CN104796124A - 封闭式小间隙多电极气体开关装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种封闭式多极气体开关装置，该装置采用密封性结构，内充绝缘性能良好的六氟化硫气体，可大幅度降低内部电极的尺寸以及各电极间的间隙，从而缩小整个装置的体积；而且本装置可通过充气气压大小调整开关装置的额定电压，避免针对变化不大的产品出现制造不同磨具，多次制造的现象；同时本装置采用球形电极，通过绝缘支柱内部的导电部分连接，组成放电间隙，该布置的电场分布更加合理，在间隙两端安装均匀电阻，通过脉冲电压发生器和耦合电容对每个间隙施加触发信号，无需调整球隙间隙或内部气压，操作简单，具有同步性良好、触发范围广、不受外界条件影响、单一型号多用的特性。

Description

封闭式小间隙多电极气体开关装置及方法

技术领域

本发明涉及高电压试验技术领域，具体涉及一种封闭式多极气体开关装置及方法。

背景技术

随着我国电力系统的不断发展，输送范围不断扩大，高电压运行设备的电压等级和容量不断提高，对恶劣环境的适应能力也在不断增强，从而对高压试验设备的电压等级、环境适应能力、体积和重量等各方面提出更高的要求。

现有技术中，高压试验设备冲击电压发生器一般采用在普通点火球隙，触发前调整球隙间距，随后对最低点火球隙施加触发脉冲触发，后续各级通过压降触发的方式，形成脉冲高电压，用于验证电力设备的耐受雷电冲击或操作冲击的能力。然而，普通点火球隙的自放电特性和多间隙触发的同步性较差，容易出现误触发现象，受外界环境的影响较大，比如在高原地区需多次调试以获取最佳球间隙，现场试验效率低下，所以，采用普通点火球隙的冲击电压发生器难以实现良好不同，消除自放电现象；再加上普通点火球隙采用空气作为做主绝缘，且需附加球隙间距调节装置体积较大，不利于冲击电压发生器进行紧凑型小型化设计，因此，传统点火球隙已不无法满足冲击试验装置的需求。

目前，部分研究机构在传统点火球隙的基础上进行了改进，如公开号CN201412256Y提出的“冲击电压发生器的第一级球隙对称点火装置”和公开号CN101220792A提出的“冲击电压发生器多极点火装置”，能够在一定程度上改善冲击电压发生器的同步性，然而，由于这两种球隙仍采用开放式结构，对环境依赖较大，当试验装置处于气压较低的高原地区或环境湿度≥80％时，冲击发生器会出现无法正常触发或自放电现象；且同样存在体积较大的问题。公开号CN103400717提出了一种“多电极畸变气体开关及开关同步触发方法”，其特点是采用全封闭结构，通过内部气压控制点火电压。该方法避免了外界环境对点火球隙的影响，但该系统采用气压控制，即每次点火放电前都需要进行内部气压调整，需增加压力控制系统；而且该系统每次试验时由于气压调整都会出现气体排放，出现气体浪费现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种封闭式多极气体开关装置及方法，该装置和方法采用高绝缘性能气体作为主绝缘介质，降低了开关装置内部各电极间的绝缘距离，缩小了气体开关的体积和重量；同时，该装置采用多级电极的小间隙结构，使用触发脉冲触发放电，无需调整间隙距离或内部气压，能够实现稳定同步触发，避免误触发现象，解决了冲击电压发生器在高海拔、高温湿度等恶劣条件下误放电、同步性差等问题。

为解决上述技术问题，本发明公开的封闭式多极气体开关装置，其特征在于：它包括密封绝缘外壳、设置在密封绝缘外壳顶端与底端之间的竖直绝缘板、设置在竖直绝缘板一侧绝缘腔内的脉冲电压发生装置、设置在竖直绝缘板另一侧绝缘腔内且个数相等的多个铜钨合金球和均压电阻管以及耦合电容器，所述竖直绝缘板的另一侧与密封绝缘外壳端部内壁之间设有绝缘支撑板和位于绝缘支撑板下方的两根导电支撑杆，所述两根导电支撑杆与绝缘支撑板之间均设有多个耦合电容器，所述绝缘支撑板上设有多根绝缘支柱，每根绝缘支柱上固定有一个对应的铜钨合金球，所述每根绝缘支柱位于对应的耦合电容器的正上方，所述一根导电支撑杆上的多个耦合电容器与另一根导电支撑杆上的多个耦合电容器交错布置，所述绝缘支撑板上还设有多个能罩住对应铜钨合金球的均匀电阻管帽，相邻两个铜钨合金球之间具有间隙，所述竖直绝缘板一侧的绝缘腔上开设有引线入口15，竖直绝缘板另一侧的绝缘腔上开设有通气口和引线出口；

