立了避雷器在谐波过电压下的有限元计算模型和高频试验平台,探究了其内部阀片在谐振过电压下的泄漏电流特性及发热过程。文献[16]对避雷器进行热平衡分析探究其在牵引网谐振工况下的耐受特性。文献[17]基于功率损耗和散热曲线的热平衡图,分析了氧化锌阀片的热稳定性对其正常工作的影响。文献[18]研究了 MOA 运行状态参量随温度的变化情况,得出了直流U1mA、工频参考电压随温度逐渐降低,泄漏电流逐渐递增。当前针对电缆护层保护器谐波过电压的研究大多基于氧化锌避雷器老化机理以及热稳定性的研究,关于谐波过电压下老化保护器的泄漏电流等特征量的变化规律不明。因此,在不同温度下开展老化保护器谐波过电压实验对分析其特征量随电压幅值及频率变化规律具有重要意义。

保护器的特征量性能评估主要针对保护器的全电流,阻性泄漏电流分量和3次谐波分量进行测量[19]。一般情况下,保护器的泄漏电流只有几十微安到数毫安之间,且其中阻性分量只占总泄漏电流的5%～20%,所以泄漏电流的信号检测非常复杂[20]。目前常用的泄漏电流测量方法有谐波分析法、西林电桥法3次谐波法还有容性电流补偿法[21-23]。由于谐波分析法数据分析更全面且容易实现,能够计算保护器总泄漏电流以及阻性泄漏电流,实现对保护器在高次谐波下运行状态的详细了解[24]。因此,笔者基于谐波分析法,运用泄漏电流测量装置,对保护器的总泄漏电流、阻性电流、相位差等参数进行计算采集。

笔者主要研究高温老化后的电缆护层保护器在谐波过电压冲击下特征量的变化规律。首先根据铁路供电线路护层谐波含量选取高次谐波搭建谐波过电压实验平台,并开展高温老化保护器谐波过电压实验,最后分析了保护器总泄漏电流、阻性电流、相位差、阻值等特征量的变化规律。

1 谐波过电压实验

电缆护层保护器的作用:高电阻状态可以阻挡线路金属护层中的工频感应电压,低阻导通状态迅速释放线路金属护层中的冲击过电压和工频过电压[25]。为了避免环流对电缆产生影响,DLT 401《高压电缆选用导则》规定,一般供电电缆采用一端直接接地,另一端通过护层保护器接地[26]。为探究保护器在高次谐波电压下的泄漏电流等特征参量变化规律,本文搭建了高温老化保护器的模拟谐波过电压实验平台。

1.1 实验平台搭建

谐波过电压模拟实验原理见图1。选用220 kV线路常用型号保护器作为实验样品,见表1。采用信号源和电压放大器模拟系统谐振时的高次谐波信号,电压放大器最大输出功率90 W,输出电压增益0～1 000倍。保护器低压侧经泄漏电流测量装置接地,该装置包含放大器模块、直流电源、高精度电流传感器以及采样电阻,其特征在于不仅高度还原了输入谐波信号的复杂程度,还提高了输出信号的采样率。

图1 谐波过电压模拟实验原理图

表1 电缆护层保护器参数

1.2 高温老化谐波实验

护层保护器在工作中长期受谐波过电压的冲击,热量不断累积,其内部结构发生老化,导致性能变差。据调研,保护器实际运行最高温度可达60 ℃,由于氧化锌阀片具有复杂非线性特性,当温度超过 40 ℃,保护器内部结构会受到较大影响[27]。

但在正常工作条件下的保护器老化速度比较慢,因此本研究采用可控恒温电热鼓风干燥箱对保护器进行持续加热的方式来加速老化。预设温度200 ℃,加热100 h、200 h、300 h、400 h,最后在20 ℃的环境温度下进行高频谐波试验:

1)对保护器施加11次、31次、51次谐波电压,从0 V开始升高电压幅值至3.2 kV,每隔400 V分别记录总泄漏电流(I)、阻性电流(Ir)幅值及相位差(θ);

2)在3 kV电压下,从50 Hz开始每隔100 Hz逐渐增加电压频率,记录保护器幅频特性和相频特性变化特征。

1.3 参数计算

通过泄漏电流测量装置和电压放大器输入端同步采集保护器总泄漏电流和输入电压的幅值和相角。常用的保护器等值电路[28]和相量关系如图2。图中I为流经保护器的总泄漏电流;Ir为阻性泄漏电流;Ic为容性泄漏电流。

图2 电缆护层保护器等值电路和相量关系

正常运行条件下,保护器内部阀片呈现高电阻,总泄漏电流很小,可以等效为电容与非线性电阻并联,保护器等效阻抗Z为

(1)

阻性电流与容性电流满足正交关系,即

Ir=Icosθ

(2)

保护器内部电阻R

(3)

2 电压幅值对保护器特征量的影响

2.1 特征量随老化时间变化趋势

对保护器分别施加3.2 kV的基波电压和51次谐波电压,为避免不同样品间的个体差异,图3、图4分别为同一样品I,Ir随老化程度的变化情况。随着老化程度的加深,不管是在基波电压还是高次谐波电压作用下,I和Ir均呈现增大的趋势,且51次谐波下总泄漏电流约为基波下的46.15倍。

图3 总泄漏电流随老化时间变化曲线

图4 阻性泄漏电流随老化时间变化曲线

当保护器长时间运行在高次谐波过电压下,会有大量能量被注入,其中大部分能量无法散热,被氧化锌电阻吸收,从而导致温升。在温度刺激下,正离子迁移速度和电荷率等状态必然发生不可逆老化。由此可见,保护器过热老化后,性能降低,承受高次谐波过电压的能力会下降,最终导致故障的发生。

