CN102222897A - 一种高可靠性可控多重火花放电间隙 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气元件领域，具体涉及一种高可靠性可控多重火花放电间隙，用于超高电压交/直流电力系统重要设备或部件的过电压保护以及大电流的高速旁路。网络结构和参数，可以获得工频交流(或直流)工作电压沿多重间隙的均匀分布。本发明的可控放电间隙可以应用于任何电压等级直至特高压等级的交直流输电系统。

Description

一种高可靠性可控多重火花放电间隙

技术领域

本发明属于电气元件领域，具体涉及一种高可靠性可控多重火花放电间隙，可用于超高电压交/直流电力系统重要设备或部件的过电压保护以及大电流的高速旁路。

背景技术

由于火花放电的时间极短(微秒量级)，间隙可以承受数百kA以上的冲击电流，可控火花放电间隙(或称触发放电间隙)已应用于高电压技术、脉冲功率技术等领域的试验研究。

现有的可控放电间隙的设计均基于所谓“三电极间隙”原理，即在两个电极构成的主间隙之间放置用于“点火”的第三个电极。主间隙的电极形状设计使间隙的电场尽可能均匀，以便使间隙能够耐受较高的工作电压，避免在工作电压作用下间隙产生自放电(自触发、误动)；当触发脉冲送达点火电极时，在主间隙中产生电场畸变或小火花放电，导致主间隙绝缘耐受强度降低，令间隙在工作电压作用下产生贯穿性放电。也可以用激光脉冲实现可控放电间隙的点火。

现有的三电极可控放电间隙尚不能在高压电网工程应用的主要原因有：

1)可靠性低：由于受气象环境条件影响，间隙火花放电电压有很大的分散性，放电电压的标准偏差可达8％以上。要防止间隙不发生误动，应使间隙的工作电压显著低于自放电电压；另一方面，要保证在点火脉冲送出时间隙可靠动作，又要尽可能提高工作电压。为了兼顾防止误动和防止拒动的要求，现有的间隙设计面临两难选择，除非使间隙自放电电压/触发放电电压的比值达到3倍以上。但现有三电极放电间隙从原理上讲，触发脉冲对主间隙耐受电压的影响有限，把这个比值提高到2已十分困难。因而，现有的可控火花放电间隙不能满足电力系统高可靠性的要求。

2)现有的可控间隙动作的原理是，依靠工作电压超过主间隙在触发脉冲作用下的耐受强度来实现主间隙的放电，因此放电只能发生在工频电压峰值附近，在其他相位送出触发脉冲，工作电压的瞬时值可能很低，不足以导致主间隙的放电，现有可控火花间隙在相当大的时间段存在“控制死区”；

3)现有的三电极可控间隙通常只有单个主间隙、最多有2个主间隙，耐压水平低，难以用于超高电压电网。

现代电网的发展，对高可靠性的可控放电间隙提出了重大需求，以满足交直流输电系统中重要设备或部件的过电压保护和大电流的快速旁路。

国内外现有的可控火花间隙，均以三电极火花间隙为基础，已在脉冲功率技术、高压试验研究中获得应用，已有电容均压型的两级串联的三电极火花间隙，工作电压只能达到30-50kV左右。由于三电极可控间隙原理的局限，现有的可控间隙动作可靠性不高，容易发生误动或拒动；

国内外已有用多重间隙串联构成的高压试验设备，例如冲击波截断的截波装置，只在试验室中专用，与本发明的功能和用途不同。

国内外目前没有可应用于超高压/特高压电网的高可靠性、无控制死区的可控放电间隙的设计、专利或产品。

本发明从原理上可以克服现有可控火花放电间隙的上述缺点，有效地解决动作可靠性、消除控制死区和提高工作电压等关键技术问题。

发明内容

本发明的目的是：提供一种高可靠性可控多重火花放电间隙，可用于超高电压交/直流电力系统重要设备或部件的过电压保护以及大电流的高速旁路，可实现超高压/特高压电网的高可靠性、无控制死区的可控放电间隙保护功能。

