CN101639507A - 可控金属氧化物避雷器动作特性试验装置和方法 - Google Patents

可控金属氧化物避雷器动作特性试验装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可控金属氧化物避雷器动作特性试验装置和方法。该方法包括通过调整冲击电压发生器中球隙距离，多次对可控金属氧化物避雷器试品施加峰值高于可控金属氧化物避雷器试品动作阈值的冲击电压，通过记录的试品动作时刻的电压值获得可控避雷器试品动作时刻的电压值。本发明的可控避雷器在工频、操作和雷电电压下动作特性试验方法具有很好的***等效性，能够全面检验可控避雷器在实际***中各种电压下的动作特性。

Description

可控金属氧化物避雷器动作特性试验装置和方法
技术领域
本发明涉及可控金属氧化物避雷器技术，尤其涉及一种可控金属氧化物避雷器动作特性试验装置和方法。
背景技术
根据特高压交流输电***对深度降低操作过电压水平的需求和操作过电压常规限制措施在经济性和运行可靠性方面存在的不足，提出了可控金属氧化物避雷器的概念。在下文中，将可控金属氧化物避雷器简称为可控避雷器。可控避雷器的结构如图1所示，MOA1、MOA2分别为受控元件和固定元件；K为开关，可采用晶闸管或间隙。可控避雷器的工作原理是：通过K灵活控制避雷器电阻片接入数量以改变避雷器伏安特性。在***正常运行时，K断开，MOA1和MOA2共同限压，通过提高其额定电压(例如，常规避雷器额定电压为828kV，可控避雷器额定电压可选为890kV)以减小避雷器运行荷电率(例如，可控避雷器运行荷电率从常规避雷器的77％降低到71％)。暂态情况下，K导通，MOA1被短接，MOA2残压低，以深度降低***操作过电压。
但是，现有技术中对可控避雷器及其晶闸管开关K在工作电压、工频过电压、操作过电压和雷电过电压下工作原理的描述仅限于理论分析，其正确与否尚需试验检验。目前，国内外仅有针对常规避雷器的工频电压耐受试验、操作冲击电压试验和雷电冲击电压试验的标准，且上述标准均是为检验常规避雷器的绝缘性能，并不能直接用来检验可控避雷器的各种电压应力下的动作特性。目前，对于可控避雷器这一新型设备，并无现成的试验方法和试验标准可以遵循，因此，需要针对可控避雷器的特点制定新的试验方法和试验标准。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种可控避雷器动作特性试验装置。
本发明提供一种可控避雷器动作特性试验装置，包括：冲击电压发生器，冲击电压发生器具有高压输出端和低压输出端，可控避雷器试品连接在该高压输出端和低压输出端之间；分压器，一端与冲击电压发生器的高压输出端相连，一端接地；波形记录装置，连接在分压器的输出端。其中，冲击电压发生器包括：零级支路，包括：波头电阻和波尾电阻，该波头电阻和波尾电阻串联在冲击电压发生器的高压输出端和低压输出端之间；隔离球隙，隔离球隙的一端连接到波头电阻和波尾电阻的连接点；一级支路，具有一级高压输出端和一级低压输出端，包括：一级主电容器，连接在所述一级高压输出端和一级低压输出端之间；点火球隙，连接在一级高压输出端和地之间；充电电阻，连接在一级低压输出端和地之间；保护电阻、高压硅堆和试验变压器，所述保护电阻、高压硅堆和试验变压器的次级线圈依次串联连接在一级高压输出端和地之间；调压器，调压器和试验变压器的初级线圈并联连接。隔离球隙的另一端连接在所述一级低压输出端。
