CN105223479B - 一种特高压gis现场冲击试验暂态过电压抑制方法 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种特高压GIS现场冲击试验暂态过电压抑制方法，所述方法在电源侧套管一侧通过高压防晕导线与紧凑型冲击电压发生器相连，所述紧凑型冲击电压发生器用于产生现场冲击试验规定幅值的雷电波；并在空载套管顶端通过高压防晕导线连入暂态过电压抑制器来实施，其中：所述暂态过电压抑制器包括若干个由接引铜排串联连接的单元模块和变压器油。在发生故障时，本公开通过暂态过电压抑制器保证暂态过电压的幅值低于特高压GIS现场冲击试验所允许的最高冲击电压幅值；在未发生击穿时，使GIS内试验电压波形与未接入抑制器时的电压波形基本相同。

Description

一种特高压GIS现场冲击试验暂态过电压抑制方法

技术领域

本公开属于电力设备过电压防护技术领域，尤其适用于特高压GIS设备现场冲击试验时暂态过电压的抑制。

背景技术

随着电网负荷的飞速增长，特高压输电已成为我国电网建设的必然趋势，特高压GIS因其具有绝缘性能好、占地面积小、运行安全、维护方便等诸多优点而被广泛应用。运行中的GIS设备将不可避免地遭到雷电波的入侵，如果GIS内部存在某些绝缘缺陷，在雷电波的冲击下，GIS设备很有可能发生闪络故障，对电力系统的安全稳定运行构成极大威胁。因此，为检测GIS设备内部绝缘缺陷、排除故障隐患而进行的现场冲击试验具有非常重要意义。

进行现场冲击试验时，如果GIS设备内部某处存在绝缘缺陷而发生击穿，由于GIS设备体积小，节点间距小，击穿引发的电压波将会在装置内部发生多次折反射并相互叠加，产生高频电压波，当这一电压波到达设备与电网的切断点处时，将会由于电压的全反射而产生幅值很高的高频暂态过电压，对GIS内其他不存在缺陷的位置构成严重威胁，容易引起二次击穿而对其他绝缘良好的部件造成不必要的破坏。

与正常运行的情况不同。一方面，现场冲击试验时，处于断开状态的GIS设备存在开断点，为电压波全反射而引发高幅值暂态过电压提供了条件，两套间隔设备串联与连接三套间隔设备的试验工况下，由于空载套管的存在，高频暂态过电压在其顶端发生全反射，导致过电压幅值急剧升高，过电压水平明显高于其他试验工况，并高于特高压GIS现场冲击试验所允许的暂态过电压最大值；另一方面，传统的磁环、避雷器等设备只能在GIS接入电网后发挥保护作用，而现场冲击试验时，处于断开状态的GIS设备没有磁环与避雷器等设备的保护。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷与改进需求，本公开提出了一种特高压GIS现场冲击试验暂态过电压的抑制方法。本方法能够在GIS内发生故障时，有效抑制GIS内产生的暂态过电压，保证暂态过电压的幅值低于特高压GIS现场冲击试验所允许的最高冲击电压幅值，在未发生击穿时，能够保证GIS内试验电压波形与未接入抑制器时的电压波形基本相同；本方法涵盖了所有现场冲击试验过程中GIS发生击穿后能够产生高幅值暂态过电压的试验工况，保证抑制器在暂态过电压幅值较高的工况下接入试验回路；本方法能够保证暂态过电压抑制器接线的稳定性、空间电场的均匀性与装置表面电压分布的均匀性。

一种特高压GIS现场冲击试验暂态过电压的抑制方法，所述方法在与GIS电源侧分支母线相连的电源侧套管一侧通过高压防晕导线与紧凑型冲击电压发生器相连，所述紧凑型冲击电压发生器用于产生现场冲击试验规定幅值的雷电波；

并在与GIS的GIS空载套管侧分支母线相连的空载套管顶端通过高压防晕导线连入暂态过电压抑制器来实施，其中：

所述暂态过电压抑制器包括若干个位于一绝缘罐体中的、自上而下连接的单元模块，各个单元模块之间通过接引铜排串联连接；

所述绝缘罐体中包括变压器油；

每个单元模块包括一个电阻、一个电容，所述电阻和电容之间通过接引铜排串联连接；

所述电阻、电容、接引铜排浸在变压器油中；

所述暂态过电压抑制器的对外等效电阻为40～80Ω，对外等效电容为800～900pF；

所述接引铜排的规格为40mm×3mm以上；

在最下面的单元模块下设有接地铜排，其规格为50mm×3mm以上。

附图说明

图1为本公开的一个实施例中连接三套间隔设备下现场冲击试验暂态过电压抑制方法的电路示意图；

其中，1为现场试验雷电波、2为电源侧套管、3为GIS电源侧分支母线、4为末端盆式绝缘子、5为第一套间隔设备、6为第二套间隔设备、7为第三套间隔设备、8为GIS空载套管侧分支母线、9为空载套管、10为接线铜排、11为暂态过电压抑制器、12为GIS断路器、13为电流互感器、14为GIS隔离开关、15为GIS接地开关、16为GIS主母线；