本发明的工作原理与现有三电极火花放电间隙的工作原理有本质的不同，本发明的核心组件是与频率相关链形网络逐级联结的多重火花间隙。选择适当的网络结构和参数，可以获得工频交流(或直流)工作电压沿多重间隙的均匀分布。多重间隙的放电电压接近于单间隙放电电压与间隙级数的乘积。只要选择足够的级数，多重间隙能够耐受很高的工作电压，因而可应用到任何的电压等级。相反，在脉冲(高频)触发电压的作用下，由于频率相关网络对电压分布的调节作用，沿多重间隙的电压分布变得极不均匀，绝大部分外加电压均集中在第一、二个间隙，以致在幅值稍高于单间隙放电电压的的触发电压作用下，就可引起级联放电，导致多重间隙依次放电。这种间隙在工频工作电压作用下自放电电压与触发脉冲作用下的放电电压的比值，随间隙级数的增加而增加，选择10级间隙串联即可保证间隙具有极高的可靠性，无误动或拒动之虞。这种新型的可控放电间隙可以应用于任何电压等级直至特高压等级的交直流输电系统。

本发明的一种高可靠性可控多重火花放电间隙，由间隙G1…G2…Gn组成多重串联间隙，每个间隙Gi由一对相距一定距离的放电球组成，其中i从1到n，多个间隙Gi串联组成多重放电间隙，通过调节各个间隙Gi内放电球的球距实现调节该多重放电间隙放电电压的功能；由电阻电容R1C1…R2C2…Rn-1…Cn-1组成与频率相关的网络；R1、R2……Rn是并联电阻器；L₀为限流电感；C₀为耦合电容；C1…C2…Cn-1是并联电容器，具体连接方式为：工频电源与限流电感L₀的串联结构与触发脉冲发生器和耦合电容C₀的串联结构再并联后的两个出线端分别成为A点和E点；间隙G1与电阻R1并联后的左端与所述A点相接，间隙G1与电阻R1并联后的右端与电容C1串联后接所述E点；间隙G2与电阻R2并联后的左端与电容C1的上端相接，间隙G2与电阻R2并联后的右端与电容C2串联后接E点；间隙Gn-1与电阻Rn-1并联后的左端与电容Cn-2的上端相接，间隙Gn-1与电阻Rn-1并联后的右端与电容Cn-1串联后接E点；间隙Gn与电阻Rn并联后的左端与电容Cn-1的上端相接，间隙Gn与电阻Rn并联后的右端接E点，其中n为自然数。

其中，多重放电间隙由安装在绝缘支柱上的8级棒-棒电极组成，棒-棒电极距离可根据使用要求灵活调节，为了避免产生电晕放电，各级间隙上下都采用均压环保护，各级均压电阻与相应的棒-棒间隙并联，为保护均压电阻免受环境气候的影响，并联电阻器R1、R2……Rn置于充绝缘油的复合绝缘套筒内，数值为100pf的对地并联电容器C1、C2……Cn-1与绝缘支柱等高，通过软连接线与放电间隙的电极相连，电容器端部和软连接线同样用均压环保护，整个可控放电间隙放置在500kV的绝缘平台上。

其中，对于多重间隙，在间隙Gi内的两放电球之间设置有间隙电容C_gi，所述间隙电容C_gi通常为pF量级的电容，在工频电压下，容抗1/ωC_gi远大于电阻R_i，因此多重间隙的电压分布由并联电阻和各节点对地电容决定，随着频率的增加，每级间隙的等效容抗降低，网络成为决定电压分布的主要因素，调整接地电容C_i，从而获得不同的高频电压分布特性，接地电容参数确定后，根据工频电压下各个间隙电压分布相等的限制条件，可列出求解电阻R_i的多元线性方程组：

$R_i=\frac{a_i=\left|U_{i,N}\right|/\left|U_{N-1,N}\right|}{\sqrt{{\left|Z_{i,N}\right|}^2/[a_i-{\left|Z_{i,N}\right|}^2\left(\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{gi}}\right)]}}---\left(1\right)$

，i＝1，2，…，N-1

其中，U_ij表示第i个和第j个间隙之间的电压，Z_iN表示从第i+1个间隙首端看进去的等效阻抗，其中N、i、j为自然数；

由于式(1)确定的方程数量只有N-1个，少于待求解的电阻数量N，因此频率相关网络元件的电阻参数的选取并不唯一；

在设计多重间隙时，可以根据运行要求和制造成本确定一个合理的参数范围，先确定某个电阻的阻值，然后使用式(1)算出其他电阻值。

本发明技术方案的优点是：

1、现有的可控放电间隙，自放电电压与触发放电电压的比值小于2，不能同时满足防误动和防拒动的要求，难以保证运行可靠性；本发明的自放电电压随多重间隙级数的增加而线性增加，而触发放电电压随间隙级数的增加趋于一个饱和值(略高于单个间隙的放电电压)。自放电电压与触发放电电压的比值可以根据需要任意选择。选择8级串联间隙该比值已达4倍以上，已经可以保证极高的运行可靠性，无误动和拒动之虞。