根据本发明的可控避雷器动作特性试验装置的一个实施例，还包括至少一个次级支路。该次级支路，具有次级高压输出端和次级低压输出端，包括：次级主电容器，连接在次级高压输出端和次级低压输出端之间；次级球隙和阻尼电阻，串联连接在次级高压输出端和上一级低压输出端之间；两只充电电阻，分别连接在次级和上一级高压输出端之间和次级和上一级低压输出端之间。
根据本发明的可控避雷器动作特性试验装置的一个实施例，还包括球隙距离控制装置，用于调整各级支路中球隙的距离。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种可控避雷器动作特性试验方法。
本发明提供一种可控避雷器动作特性试验方法，包括：设定所述冲击电压发生器中球隙距离，对可控避雷器试品施加峰值高于所述可控避雷器试品动作阈值的冲击电压，记录所述可控避雷器试品动作时刻的电压值；逐步增加所述冲击电压发生器中球隙距离，对可控避雷器试品施加峰值高于所述可控避雷器试品动作阈值的冲击电压，记录所述可控避雷器试品动作时刻的电压值；以上述多次测量获得的所述可控避雷器试品动作时刻的电压值的平均值作为所述可控避雷器试品动作时刻的电压值。
进一步，该方法还包括：首先设定冲击电压发生器中球隙距离，对可控避雷器试品施加峰值稍低于所述可控避雷器试品动作阈值的冲击电压，如果所述可控金属氧化物避雷器试品动作，记录所述可控避雷器试品动作时刻的电压值。
进一步，该方法还包括：对记录的所述可控避雷器试品动作时刻的电压值进行温度和/或湿度校正。
本发明的可控避雷器动作特性试验装置和方法实现了可控避雷器在工频、操作和雷电冲击电压下的动作特性的试验，具有很好的***等效性，能够检验可控避雷器在实际***中各种电压下的动作特性。
附图说明
图1示出可控避雷器的结构图；
图2示出根据可控避雷器工作原理绘制的伏安特性曲线；
图3示出工频电压下可控避雷器动作特性试验电路图；
图4示出根据本发明的冲击电压下可控避雷器动作特性试验电路图；
图5示出根据本发明的可控金属氧化物避雷器动作特性试验方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。
图2示出根据可控避雷器工作原理绘制的伏安特性曲线。在图2中，曲线2为可控避雷器的伏安特性曲线，作为对比，曲线1为常规避雷器的伏安特性曲线；其中，常规避雷器额定电压为828kV，可控避雷器额定电压可选为890kV。
工作电压或工频过电压下：K断开，MOA1和MOA2串联共同承担电压，可控避雷器工作于图2中的区域A。可控避雷器运行荷电率从常规避雷器的77％降低到71％，以提高避雷器长期运行可靠性。
操作过电压下：在特高压输电***中，操作过电压波头时间Tf较长，一般为600～4500μs，90％以上的Tf＞1000μs。晶闸管开关K的开通时间Tgt一般为1到几μs，远小于操作过电压的波头时间，K的响应时间完全可以满足限制操作过电压的要求。当可控避雷器所承受的操作过电压值超过其触发阈值时，K导通，MOA1被短接，可控避雷器工作于图2中曲线2的区域B，MOA2残压较低，可将操作过电压限制到较低水平。
雷电侵入波过电压下：统计数据表明，约85％的雷电流波头长度在1～5μs内，平均为2.6μs。该雷电流所产生的雷电侵入波过电压的波头时间Th普遍在1～4μs内。当雷电侵入波过电压的幅值上升至可控避雷器的动作阈值时，晶闸管开关才开始响应，然后经过Tgt的开通时间后，真正进入导通状态。设雷电侵入波过电压幅值上升至可控避雷器动作阈值所需的时间为T，晶闸管开关的开通时间Tgt，晶闸管开关实际进入导通状态所需的时间为(T+Tgt)，两者之和往往大于雷电侵入波过电压的波头时间Th，晶闸管开关的响应速度无法满足限制雷电侵入波过电压的要求。此时，MOA1和MOA2串联共同限压，可控避雷器工作于图2中曲线2的区域C。由于避雷器额定电压较常规避雷器高，避雷器残压增加，同样幅值的雷电侵入波过电压下，设备上的雷电过电压会升高，可通过优化避雷器的安装数量和位置限制电气设备上的雷电过电压，使其小于雷电冲击耐受水平。