每个耦合电容器的底端接口均连接对应的导电支撑杆，每个耦合电容器的顶端接口均通过铺设在绝缘支撑板和对应绝缘支柱内的导线连接相应的铜钨合金球，所述每个均压电阻管的一端通过绝缘支撑板内的导线连接一根导电支撑杆上对应的耦合电容器的顶端接口，每个均压电阻管的另一端通过绝缘支撑板内的导线连接另一根导电支撑杆上对应的耦合电容器的顶端接口，所述每个均压电阻管两端连接的两个耦合电容器为相邻的两个耦合电容器；

所述脉冲电压发生装置的信号输出端穿过竖直绝缘板后连接最左边的一个耦合电容器的顶端接口，最右边的一个耦合电容器的顶端接口连接有引出线，该引出线由引线出口引出，脉冲电压发生装置的电压信号输入端通过引线入口引出。

一种利用上述封闭式多极气体开关装置进行开关控制的方法，它包括如下步骤：

步骤1：封闭式多极气体开关装置完成内部各器件安装后，通过充气孔与气体充气回收装置连接，对该装置进行抽真空；

步骤2：当真空度≤133pa时，停止抽真空，向装置内部充气高绝缘气体至要求的气压；

步骤3：引出线通过出线接口与外围的脉冲电容器和无感电阻连接，脉冲电压发生装置的电压信号输入端通过引线入口连接电压信号输入设备，此时在引出线和脉冲电压发生装置的电压信号输入端施加35kV～250kV的电压信号；

步骤4：在封闭式多极气体开关装置两端施加的电压信号依次分布在相邻两个钨铜合金球组成的各个间隙和均匀电阻管上，由于施加的电压信号低于相邻两个钨铜合金球组成的间隙的击穿放电电压，因此不会发生击穿放电现象；

步骤5：脉冲电压发生装置发出高压脉冲信号，通过耦合电容器将电压信号耦合至钨铜合金球上，使钨铜合金球附近的电场发生畸变，各球隙发生击穿，实现引出线和脉冲电压发生装置的电压信号输入端的短暂性导通。

本发明的有益效果：

本发明提供的封闭式小间隙多极气体开关装置，整体采用封闭式小间隙结构，内充高绝缘气体(六氟化硫气体)，降低了内部元器件沿面爬电距离的要求，缩小了球隙间间距，从而降低了开关装置的体积和重量；该装置采用密封充气结构，可根据充气气压调整开关装置的额定电压(气体的绝缘特性与气压呈近似的线性关系)，避免生产多种不同型号气体开关小间隙模具的现象，提高了气体开关的适用性；同时本装置内部电极采用球状结构，内部电场分布更加均匀，间隙两端设有均压电阻，并通过脉冲电压发生器和耦合电容对每个间隙施加触发信号，无需调整球隙间隙或内部气压(通过脉冲信号，使内部电场产生畸变，耐受电压降低，实现击穿放电)。本发明具有同步性良好、触发范围广、不受外界条件影响、单一型号多用的特性。

附图说明

图1为本发明的侧视结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的仰视结构示意图；

图4是本发明的剖面结构示意图；

图5是本发明的电气原理图；

其中，1—密封绝缘外壳、2—脉冲电压发生装置、3—绝缘支撑板、4—铜钨合金球、5—绝缘支柱、6—均压电阻管、7—耦合电容器、8—导电支撑杆、9—通气口、10—间隙、11—引线出口、12—竖直绝缘板、13—导线、14—引出线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明所设计的一种封闭式多极气体开关装置，该装置采用密封性结构，内充绝缘性能良好的六氟化硫气体，可大幅度降低内部电极的尺寸以及各电极间的间隙，从而缩小整个装置的体积；而且本装置可通过充气气压大小调整开关装置的额定电压，避免针对变化不大的产品出现制造不同磨具，多次制造的现象；同时本装置采用球形电极，通过绝缘支柱内部的导电部分连接，组成放电间隙，该布置的电场分布更加均匀(球形电极形状更加规则、对称)，在间隙两端安装均匀电阻，通过脉冲电压发生器和耦合电容对每个间隙施加触发信号，无需调整球隙间隙或内部气压，操作简单，具有同步性良好、触发范围广、不受外界条件影响、单一型号多用的特性。