2、现有的可控放电间隙必须依靠工作电压瞬时值与触发脉冲的联合作用才能完成触发放电，存在大范围的触发死区；本发明只需要触发脉冲单独作用即可完成间隙的点火，不存在任何控制死区；

3、现有的三电极可控放电间隙只能由1-2个主间隙承受工作电压，适用于较低电压等级电网；而本发明可以有任意数量的多重间隙承受工作电压，可以用于超高压直至特高压电网。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的可控多重火花放电间隙原理图。其中，G₁、G₂……G_n为多重串联间隙；R₁C₁、R₂C₂……R_n-1C_n-1为与频率相关的网络；L₀为限流电感；C₀为耦合电容。

图2是依据本发明的可控多重火花放电间隙配置结构示意图。

图3是依据本发明的可控多重火花放电间隙配置结构中的电容器与电阻间的连接关系示意图。

图4示出了依据本发明的可控多重火花放电间隙的电位分布示意图。

具体实施方式

图1是本发明的可控多重火花放电间隙原理图。其中，G₁、G₂……G_n为多重串联间隙；R₁C₁、R₂C₂……R_n-1C_n-1为与频率相关的网络；L₀为限流电感；C₀为耦合电容。原理图的具体连接方式和实现方法为：工频电源与限流电感L₀的串联结构与触发脉冲发生器和耦合电容C₀的串联结构再并联后的两个出线端分别成为A点和E点；间隙G₁与电阻R₁并联后左端与A点相接右端与电容C₁串联后接E点；间隙G₂与电阻R₂并联后左端与电容C₁的上端相接，右端与电容C₂串联后接E点；……间隙G_n-1与电阻R_n-1并联后左端与电容C_n-2的上端相接，右端与电容C_n-1串联后接E点；间隙G_n与电阻R_n并联后左端与电容C_n-1的上端相接，右端接E点。

图2、图3所示为用于500kV短路电流限制器的主电容过电压保护的可控放电间隙的布置图，图2为主视图，图3为左视图。多重放电间隙由安装在绝缘支柱上的8级棒-棒电极组成。棒-棒电极距离可以根据使用要求灵活调节。为了避免产生电晕放电，各级间隙上下用均压环保护。各级均压电阻与相应的棒-棒间隙并联。为保护均压电阻免受环境气候的影响，并联电阻器置于充绝缘油的复合绝缘套筒内。数值为100pf的对地电容器与绝缘支柱等高，通过软连接线与放电间隙的电极相连。电容器端部和软连接线同样用均压环保护。多重间隙一端经隔离电容器接到触发脉冲发生器，另一端则接到500kV短路电流限制器的主电容的一极。整个可控放电间隙放置在500kV的绝缘平台上。

图4示出了可控放电间隙在工频5kHz  10kHz  15kHz的外施电压作用下的电压分布结果，此结果与实测结果非常符合。其中“□”代表工频电压电压，“○”代表5kHz频率电压，“△”代表10kHz频率电压，“

”代表15kHz频率电压。由图可知，可控放电间隙在工频电压作用下的电压分布相当均匀，相反，当频率上升到10kHz时，第一个间隙已经承担了90％的外施电压，电压分布变得极不均匀，对间隙的触发极为有利。

主电路

本发明的可控多重串联火花放电间隙由以下部分组成：

由间隙G₁、G₂、…G_n串联而成的多重火花放电间隙；2)由R₁C₁、R₂C₂、…RnCn电阻电容元件组成的链型网络，它与多重间隙逐级相联接，用以调控沿串联间隙的电位分布。均压电阻与单个间隙并联，电容则连接到每个节点和地之间。3)高通回路：此处为耦合电容C₀，用作高频触发脉冲的通路同时隔离工频工作电压；4)触发脉冲发生器；5)联结到系统电源的限流电感L₀。主电路如图1所示。图中工频电源与限流电感L₀的串联结构与触发脉冲发生器和耦合电容C₀的串联结构再并联后的两个出线端分别成为A点和E点；间隙G₁与电阻R₁并联后左端与A点相接右端与电容C₁串联后接E点；间隙G₂与电阻R₂并联后左端与电容C₁的上端相接，右端与电容C₂串联后接E点；……间隙G_n-1与电阻R_n-1并联后左端与电容C_n-2的上端相接，右端与电容C_n-1串联后接E点；间隙G_n与电阻R_n并联后左端与电容C_n-1的上端相接，右端接E点。

