CN112270154A - 一种多层启动电阻用绝缘设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层启动电阻用绝缘设计方法，涉及高压电器设备领域，所述方法包括建立启动电阻的等效电路模型，所述等效电路模型为由电阻、电感、电容器件串并联而成的电路模型；启动电阻的顶端设置一电容不大于800pF低阻尼分压器，所述低阻尼分压器各电阻箱分为前后两段，采用标准雷电波和标准操作冲击波作为冲击输入，仿真计算各电阻箱前后两段电阻均压值；令各段电阻片的最大雷电分压为U_雷max，最大操作分压为U_操max，分别计算两种分压下不均匀系数K_雷max和K_操max，从K_雷max和K_操max中获得不均匀系数K；根据不均匀系数K与绝缘设计裕度的大小关系，判断启动电阻是否需要增大绝缘裕度。本发明保证特高压柔性直流工程按期投运和安全稳定运行。

Description

一种多层启动电阻用绝缘设计方法

技术领域

本发明涉及高压电器设备领域，特别是涉及一种多层启动电阻用绝缘设计方法。

背景技术

柔性直流输电系统启动时存在对MMC中电容器充电的过程，为减小充电过程中在回路元件上产生的过电压与过电流，需要在回路中设置启动电阻器，并在充电结束以后对该电阻器进行旁路。特高压柔性直流工程中使用的启动电阻均为多层结构。随着特高压柔直工程建设的不断深入，目前出现越来越多启动电阻击穿故障。这种击穿故障通常出现在型式试验、出厂试验或系统调试阶段，严重影响工程进度和设备的安全稳定运行。现行行业标准推荐设计绝缘裕度为1.1倍，而多层电阻器会出现因电容造成的电压不均匀分布现象，按照1.1倍设计已远远不够。

因此急需研究一种适用于多层启动电阻器的绝缘设计方法，将击穿隐患消除在研发设计和加工制造环节，从源头消除电阻器击穿隐患，保证特高压柔性直流工程按期投运和安全稳定运行。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种多层启动电阻用绝缘设计方法，解决目前行业标准固定的推荐设计绝缘裕度，避免电阻器击穿隐患，保证特高压柔性直流工程按期投运和安全稳定运行。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种多层启动电阻用绝缘设计方法，所述启动电阻包括多层电阻箱、支柱绝缘子、进出线套管和联结管母，所述电阻箱垂直分层布置且相邻层之间的所述电阻箱由所述支柱绝缘子进行连接支撑，最下层的电阻箱通过支柱绝缘子与地面固定，每一所述电阻箱的侧壁上均设置有所述进出线套管，每个所述电阻箱内都设置有电阻单元，所述进出线套管内部与所述电阻单元连接，所述进出线套管外部与所述联结管母或进出端子连接；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立启动电阻的等效电路模型，所述等效电路模型为由电阻、电感、电容器件串并联而成的电路模型；

步骤2：启动电阻的顶端设置一电容不大于800pF低阻尼分压器，所述低阻尼分压器各电阻箱分为前后两段，采用标准雷电波和标准操作冲击波作为冲击输入，仿真计算各电阻箱前后两段电阻均压值；

步骤3：令各段电阻片的最大雷电分压为U_雷max，最大操作分压为U_操max，分别计算两种分压下不均匀系数K_雷max和K_操max，从K_雷max和K_操max中获得不均匀系数K；

K_雷max＝U_雷max/125；

K_操max＝U_操max/108.3；

K＝max{K_雷max,K_操max}；

步骤4：根据不均匀系数K与绝缘设计裕度的大小关系，判断启动电阻是否需要增大绝缘裕度。

如上所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，进一步地，所述步骤1中，所述启动电阻包括三层电阻箱，三层电阻箱分别为上箱体、中箱体和下箱体，其中，