下面首先介绍可控避雷器在工频电压下动作特性的试验。
图3示出工频电压下可控避雷器动作特性试验电路图。如图3所示，该试验电路包括工频试验电压源10、开关11、试验变压器12、试品13、分压器14和波形记录仪15。在电压源10和开关11之间还串联有电源等效内阻抗(简称内阻)Zs。各个组件之间的连接关系如图3所示，电压源10、电阻Zs和开关11串联在变压器12的初级线圈的两端，试品13并联在变压器12的次级线圈的两端，分压器14的一端与变压器12的高压输出端相连，另一端接地，波形记录仪15连接在分压器14的输出端。
可控避雷器在运行过程中要承受工频电压(工作电压和工频过电压)的作用，可控避雷器在工频电压下的动作准确性直接关系到固定元件MOA2的能量吸收与耐受性能，因此需要对工频电压下可控避雷器的动作准确性进行试验研究。
本试验主要用于测试可控避雷器在超过其动作阈值U0的工频电压下的动作特性。试验采用高电压工频试验电压源及其调节和测试支路，试验电路如图3所示。要求工频试验电压源的试验电压值远大于U0，频率在48Hz和62Hz之间，且近似于正弦波；分压器等测量设备应满足GB/T 16927.2的要求。
首先，根据可控避雷器的实际***中的安装方式将试品的受控部分安装在低压侧或高压侧，并将试品放置在和实际***相同高度的金属支架上，按试验电路图3进行接线。给试品缓慢加压，直至可控避雷器动作，然后迅速将电压降至0，测量可控避雷器动作时的电压U，并记录相应的波形；重复上述步骤，对每次U的测量结果均进行温度和湿度校正，最后求U多次测量结果的平均值作为可控避雷器及其晶闸管开关在工频电压下的动作电压。
图4示出根据本发明的冲击电压下可控避雷器动作特性试验电路图。如图4所示，可控避雷器动作特性试验装置包括冲击电压发生器21、分压器24和波形记录装置25。其中，冲击电压发生器21具有高压输出端1和低压输出端2，可控避雷器试品23并联连接在高压输出端1和低压输出端2之间；分压器24一端与冲击电压发生器21的高压输出端1相连，另一端接地；波形记录装置25连接在分压器24的输出端。
冲击电压发生器21包括零级支路、一级支路和次级支路212。其中，零级支路包括串联在高压输出端1和低压输出端2的波头电阻Rf和波尾电阻Rt，以及零级球隙(隔离球隙)g0；零级球隙g0的一端连接到波头电阻Rf与波尾电阻Rt的连接点。一级支路具有高压输出端(1-1)和低压输出端(2-1)。一级支路包括调压器AT和试验变压器T；在试验变压器T的高压输出端和一级支路的高压输出端(1-1)之间串联连接有高压硅堆D、保护电阻r，在调压器的低压输出端和一级支路的低压输出端(2-1)之间连接有充电电阻R，在一级支路的高压输出端(1-1)和低压输出端(2-1)之间连接有一级主电容器C1；一级支路还包括点火球隙g1，点火球隙g1的一端连接到调压器的低压输出端，另一端连接到高压输出端(1-1)。次级支路212位于一级支路和零级支路之间。次级支路212包括串联连接在上一级支路高压输出端(1-(n-1))和次级支路高压输出端(1-n)之间的充电电阻R，串接在上一级支路低压输出端(2-(n-1))和次级支路低压输出端(2-n)之间的充电电阻R，串接在上一级支路低压输出端(2-(n-1))和次级支路高压输出端(1-n)之间的阻尼电阻rd和次级球隙gn，串接在次级支路高压输出端(1-n)和低压输出端(2-n)之间的次级主电容器Cn。