该装置的具体结构，如图1～5所示包括密封绝缘外壳1、设置在密封绝缘外壳1顶端与底端之间的竖直绝缘板12、设置在竖直绝缘板12一侧绝缘腔内的脉冲电压发生装置2、设置在竖直绝缘板12另一侧绝缘腔内且个数相等的多个铜钨合金球4和均压电阻管6以及耦合电容器7，所述竖直绝缘板12的另一侧与密封绝缘外壳1端部内壁之间设有绝缘支撑板3和位于绝缘支撑板3下方的两根导电支撑杆8(支撑绝缘板3位于密封绝缘外壳内的中下部)，所述两根导电支撑杆8与绝缘支撑板3之间均设有多个耦合电容器7(所述耦合电容器7采用双端出线结构，方便与对应的均压电阻管6、铜钨合金球4以及导电支撑杆8进行电气连接)，所述绝缘支撑板3上设有多根绝缘支柱5，每根绝缘支柱5上固定有一个对应的铜钨合金球4，所述每根绝缘支柱5位于对应的耦合电容器7的正上方，所述一根导电支撑杆8上的多个耦合电容器7与另一根导电支撑杆8上的多个耦合电容器7交错布置，所述绝缘支撑板3上还设有多个能罩住对应铜钨合金球4的均匀电阻管帽6，相邻两个铜钨合金球4之间具有间隙10，所述竖直绝缘板12一侧的绝缘腔上开设有引线入口15，竖直绝缘板12另一侧的绝缘腔上开设有通气口9和引线出口11(通气口9用于气体开关装置内部抽真空和充气处理，引线出口11实现与外部电气连接，它们均采用密封性设计)；

每个耦合电容器7的底端接口均连接对应的导电支撑杆8，每个耦合电容器7的顶端接口均通过铺设在绝缘支撑板3和对应绝缘支柱5内的导线13连接相应的铜钨合金球4，所述每个均压电阻管6的一端通过绝缘支撑板3内的导线13连接一根导电支撑杆8上对应的耦合电容器7的顶端接口，每个均压电阻管6的另一端通过绝缘支撑板3内的导线13连接另一根导电支撑杆8上对应的耦合电容器7的顶端接口，所述每个均压电阻管6两端连接的两个耦合电容器7为相邻的两个耦合电容器7；

所述脉冲电压发生装置2的信号输出端穿过竖直绝缘板12后连接最左边的一个耦合电容器7的顶端接口，最右边的一个耦合电容器7的顶端接口连接有引出线14，该引出线14由引线出口11引出，脉冲电压发生装置2的电压信号输入端通过引线入口15引出。

上述技术方案中，所述充气孔用于装置内部抽真空和充气处理，完成充气后使用环氧树脂螺栓紧固。所述点火装置充气完成后，进行密封检测，确保完全密封，合格后使用，并采用高强度密封胶密封充气孔。

上述技术方案中，所述相邻两个铜钨合金球4之间的间隙10范围为1～3mm。所述多排铜钨合金球4交错布置，钨合金球数量及间隙根据充气气压和触发脉冲电压确定，每个间隙都非常小，多个铜钨合金棒构成点火装置的多极主间隙。