电阻箱对地电容分别为：

上箱体：

中箱体：

下箱体：

进出线套管间电容分别为：

上对中套管：

中对下套管：

上对下套管：

进出线套管对电阻箱电容：

上套管对中箱体：

上套管对下箱体：

进出线套管对地电容：

中套管对地：

下套管对地：

式中：

S₁为电阻箱体下表面积(m²)；

D₁、D₂、D₃分别是上中下箱体对地距离(m)；

l₁是箱体间进出线套管垂直距离(m)；

l₁₂和l₁₃是上套管对中箱体下表面和下箱体下表面垂直距离(m)；

L₂、L₃是中、下箱体进出线套管到地面距离(m)。

如上所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，进一步地，所述步骤1中，电阻箱的电感值为1mH-2mH。

如上所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，进一步地，所述步骤2中，所述标准雷电波采用-750kV(1.2/50us)标准雷电波，所述标准操作冲击波采用-650kV(50/2500us)标准操作冲击波。

如上所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，进一步地，所述步骤4中，当不均匀系数K不大于启动电阻的绝缘设计裕度时，则不需要增大启动电阻的绝缘裕度；当不均匀系数K大于启动电阻的绝缘设计裕度时，则需要增大启动电阻的绝缘裕度。

如上所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，进一步地，增大启动电阻的绝缘裕度的方法包括增大电阻箱的空间尺寸，加大电阻箱之间的垂直距离。

如上所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，进一步地，电阻单元具有电阻片，增大启动电阻的绝缘裕度的方法包括通过增加电阻片的数量，其中，电阻原设计的总片数为N₁，原电阻单元数为M₁，不均匀系数为K，调整后电阻单元的数量变为：

调整后电阻片数变为：

根据调整后的电阻单元和电阻片数量，调整电阻箱的箱体内空间布局。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明通过建立启动电阻的等效电路模型，等效电路模型只利用电阻、电感、电容器件串并联组成，利用等效电路模型计算不均匀系数K，不均匀系数K作为绝缘设计裕度的参考标准，比目前通过查现行行业标准固化的设计绝缘裕度更贴合实际，且本发明考虑了多层电阻器会出现因电容造成的电压不均匀分布现象，从源头消除电阻器击穿隐患，保证特高压柔性直流工程按期投运和安全稳定运行。同时提供了多种增大绝缘裕度的可操作方法，在获知当不均匀系数K大于启动电阻的绝缘设计裕度时，可通过增大电阻箱的空间尺寸，加大电阻箱之间的垂直距离或改变电阻箱内的电阻单元数量、电阻片数量进行调整。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的多层启动电阻用绝缘设计方法的流程图；

图2为本发明在实施例中建立的电气连接示意图以及等效电路模型；图2(a)为电气连接示意图；图2(b)为等效电路模型的原理图；

图3为本发明在实施例中建立的等效电路模型的典型仿真计算模型；

图4为本发明在实施例中雷电压作用下各电阻箱的电压分布仿真图；

图5为典型多层启动电阻的结构示意图；

图6为两相邻的电阻单元的侧视图；

图7为本发明实施例中电阻箱内的电阻单元的布局示意图；

图8为图7的俯视图。

其中，1、电阻单元；2、云母层；3、放电点；4、云母片；5、钢制芯棒；6、片间瓷件；7、箱体；8、电阻片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

参见图1至8，图1为本发明的多层启动电阻用绝缘设计方法的流程图；图2为本发明在实施例中建立的电气连接示意图以及等效电路模型；图2(a)为电气连接示意图；图2(b)为等效电路模型的原理图；图3为本发明在实施例中建立的等效电路模型的典型仿真计算模型；图4为本发明在实施例中雷电压作用下各电阻箱的电压分布仿真图；图5为典型多层启动电阻的结构示意图；图6为两相邻的电阻单元的侧视图；图7为本发明实施例中电阻箱内的电阻单元的布局示意图；图8为图7的俯视图。