如图4所示，试验变压器T和高压硅堆D构成整流电源，经过保护电阻r及充电电阻R向主电容器C1～Cn充电，充电到U，出现在球隙g1～gn上的电位差也为U，假若事先把球间隙距离调到稍大于U，球间隙不会放电。当需要产生冲击电压时，可向点火球隙g1的针极送去一脉冲电压，针极和球皮之间产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1的上极板经g1接地，点(2-1)的电位由地电位变为-U。电容器C1与下一级电容器C2之间有充电电阻R隔开，R比较大，在g1放电瞬间，点(1-2)和点(2-2)电位不可能突然改变，点(1-2)电位仍为+U，球隙g2上的电位差突然上升到2U，g2马上放电，于是点(1-2)电位突然变为-2U。同理，g3、g4......gn也跟着放电，电容器C1～Cn就串联起来了。最后，隔离球隙g0也放电，此时，输出电压为C1～Cn上的电压总和，为-nU。上述一系列过程可被概括为“电容器并联充电，而后串联放电”，由并联变成串联是靠一组球隙来达到的。R在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。rd是防止回路内部发生振荡用的。保护电阻r一般比R大一数量级，不仅保护硅堆，还可使各级电容器的充电电压比较均匀。该冲击电压发生器所产生的冲击电压波形上升部分的快慢与Rf有关，Rf称为波头电阻；冲击电压波形下降部分的快慢与Rt有关，Rt称为波尾电阻。Rf小，上升快；Rt大，下降慢。
根据本发明的可控金属氧化物避雷器动作特性试验装置的一个实施例，还包括球隙距离控制装置，用于调整各级支路中球隙的距离。
本领域的技术人员可以理解，根据不同试验的需要，上述可控避雷器动作特性试验电路图可以包括一个或多个次级支路212，各个次级支路包括相同的组件。当包括多个次级支路212时，各个次级支路之间的连接关系和图4中次级支路与一级支路的连接关系类似，第一个次级支路如图4示出的和一级支路相连，最后一个次级支路如图4示出的和零级支路相连。从上面的描述可以看出，次级支路具有将电压差累加的作用。同样，根据不同试验的需要，上述可控避雷器动作特性试验电路图也可以不包括次级支路212，此时，一级支路的第一输出端和零级支路中的零级球隙的另一端直接连接。
图5示出根据本发明的可控金属氧化物避雷器动作特性试验方法的一个实施例的流程图。
如图5所示，在步骤502，设定所述冲击电压发生器中球隙距离，对可控金属氧化物避雷器试品施加峰值高于所述可控金属氧化物避雷器试品动作阈值的冲击电压，记录所述可控金属氧化物避雷器试品动作时刻的电压值；
在步骤504，逐步增加所述冲击电压发生器中球隙距离，对可控金属氧化物避雷器试品施加峰值高于所述可控金属氧化物避雷器试品动作阈值的冲击电压，记录所述可控金属氧化物避雷器试品动作时刻的电压值；
在步骤506，以上述多次测量获得的所述可控金属氧化物避雷器试品动作时刻的电压值的平均值作为所述可控金属氧化物避雷器试品动作时刻的电压值。
根据本发明的动作特性试验方法的一个实施例，在步骤502之前，可以首先设定冲击电压发生器中球隙距离，对可控金属氧化物避雷器试品施加峰值稍低于所述可控金属氧化物避雷器试品动作阈值的冲击电压，如果所述可控金属氧化物避雷器试品动作，记录所述可控金属氧化物避雷器试品动作时刻的电压值；其中上述的稍低于例如是比动作阈值低1％～10％。
下面结合图4中的电路以及本发明的动作特性试验方法，具体描述对于操作冲击电压和雷电冲击电压的试验。