上述技术方案中，所述密封绝缘外壳1采用环氧树脂浇注而成，内表面设有伞群结构。上述密封绝缘外壳1的厚度和内部伞群的结构根据实际的充气气压和最大触发电压确定。

上述技术方案中，脉冲电压发生装置2用于发出和传递高压脉冲信号，使点火过程和点火脉冲传递过程同步进行，从而对每个点火系统的每个间隙都施加触发信号。

上述技术方案中，所述密封绝缘外壳1的端部均进行圆角化处理，本发明为冲击或其他装置的一部分，外壳进行圆角化处理，使多电极开关使用时周边电场均匀分布。

上述技术方案中，所述两根导电支撑杆8位于同一水平面，所述绝缘支撑板3与两根导电支撑杆8为平行布置。

上述技术方案中，所述密封绝缘外壳1内通过通气口9充入六氟化硫气体。本发明使用单个气管对冲击电压发生器使用的全部点火系统充气，从而保证各点火系统内部的气压完全相同。充至要求气压后，进行密封检测，确保完全密封，并采用高强度密封胶密封充气孔9。

上述技术方案中，所述间隙10为点火球隙，该点火球隙的耐压击穿电压为280kV，额定触发电压为250kV。该装置的使用寿命长，在额定触发电压下，进行点火触发1500次以上，其耐压击穿电压的下降率＜1％。若长期使用导致击穿电压下降严重，可重新更换内部气体，无需重新制作。

上述技术方案中，因开关球隙整体尺寸较小，耦合电容器7选用高精度耦合电容(其电容量的误差为±5％)，而非传统多级球隙中的电极耦合方式，进一步提高了开关装置的同步性。

在本实例中，各部件的电气连接如图5所示，包括脉冲电压发生器2、耦合电容器7、由相邻两个铜钨合金球4组成的间隙10、采用均匀电阻管6构成的均匀电阻。脉冲电压发生器2用于发出和传递触发信号，使点火过程和点火脉冲传递过程同步进行。

一种利用上述封闭式多极气体开关装置进行开关控制的方法，它包括如下步骤：

步骤1：封闭式多极气体开关装置完成内部各器件安装后，通过充气孔9与气体充气回收装置连接，对该装置进行抽真空；

步骤2：当真空度≤133pa时，停止抽真空，向装置内部充气高绝缘气体至要求的气压；

步骤3：引出线14通过出线接口11与外围的脉冲电容器和无感电阻连接，脉冲电压发生装置2的电压信号输入端通过引线入口15连接电压信号输入设备，此时在引出线14和脉冲电压发生装置2的电压信号输入端施加35kV～250kV的电压信号；

步骤4：在封闭式多极气体开关装置两端施加的电压信号依次分布在相邻两个钨铜合金球4组成的各个间隙10和均匀电阻管6上，由于施加的电压信号低于相邻两个钨铜合金球4组成的间隙10的击穿放电电压，因此不会发生击穿放电现象；

步骤5：脉冲电压发生装置2发出高压脉冲信号，通过耦合电容器7将电压信号耦合至钨铜合金球4上，使钨铜合金球4附近的电场发生畸变，各球隙发生击穿，实现引出线14和脉冲电压发生装置2的电压信号输入端的短暂性导通。

本发明公开的上述实例与传统点火球隙相比，该装置整体采用封闭式小间隙结构，使用绝缘性能良好的SF6气体作为主绝缘介质，可以大幅度缩短内部各器件尺寸和器件间的绝缘距离，避免多电极和触发箱的使用增大装置的体积；而且，该装置具有同步性良好、触发范围广、不受外界条件影响等特点；且点火触发时无需调整球隙间隙或内部气压，操作简单。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种封闭式多极气体开关装置，其特征在于：它包括密封绝缘外壳(1)、设置在密封绝缘外壳(1)顶端与底端之间的竖直绝缘板(12)、设置在竖直绝缘板(12)一侧绝缘腔内的脉冲电压发生装置(2)、设置在竖直绝缘板(12)另一侧绝缘腔内且个数相等的多个铜钨合金球(4)和均压电阻管(6)以及耦合电容器(7)，所述竖直绝缘板(12)的另一侧与密封绝缘外壳(1)端部内壁之间设有绝缘支撑板(3)和位于绝缘支撑板(3)下方的两根导电支撑杆(8)，所述两根导电支撑杆(8)与绝缘支撑板(3)之间均设有多个耦合电容器(7)，所述绝缘支撑板(3)上设有多根绝缘支柱(5)，每根绝缘支柱(5)上固定有一个对应的铜钨合金球(4)，所述每根绝缘支柱(5)位于对应的耦合电容器(7)的正上方，所述一根导电支撑杆(8)上的多个耦合电容器(7)与另一根导电支撑杆(8)上的多个耦合电容器(7)交错布置，所述绝缘支撑板(3)上还设有多个能罩住对应铜钨合金球(4)的均匀电阻管帽(6)，相邻两个铜钨合金球(4)之间具有间隙(10)，所述竖直绝缘板(12)一侧的绝缘腔上开设有引线入口(15)，竖直绝缘板(12)另一侧的绝缘腔上开设有通气口(9)和引线出口(11)；