参见图1，一种多层启动电阻用绝缘设计方法，所述启动电阻包括多层电阻箱、支柱绝缘子、进出线套管和联结管母，本实施例的启动电阻如图5-7所示，所述电阻箱垂直分层布置且相邻层之间的所述电阻箱由所述支柱绝缘子进行连接支撑，最下层的电阻箱通过支柱绝缘子与地面固定，每一所述电阻箱的侧壁上均设置有所述进出线套管，每个所述电阻箱内都设置有电阻单元，所述进出线套管内部与所述电阻单元连接，所述进出线套管外部与所述联结管母或进出端子连接。

所述方法包括以下步骤：步骤1：建立启动电阻的等效电路模型，所述等效电路模型为由电阻、电感、电容器件串并联而成的电路模型；步骤2：启动电阻的顶端设置一电容不大于800pF低阻尼分压器，所述低阻尼分压器各电阻箱分为前后两段，采用标准雷电波和标准操作冲击波作为冲击输入，仿真计算各电阻箱前后两段电阻均压值；步骤3：令各段电阻片的最大雷电分压为U_雷max，最大操作分压为U_操max，分别计算两种分压下不均匀系数K_雷max和K_操max，从K_雷max和K_操max中获得不均匀系数K；具体地，启动电阻整体设置唯一的分压器，分压器为测压仪器，只是为了测量电压所用，设置分压器是用以模拟真实情况下的耐压试验，同时也是考虑测量回路的影响。具体地，各段电阻均压值是750kV/6和650kV/6，即不考虑电容电感不均匀分布前提下的分压值，最大雷电/操作分压是考虑了电容不均匀分布情况下的分压值。具体地，可理解为两种冲击电压作用下的不均匀系数。

K_雷max＝U_雷max/125；

K_操max＝U_操max/108.3；

K＝max{K_雷max,K_操max}；

步骤4：根据不均匀系数K与绝缘设计裕度的大小关系，判断启动电阻是否需要增大绝缘裕度。

建立启动电阻的等效电路模型过程中，以启动电阻包括三层电阻箱为例，为方便描述，启动电阻的三层电阻箱分别称为为上箱体、中箱体和下箱体，电容的确定方法如下，其中，

电阻箱对地电容分别为：

上箱体：

中箱体：

下箱体：

进出线套管间电容分别为：

上对中套管：

中对下套管：

上对下套管：

进出线套管对电阻箱电容：

上套管对中箱体：

上套管对下箱体：

进出线套管对地电容：

中套管对地：

下套管对地：

式中：

S₁为电阻箱体下表面积(m²)；

D₁、D₂、D₃分别是上中下箱体对地距离(m)；

l₁是箱体间进出线套管垂直距离(m)；

l₁₂和l₁₃是上套管对中箱体下表面和下箱体下表面垂直距离(m)；

L₂、L₃是中、下箱体进出线套管到地面距离(m)。

建立启动电阻的等效电路模型过程中，电阻箱的电感值为1mH-2mH。

启动电阻的电阻值按实际测量值。

所述步骤2中，所述标准雷电波采用-750kV(1.2/50us)标准雷电波，所述标准操作冲击波采用-650kV(50/2500us)标准操作冲击波。

所述步骤4中，当不均匀系数K不大于启动电阻的绝缘设计裕度时，则不需要增大启动电阻的绝缘裕度；当不均匀系数K大于启动电阻的绝缘设计裕度时，则需要增大启动电阻的绝缘裕度。增大启动电阻的绝缘裕度的方法包括增大空间净距，如增大电阻箱的空间尺寸，加大电阻箱之间的垂直距离。

电阻片通过金属芯棒串联成“百叶窗”式的单元结构，一个电阻箱体内有数个“百叶窗”式电阻单元。令电阻器承受总电压为U，电阻片数为N，电阻单元数量为M，则每个电阻片分压可近似为U/N。金属芯棒电位同每个电阻单元中间位置电阻片相同，因此每个电阻单元首尾两端电阻片与金属芯棒之间存在较大电位差，该电位差近似为K*U/2M。通过增加电阻片数，可降低每个电阻片承受电压差U/N，同时电阻单元数也对应增加了，降低电阻单元首尾两端电阻片与金属芯棒之间存在电位差K*U/2M。