首先介绍可控避雷器在250/2500μs标准波形操作冲击电压下动作特性的试验方法。
可控避雷器的一个主要目的是限制操作冲击电压，所以晶闸管开关在操作冲击电压下的动作准确性直接关系到可控避雷器对操作冲击电压的限制效果，因此需要对操作冲击电压下晶闸管开关的动作准确性进行研究。
本试验主要用于测试可控避雷器在超过其动作阈值的操作冲击电压下的动作特性和受控部分(MOA1和K等)的安装位置、试品放置高度、及操作冲击电压波头时间对可控避雷器动作特性的影响。试验采用高电压操作冲击电压发生器及其调节和测试回路，试验电路如图4所示。要求操作冲击电压源的试验电压峰值远大于U0；分压器等测量设备应满足GB/T 16927.2的要求。
本发明方法的试验步骤包括：
(11)根据可控避雷器的实际***中的安装方式将试品的受控部分安装在低压侧或高压侧，并将试品放置在和实际***相同高度的金属支架上，按试验电路图4进行接线。
(12)调整操作冲击电压发生器的球隙距离，给试品施加峰值略低于可控避雷器动作阈值的操作冲击电压，观察U的波形，看可控避雷器动作与否，如动作，记录U的波形和可控避雷器动作时刻的电压值。
(13)适当增加操作冲击电压发生器的球隙距离，给试品施加峰值高于可控避雷器动作阈值的操作冲击电压，观察U的波形和可控避雷器的动作情况，记录U的波形和可控避雷器及其晶闸管开关动作时刻的电压值。
重复步骤(13)多次，每次均适当增加球隙距离，记录U的测量结果并进行温度和湿度校正，最后求U多次测量结果的平均值作为可控避雷器及其晶闸管开关在操作冲击电压下的动作电压。
其次，介绍可控避雷器在1.2/50μs标准波形雷电冲击电压下动作特性的试验方法。
理论上，由于雷电冲击电压的波头时间一般小于晶闸管开关的开通延迟时间，可控避雷器的晶闸管开关可能来不及在雷电冲击过电压下的波头时间内开通，一般会在其波尾开通，所以可控避雷器应该无法限制短波头的雷电冲击过电压。为验证理论分析的正确性，本发明对可控避雷器在雷电冲击过电压下的动作特性进行研究。
本试验主要用于测试可控避雷器在超过其动作阈值的雷电冲击电压下的动作特性和受控部分(MOA1和K等)的安装位置、试品放置高度对可控避雷器动作特性的影响。试验采用高电压雷电冲击电压发生器及其调节和测试回路，试验电路如图4所示。要求雷电冲击电压源的试验电压峰值远大于U0；分压器等测量设备应满足GB/T 16927.2的要求。
本发明方法的试验步骤包括：
(21)根据可控避雷器的实际***中的安装方式将试品的受控部分安装在低压侧或高压侧，并将试品放置在和实际***相同的高度的金属支架上，按试验电路图4进行接线。
(22)调整雷电冲击电压发生器的球隙距离，给试品施加峰值略低于可控避雷器动作阈值的雷电冲击电压，观察U的波形，记录U的波形和可控避雷器动作时刻的电压值。
(23)适当增加操作冲击电压发生器的球隙距离，给试品施加峰值高于可控避雷器动作阈值的操作冲击电压，观察U的波形和可控避雷器的动作情况，记录U的波形和可控避雷器动作时刻的电压值。
重复步骤(23)多次，每次均适当增加球隙距离，记录U的测量结果并进行温度和湿度校正，最后总结可控避雷器动作时刻的电压值随雷电冲击电压峰值的变化规律。