参数设计原则

对于图1所示的多重间隙，间隙电容C_gi通常为pF量级。在工频电压下，容抗1/ωC_gi远大于电阻R_i，因此多重间隙的电压分布主要由并联电阻和各节点对地电容决定。

随着频率的增加，每级间隙的等效容抗降低，网络成为决定电压分布的主要因素。调整接地电容C_i，可以获得不同的高频电压分布特性。接地电容参数确定后，根据工频电压下各个间隙电压分布相等的限制条件，可以列出求解电阻R_i的多元线性方程组，

$R_i=\frac{a_i=\left|U_{i,N}\right|/\left|U_{N-1,N}\right|}{\sqrt{{\left|Z_{i,N}\right|}^2/[a_i-{\left|Z_{i,N}\right|}^2\left(\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{gi}}\right)]}}---\left(1\right)$

，i＝1，2，…，N-1

其中，U_ij表示第i个和第j个间隙之间的电压，Z_iN表示从第i+1个间隙首端看进去的等效阻抗。

由于式(1)确定的方程数量只有N-1个，少于待求解的电阻数量N，因此频率相关网络元件的电阻参数的选取并不唯一。

在设计多重间隙时，可以根据运行要求和制造成本确定一个合理的参数范围，先确定某个电阻的阻值，然后使用式(1)算出其他电阻值。

工作原理

在低频或直流电压作用下，沿多重间隙的电位分布主要由均压电阻的数值决定。按照上述的计算方法选择并联电阻值可以让工频工作电压基本上均匀地分配到每个间隙；相反，在高频电压(或脉冲电压)作用下，电容电流的分配对决定电位分布起主要作用。由于全部的对地电容电流均流经第一个间隙的并联电阻，而流经后面的间隙并联电阻的电容电流逐级递减，故沿多重间隙的高频电位分布呈现极不均匀分布。

附图4表示在工频5kHz 10kHz 15kHz的电压分布的仿真结果，此结果与实测结果非常符合。由图4可见，工频电压的分布相当均匀，相反，当频率上升到10kHz时，第一个间隙已经承担了90％的外施电压，电压分布变得极不均匀。

工频电压均匀分布导致各个单间隙几乎同时达到单间隙的放电电压，多重间隙总的放电电压与单个间隙的级数成正比，N重间隙的工频自放电电压接近于单个间隙放电电压的N倍。因此，只要选择合适的级数，可以使整个串联间隙耐受比工作电压高数倍的工频电压，从而有效避免了间隙误触发的危险。

由于频率相关网络的作用，高频脉冲电压沿间隙呈极不均匀分布，第一级间隙承担了绝大部分的外加电压。施加幅值稍高于单个间隙的放电电压的高频脉冲，就可以导致整个串联间隙产生依次放电或称级联放电(cascaded discharge)。整个多重串联间隙在高频电压作用下的放电电压随间隙的级数的增加而稍有增加，迅速趋近略高于单个间隙放电电压的一个饱和放电电压。

此外，不论工作电压的的高低和相位如何，仅依靠点火脉冲的单独作用，就可以保证间隙的可靠动作。这种工作原理与现有的三电极点火的原理有本质的不同：现有的可控间隙的点火必须依靠工作电压瞬时值和触发脉冲电压的共同作用，工作电压稍低或相位不符都会导致触发点火失败；本设计仅依靠触发电压的单独作用，不管工作电压的高低和相位，均可保证间隙可靠的动作。