增大启动电阻的绝缘裕度的方法包括通过增加电阻片的数量，其中，电阻原设计的总片数为N₁，原电阻单元数为M₁，不均匀系数为K，调整后电阻单元的数量变为：

调整后电阻片数变为：

以某±800kV特高压柔直工程用启动电阻为例，该启动电阻为三层箱体结构，额定工作电压550kV，原设计绝缘裕度为1.1倍，电阻值为5000Ω，每个电阻箱体内有两个电阻单元，两个电阻单元中点同箱体壁相连，共576片电阻片，18个电阻单元。在型式试验阶段出现多次放电击穿。

按本发明方法重新开展绝缘设计工作。

该启动电阻各项结构参数如下表1所示(计算套管距离原则为左进线、右出线、进对进、出对出)：

表1

代入公式计算所得各电容值如下表2所示：

表2

参见图2、图3，实测单个电阻箱体电感为6.54mH，按电阻均匀分布计，每个电阻箱体电阻值为1667Ω，分压器电容为600pF。选择标准负极性雷电波-750kV(1.2/50us)为输入条件，在PSCAD软件平台进行仿真计算，监测每个电阻箱体内电阻单元的电压分布情况(本发明已经给出各元件参数计算方法、以及电路模型和输入波形，本领域技术人员可根据附图及文字记载可操作)。

电阻分压波形如图4所示。若不考虑电容导致的电压不均匀分布，则每个电阻单元的分压为750/6＝125kV。仿真计算结果表明，最下端电阻单元分压最高，为154kV，是125kV的1.23倍。

按同样的方法对标准负极性操作波-650kV(50/2500us)进行仿真计算，同样是最下端电阻单元分压最高，为平均分压值的1.19倍。

因此该电阻器不均匀系数为1.23，大于原设计绝缘裕度1.1倍，需要对原设计进行改进。

考虑一种比较复杂的情况，该电阻器击穿发生在型式试验阶段，工程前期设计、土建施工等工作已完毕，电阻器外形尺寸不可发生改变。按照本发明的改进方法，首先核对外部绝缘裕度，改启动电阻外部绝缘是按照1.5倍裕度设计，大于不均匀系数K。接着增加电阻单元数量和电阻片数量，利用公式

进行计算，则电阻单元数变为24个；利用公式

进行计算，得到调整后电阻片数为768片。

调整后电阻单元绝缘强度提高为之前的1.3倍，大于不均匀系数1.23。

参见图5至图7，图5的每层电阻箱一根进线套管、一根出线套管，上对中、中对下均指进线对进线，出线对出线；图6包括两电阻单元1，每个电阻单元1具有钢制芯棒5，钢制芯棒5外层包复云母层2；沿钢制芯棒5的轴向分布有若干云母片4，云母片4与云母层2接触附近有放电点3；电阻单元1的云母片4至少部分被包覆在片间瓷件内；云母片4夹持有电阻片8；图7的箱体7内设有电阻单元1。

参见图7、图8，接着进一步调整电阻箱内各元件空间布局。调整前，箱体空气净距最小是280mm，为两堆电阻单元左右间距，裕度1.1倍。这也是启动电阻整体绝缘裕度最小的部分。调整后，由于单个电阻单元变短，该距离增大为424mm，裕度1.6倍。