本发明的可控避雷器动作特性试验装置和方法可以实现是可控避雷器在工频、操作和雷电冲击电压下的动作特性的试验研究，检验对可控避雷器在不同电压应力下工作原理描述的正确性，为可控避雷器控制策略的制定提供了试验依据。本发明的可控避雷器在工频、操作和雷电电压下动作特性试验方法的研究突破了常规避雷器试验标准的限制，为如何检验可控避雷器这一新型设备的动作性能和如何制定新的试验方法和试验标准进行了有益的探索。本发明的可控避雷器在工频、操作和雷电电压下动作特性试验方法具有很好的***等效性，能够全面检验可控避雷器在实际***中各种电压下的动作特性。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (7)

1.一种可控金属氧化物避雷器动作特性试验装置，其特征在于，包括：
冲击电压发生器，所述冲击电压发生器具有高压输出端和低压输出端，所述可控金属氧化物避雷器试品连接在所述高压输出端和低压输出端之间；
分压器，所述分压器一端与所述冲击电压发生器的高压输出端相连，一端接地；
波形记录装置，连接在所述分压器的输出端；
其中，所述冲击电压发生器包括：
零级支路，包括：波头电阻和波尾电阻，所述波头电阻和波尾电阻串联在所述高压输出端和低压输出端之间；隔离球隙，所述隔离球隙的一端连接到所述波头电阻和波尾电阻的连接点；
一级支路，具有一级高压输出端和一级低压输出端，包括：一级主电容器，所述一级主电容器连接在所述一级高压输出端和一级低压输出端之间；点火球隙，所述点火球隙连接在所述一级高压输出端和地之间；充电电阻，所述充电电阻连接在所述一级低压输出端和地之间；保护电阻、高压硅堆和试验变压器，所述保护电阻、高压硅堆和试验变压器的次级线圈依次串联连接在一级高压输出端和地之间；调压器，所述调压器和所述试验变压器的初级线圈并联连接；
所述隔离球隙的另一端连接在所述一级低压输出端。
2.根据权利要求1所述的可控金属氧化物避雷器动作特性试验装置，其特征在于，还包括至少一个次级支路；
所述次级支路，具有次级高压输出端和次级低压输出端，包括：次级主电容器，连接在次级高压输出端和次级低压输出端之间；次级球隙和阻尼电阻，串联连接在次级高压输出端和上一级低压输出端之间；两只充电电阻，分别连接在次级和上一级高压输出端之间和次级和上一级低压输出端之间。
3.根据权利要求1或2所述的可控金属氧化物避雷器动作特性试验装置，其特征在于，还包括球隙距离控制装置，用于调整各级支路中球隙的距离。
4.根据权利要求1或2所述的可控金属氧化物避雷器动作特性试验装置，其特征在于，所述波头电阻，用来调节电压波形上升部分的快慢；所述波尾电阻，用来调节电压波形下降部分的快慢。
5.一种可控金属氧化物避雷器动作特性试验方法，其特征在于，包括：
设定所述冲击电压发生器中球隙距离，对可控金属氧化物避雷器试品施加峰值高于所述可控金属氧化物避雷器试品动作阈值的冲击电压，记录所述可控金属氧化物避雷器试品动作时刻的电压值；
逐步增加所述冲击电压发生器中球隙距离，对可控金属氧化物避雷器试品施加峰值高于所述可控金属氧化物避雷器试品动作阈值的冲击电压，记录所述可控金属氧化物避雷器试品动作时刻的电压值；
以上述多次测量获得的所述可控金属氧化物避雷器试品动作时刻的电压值的平均值作为所述可控金属氧化物避雷器试品动作时刻的电压值。
6.根据权利要求5所述的可控金属氧化物避雷器动作特性试验方法，其特征在于，还包括：
首先设定冲击电压发生器中球隙距离，对可控金属氧化物避雷器试品施加峰值稍低于所述可控金属氧化物避雷器试品动作阈值的冲击电压，如果所述可控金属氧化物避雷器试品动作，记录所述可控金属氧化物避雷器试品动作时刻的电压值。
7.根据权利要求5或6所述的可控金属氧化物避雷器动作特性试验方法，其特征在于，还包括：
对记录的所述可控金属氧化物避雷器试品动作时刻的电压值进行温度和/或湿度校正。
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