每个耦合电容器(7)的底端接口均连接对应的导电支撑杆(8)，每个耦合电容器(7)的顶端接口均通过铺设在绝缘支撑板(3)和对应绝缘支柱(5)内的导线(13)连接相应的铜钨合金球(4)，所述每个均压电阻管(6)的一端通过绝缘支撑板(3)内的导线(13)连接一根导电支撑杆(8)上对应的耦合电容器(7)的顶端接口，每个均压电阻管(6)的另一端通过绝缘支撑板(3)内的导线(13)连接另一根导电支撑杆(8)上对应的耦合电容器(7)的顶端接口，所述每个均压电阻管(6)两端连接的两个耦合电容器(7)为相邻的两个耦合电容器(7)；

所述脉冲电压发生装置(2)的信号输出端穿过竖直绝缘板(12)后连接最左边的一个耦合电容器(7)的顶端接口，最右边的一个耦合电容器(7)的顶端接口连接有引出线(14)，该引出线(14)由引线出口(11)引出，脉冲电压发生装置(2)的电压信号输入端通过引线入口(15)引出。

2.根据权利要求1所述的封闭式多极气体开关装置，其特征在于：所述相邻两个铜钨合金球(4)之间的间隙(10)范围为1～3mm。

3.根据权利要求1所述的封闭式多极气体开关装置，其特征在于：所述密封绝缘外壳(1)采用环氧树脂浇注而成，内表面设有伞群结构。

4.根据权利要求3所述的封闭式多极气体开关装置，其特征在于：所述密封绝缘外壳(1)的端部均进行圆角化处理。

5.根据权利要求1所述的封闭式多极气体开关装置，其特征在于：所述两根导电支撑杆(8)位于同一水平面。

6.根据权利要求5所述的封闭式多极气体开关装置，其特征在于：所述绝缘支撑板(3)与两根导电支撑杆(8)为平行布置。

7.根据权利要求1所述的封闭式多极气体开关装置，其特征在于：所述密封绝缘外壳(1)内通过通气口(9)充入六氟化硫气体。

8.根据权利要求1所述的封闭式多极气体开关装置，其特征在于：所述间隙(10)为点火球隙，该点火球隙的耐压击穿电压为280kV，额定触发电压为250kV。

9.一种利用权利要求1所述封闭式多极气体开关装置进行开关控制的方法，它包括如下步骤：

步骤1：封闭式多极气体开关装置完成内部各器件安装后，通过充气孔(9)与气体充气回收装置连接，对该装置进行抽真空；

步骤2：当真空度≤133pa时，停止抽真空，向装置内部充气高绝缘气体至要求的气压；

步骤3：引出线(14)通过出线接口(11)与外围的脉冲电容器和无感电阻连接，脉冲电压发生装置(2)的电压信号输入端通过引线入口(15)连接电压信号输入设备，此时在引出线(14)和脉冲电压发生装置(2)的电压信号输入端施加35kV～250kV的电压信号；

步骤4：在封闭式多极气体开关装置两端施加的电压信号依次分布在相邻两个钨铜合金球(4)组成的各个间隙(10)和均匀电阻管(6)上，由于施加的电压信号低于相邻两个钨铜合金球(4)组成的间隙(10)的击穿放电电压，因此不会发生击穿放电现象；

步骤5：脉冲电压发生装置(2)发出高压脉冲信号，通过耦合电容器(7)将电压信号耦合至钨铜合金球(4)上，使钨铜合金球(4)附近的电场发生畸变，各球隙发生击穿，实现引出线(14)和脉冲电压发生装置(2)的电压信号输入端的短暂性导通。