因此，调整后启动电阻绝缘裕度由之前的1.1倍提高到1.3倍，大于仿真计算所得最大不均匀系数1.23。该启动电阻也成功通过型式试验和出厂试验。

本发明通过建立启动电阻的等效电路模型，等效电路模型只利用电阻、电感、电容器件串并联组成，利用等效电路模型计算不均匀系数K，不均匀系数K作为绝缘设计裕度的参考标准，比目前通过查现行行业标准固化的设计绝缘裕度更贴合实际，且本发明考虑了多层电阻器会出现因电容造成的电压不均匀分布现象，从源头消除电阻器击穿隐患，保证特高压柔性直流工程按期投运和安全稳定运行。同时提供了多种增大绝缘裕度的可操作方法，在获知当不均匀系数K大于启动电阻的绝缘设计裕度时，可通过增大空间净距，如增大电阻箱的空间尺寸，加大电阻箱之间的垂直距离或改变电阻箱内的电阻单元数量、电阻片数量进行调整。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多层启动电阻用绝缘设计方法，所述启动电阻包括多层电阻箱、支柱绝缘子、进出线套管和联结管母，所述电阻箱垂直分层布置且相邻层之间的所述电阻箱由所述支柱绝缘子进行连接支撑，最下层的电阻箱通过支柱绝缘子与地面固定，每一所述电阻箱的侧壁上均设置有所述进出线套管，每个所述电阻箱内都设置有电阻单元，所述进出线套管内部与所述电阻单元连接，所述进出线套管外部与所述联结管母或进出端子连接；其特征在于，

所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立启动电阻的等效电路模型，所述等效电路模型为由电阻、电感、电容器件串并联而成的电路模型；

步骤2：启动电阻的顶端设置一电容不大于800pF低阻尼分压器，所述低阻尼分压器各电阻箱分为前后两段，采用标准雷电波和标准操作冲击波作为冲击输入，仿真计算各电阻箱前后两段电阻均压值；

步骤3：令各段电阻片的最大雷电分压为U_雷max，最大操作分压为U_操max，分别计算两种分压下不均匀系数K_雷max和K_操max，从K_雷max和K_操max中获得不均匀系数K；

K_雷max＝U_雷max/125；

K_操max＝U_操max/108.3；

K＝max{K_雷max,K_操max}；

步骤4：根据不均匀系数K与绝缘设计裕度的大小关系，判断启动电阻是否需要增大绝缘裕度。

2.根据权利要求1所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，其特征在于，所述步骤1中，所述启动电阻包括三层电阻箱，三层电阻箱分别为上箱体、中箱体和下箱体，其中，

电阻箱对地电容分别为：

上箱体：

中箱体：

下箱体：

进出线套管间电容分别为：

上对中套管：

中对下套管：

上对下套管：

进出线套管对电阻箱电容：

上套管对中箱体：

上套管对下箱体：

进出线套管对地电容：

中套管对地：

下套管对地：

式中：

S₁为电阻箱体下表面积(m²)；

D₁、D₂、D₃分别是上中下箱体对地距离(m)；

l₁是箱体间进出线套管垂直距离(m)；

l₁₂和l₁₃是上套管对中箱体下表面和下箱体下表面垂直距离(m)；

L₂、L₃是中、下箱体进出线套管到地面距离(m)。

3.根据权利要求1所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，其特征在于，所述步骤1中，电阻箱的电感值为1mH-2mH。

4.根据权利要求1所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，其特征在于，所述步骤2中，所述标准雷电波采用-750kV(1.2/50us)标准雷电波，所述标准操作冲击波采用-650kV(50/2500us)标准操作冲击波。

5.根据权利要求1所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，其特征在于，所述步骤4中，当不均匀系数K不大于启动电阻的绝缘设计裕度时，则不需要增大启动电阻的绝缘裕度；当不均匀系数K大于启动电阻的绝缘设计裕度时，则需要增大启动电阻的绝缘裕度。

6.根据权利要求5所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，其特征在于，增大启动电阻的绝缘裕度的方法包括增大电阻箱的空间尺寸，加大电阻箱之间的垂直距离。

7.根据权利要求5所述的多层启动电阻用绝缘设计方法，其特征在于，电阻单元具有电阻片，增大启动电阻的绝缘裕度的方法包括通过增加电阻片的数量，其中，电阻原设计的总片数为N₁，原电阻单元数为M₁，不均匀系数为K，调整后电阻单元的数量变为：

调整后电阻片数变为：

根据调整后的电阻单元和电阻片数量，调整电阻箱的箱体内空间布局。

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