2.2 特征量在基波电压下的变化趋势

由于不同的谐波电流幅值、不同的间隔和不同的环境温度会导致保护器不同程度的老化。本研究分别在20 ℃、40 ℃、60 ℃温度下分析保护器各项参数受电压幅值的影响情况。在基波电压下I、θ、Ir的变化情况见图5～图7。

图5 基波电压下总泄漏电流变化曲线

图6 基波电压下相位差变化曲线

图7 基波电压下阻性泄漏电流变化曲线

在不同温度下,I与电压幅值均成正比例关系,θ随电压幅值的增加而逐渐减小,且下降速率逐渐加快;Ir随电压幅值增大而增大。

由于氧化锌阀片具有负的温度系数,温度越高I、Ir越大,θ越小,在额定电压2.8 kV作用下,I分别为0.61 mA、0.63 mA、0.66 mA;θ分别为86.15°、84.95°、81.52°;Ir分别为0.041 mA、0.053 mA、0.093 mA。

2.3 特征量在谐波电压下的变化趋势

谐波电压下I、θ、Ir的变化情况见图8～图10。在高频谐波电压下,I相较于基波电压下增大了7.14～35.71倍。保护器发热主要由流过电阻片的阻性电流引起,正常状态下的保护器泄漏电流很小,呈容性状态[29]。在同一电压幅值下,Ir受温度影响较为明显,当温度为40 ℃,保护器承受3.2 kV的51次谐波过电压时,Ir51相较于基波增大了1.778 mA,Ir51约占I51的5.44%,且温度每升高20 ℃,Ir增大11%～38%。

图8 谐波下总泄漏电流变化曲线

图9 谐波下阻性泄漏电流变化曲线

图10 40 ℃谐波电压下相位差变化曲线

由于氧化锌材料在直流电场作用下,电子的运动轨道发生偏移,使得正、负电荷的中心不再重合,产生极化现象。当电压频率较低时,极化电流随电压的增加而明显增加,同时相位角减小;当电压频率较高时,极化电流减小,由于极化速度远小于电压变化的速度,导致相位差减小[30-31]。

氧化锌电子式极化受温度变化的影响可以忽略,图10以40 ℃为例,在11次谐波电压作用下,θ在电压幅值较低情况下变化不大,但当幅值大于2 kV时,θ呈现线性下降趋势。但在31次、51次谐波电压下,θ呈现先增大后减小的趋势。

3 电压频率对保护器特征量的影响

3.1 特征量随老化时间变化趋势

如图11,在3 kV电压下,老化样品的相频特性曲线,阻频特性曲线其变化规律和趋势与未老化样品基本一致,但在数值上均有一定程度的减小。

图11 老化前后相位差对比

在一定电压范围内,氧化锌电阻片具有独特的非线性伏安特性,其阻值随施加电压的变化而变化,在小电流区域保护器的泄漏电流很小,当电压超过一定阈值,氧化锌电阻片阻值降低,在非线性区域快速释放电流,很好的解决高压线路受到暂态过电压的冲击,保护电缆线路免受冲击能量的损害。

根据式(3)计算不同电压频率下保护器的内部电阻,如图12。保护器内部电阻随频率的增加而减小,在工频电压下保护器的内阻约为51次谐波电压下的34倍,绝缘电阻值下降会导致氧化锌的绝缘水平降低,从而引起泄漏电流增大。当老化时间每增加100 h,保护器内部电阻R减小5%～29%,这与保护器短期严重老化和加热故障的机理相似[32]。由此,谐波频率对保护器内部阻容关系影响很大。

图12 老化前后阻值对比

3.2 幅频特性和相频特性

在3 kV电压下,保护器的幅频特性,相频特性变化情况如下。

由图13～图15可知,随着频率的增大,I呈线性增大。在同一频率,不同温度对I的影响较小,变化范围不超过1.6 mA。但温度对θ,Ir影响较为明显,在同一谐波频率和电压下,温度升高导致θ减小,Ir大幅增大,最高达 500 μA。当温度保持在40 ℃,对保护器施加3 kV的电压,随着频率的增大,θ呈现先增大后减小的趋势,尤其在50 Hz～350 Hz,θ迅速增大3°左右。在51次高频电压相较于工频电压下,I增大50.1倍,θ增大2.618°,Ir增大26.9倍。由此可见,保护器泄漏电流特征量随谐波电压频率成倍数增大。

图13 总泄漏电流随频率变化曲线

图14 相位差随频率变化曲线

图15 阻性泄漏电流随频率变化曲线

4 结论

1) 高次谐波电压对老化保护器的影响很大,随着老化程度的加深,总泄漏电流和阻性电流增大,相位差和阻值减小,51次谐波下总泄漏电流约为基波下的46.15倍。

2)保护器内部电阻随频率的增加而减小,在工频电压下保护器的内阻约为51次谐波电压下的34倍,当老化时间每增加100 h,保护器内部电阻R减小5%～29%。

3)在谐波电压频率较低时,总泄漏电流与输入电压的相位差随电压幅值的增大而减小。但谐波电压频率较高时,相位差呈现先增大后减小的趋势,且温度每升高20 ℃,Ir增大11%～38%。

4)当温度为40 ℃时,保护器在51次谐波过电压作用下相较于基波电压,总泄漏电流增大50.1倍,阻性电流增大26.9倍,阻性泄漏电流约占总泄漏电流的5.44%。