工程设计实例

附图2表示用于500kV短路电流限制器的主电容过电压保护的可控放电间隙的布置图。多重放电间隙由安装在绝缘支柱上的8级棒-棒电极组成。棒-棒电极距离可以根据使用要求灵活调节。为了避免产生电晕放电，各级间隙上下用均压环保护。各级均压电阻与相应的棒-棒间隙并联。为保护均压电阻免受环境气候的影响，并联电阻器置于充绝缘油的复合绝缘套筒内。数值为100pf的对地电容器与绝缘支柱等高，通过软连接线与放电间隙的电极相连。电容器端部和软连接线同样用均压环保护。多重间隙一端经隔离电容器接到触发脉冲发生器，另一端则接到500kV短路电流限制器的主电容的一极。整个可控放电间隙放置在500kV的绝缘平台上。间隙对平台的绝缘按照3倍工作电压设计。对于这个具体工程项目，间隙的工作电压为16kV(有效值)，考虑2倍的工频过电压，整个可控放电间隙在运行条件下承受的最高电压为45kV(峰值)。单个间隙距离调整到8mm左右，即可耐受20kV(峰值)的电压。由于多重间隙工频电压的均匀分布，整个8级间隙可耐受约160kV的电压，为间隙在运行中可能承受的电压的3.5倍，保证了极高的安全裕度。由于在脉冲电压作用下极不均匀的分布导致级联放电，只要触发脉冲的幅值超过30kV即可保证间隙可靠动作。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (3)

1.一种高可靠性可控多重火花放电间隙，其特征在于由间隙G1…G2…Gn组成多重串联间隙，每个间隙Gi由一对相距一定距离的放电球组成，其中i从1到n，多个间隙Gi串联组成多重放电间隙，通过调节各个间隙Gi内放电球的球距实现调节该多重放电间隙放电电压的功能；由电阻电容R1C1…R2C2…Rn-1…Cn-1组成与频率相关的网络；R1、R2……Rn是并联电阻器；L₀为限流电感；C₀为耦合电容；C1…C2…Cn-1是并联电容器，具体连接方式为：工频电源与限流电感L₀的串联结构与触发脉冲发生器和耦合电容C₀的串联结构再并联后的两个出线端分别成为A点和E点；间隙G1与电阻R1并联后的左端与所述A点相接，间隙G1与电阻R1并联后的右端与电容C1串联后接所述E点；间隙G2与电阻R2并联后的左端与电容C1的上端相接，间隙G2与电阻R2并联后的右端与电容C2串联后接E点；间隙Gn-1与电阻Rn-1并联后的左端与电容Cn-2的上端相接，间隙Gn-1与电阻Rn-1并联后的右端与电容Cn-1串联后接E点；间隙Gn与电阻Rn并联后的左端与电容Cn-1的上端相接，间隙Gn与电阻Rn并联后的右端接E点，其中n为自然数。

2.如权利要求1所述的放电间隙，其特征在于多重放电间隙由安装在绝缘支柱上的8级棒-棒电极组成，棒-棒电极距离可根据使用要求灵活调节，为了避免产生电晕放电，各级间隙上下都采用均压环保护，各级均压电阻与相应的棒-棒间隙并联，为保护均压电阻免受环境气候的影响，并联电阻器R1、R2……Rn置于充绝缘油的复合绝缘套筒内，数值为100pf的对地并联电容器C1、C2……Cn-1与绝缘支柱等高，通过软连接线与放电间隙的电极相连，电容器端部和软连接线同样用均压环保护，整个可控放电间隙放置在500kV的绝缘平台上。

3.如权利要求2所述的放电间隙，其特征在于对于多重间隙，在间隙Gi内的两放电球之间设置有间隙电容C_gi，所述间隙电容C_gi通常为pF量级的电容，在工频电压下，容抗1/ωC_gi远大于电阻R_i，因此多重间隙的电压分布由并联电阻和各节点对地电容决定，随着频率的增加，每级间隙的等效容抗降低，网络成为决定电压分布的主要因素，调整接地电容C_i，从而获得不同的高频电压分布特性，接地电容参数确定后，根据工频电压下各个间隙电压分布相等的限制条件，可列出求解电阻R_i的多元线性方程组：

$R_i=\frac{a_i=\left|U_{i,N}\right|/\left|U_{N-1,N}\right|}{\sqrt{{\left|Z_{i,N}\right|}^2/[a_i-{\left|Z_{i,N}\right|}^2\left(\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{gi}}\right)]}}---\left(1\right)$

，i＝1，2，…，N-1

其中，U_ij表示第i个和第j个间隙之间的电压，Z_iN表示从第i+1个间隙首端看进去的等效阻抗，其中N、i、j为自然数；

由于式(1)确定的方程数量只有N-1个，少于待求解的电阻数量N，因此频率相关网络元件的电阻参数的选取并不唯一；

在设计多重间隙时，可以根据运行要求和制造成本确定一个合理的参数范围，先确定某个电阻的阻值，然后使用式(1)算出其他电阻值。

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