图2为本公开的一个实施例中两套间隔设备串联下现场冲击试验暂态过电压抑制方法的电路示意图；

图3-(a)、图3-(b)为本公开的一个实施例中现场冲击试验两种负载连接方式下电源侧分支母线末端绝缘子发生闪络后空载套管顶端暂态过电压抑制波形图；

图4-(a)、图4-(b)为本公开的一个实施例中现场冲击试验两种负载连接方式下未发生击穿时电源侧分支母线的电压波形图。

具体实施方式

在一个基础实施例中，提供了一种特高压GIS现场冲击试验暂态过电压的抑制方法，所述方法在与GIS电源侧分支母线相连的电源侧套管一侧通过高压防晕导线与紧凑型冲击电压发生器相连，所述紧凑型冲击电压发生器用于产生现场冲击试验规定幅值的雷电波；

并在与GIS的GIS空载套管侧分支母线相连的空载套管顶端通过高压防晕导线连入暂态过电压抑制器来实施，其中：所述暂态过电压抑制器包括若干个位于一绝缘罐体中的、自上而下连接的单元模块，各个单元模块之间通过接引铜排串联连接；所述绝缘罐体中包括变压器油；每个单元模块包括一个电阻、一个电容，所述电阻和电容之间通过接引铜排串联连接；所述电阻、电容、接引铜排浸在变压器油中；所述暂态过电压抑制器的对外等效电阻为40～80Ω，对外等效电容为800～900pF；所述接引铜排的规格为40mm×3mm以上；在最下面的单元模块下设有接地铜排，其规格为50mm×3mm以上。

在这个实施例中，在特高压GIS现场冲击试验的两套间隔设备串联和连接三套间隔设备的情况下，所述暂态过电压抑制器能够保证，发生故障后GIS设备内的过电压幅值处于2.4MV以下。所述两套间隔设备串联为3/2接线方式下第2套间隔设备与第3套间隔设备串联；所述连接三套间隔设备为3/2接线方式下三套间隔设备全部接入。在发生故障时，所述装置能够对过电压产生抑制作用，在未发生故障时，所述装置对正常的电压幅值没有影响。

本方法能够有效抑制GIS内发生故障时产生的暂态过电压，保证暂态过电压的幅值低于特高压GIS现场冲击试验所允许的最高冲击电压幅值，在未发生击穿时，能够保证GIS内试验电压波形与未接入抑制器时的电压波形基本相同；本方法涵盖了所有现场冲击试验过程中GIS发生击穿后能够产生高幅值暂态过电压的试验工况，保证抑制器在暂态过电压幅值较高的工况下接入试验回路。

电阻、电容均处于变压器油的环境中，由于空气的电气强度无法保证设备在高幅值冲击电压下不发生沿面闪络，变压器油具有比空气高得多的电气强度，设备浸在油中不仅可以提高绝缘强度，而且还可以免受潮气的侵蚀。变压器油的比热比空气大得多，其对流散热效果好，保证绝缘性能的同时可作为冷却剂。变压器油的灭弧性能也优于空气，能够使电弧很快熄灭。并且，变压器油具有下述优点：凝固点低，能够保证低温环境下装置的正常使用；密度小，有利于油中水分和杂质的沉淀；燃点高，能够保证在装置发热时不发生闪燃；粘度适中，粘度太大会影响对流散热，粘度太小又会降低闪燃温度；变压器油杂质含量低，有效抑制酸、碱硫等杂质对油中设备的腐蚀；变压器油的抗老化性能好，不易发生氧化、变质。

所述铜排规格为40mm×3mm以上，能够保证所述暂态过电压抑制器具有足够的通流能力。

所述暂态过电压抑制器的抑制效果取决于装置的整体电容与整体电阻值，因而，单元模块内，电阻与电容的上下顺序不影响装置抑制效果，只要保证装置的整体电容在800-900pF范围内、整体电阻在40-80Ω内，就能够达到抑制效果。因而单元模块的多少主要取决于装置内每个电容、电阻的沿面闪络电压。

由于所述暂态过电压抑制器自身的电感将对暂态过电压的抑制产生负面影响，因此，为尽量减小电感，优选的，电阻采用无感绕法制成，多种无感绕法均可，推荐采用双线无感绕法，因为双线无感绕法为两条电阻丝并联而成，与其他无感绕法相比，具有更大的载流量。

优选的，所述电容为脉冲电容器。脉冲电容器具有内阻小，通流能力强的特点，可以承受装置内流过的大电流，而其他类型电容器则不能承受装置内流过的大电流。

在一个实施例中，所述电阻的电阻丝为卡玛丝。卡玛丝是在镍铬合金中加入少量的铝、铁、铜、锰、硅等合金元素构成。它具有较高的电阻系数、较低的电阻温度系数，此外，与康铜丝、锰铜丝等其他电阻丝相比，虽然其中所含的镍元素价格较高，但具有更强耐腐蚀性，能够保证其长期工作在变压器油环境中。

优选的，所述单元模块的数目至少为10个。由于整个装置所承受的冲击电压一定的条件下，单元模块的数量越多，每个单元模块所分担的电压就越低，因此，需要保证装置具有足够多的单元模块，从而降低各个单元模块的电压，防止单元模块内脉冲电容器与无感电阻的沿面闪络。由于以变压器油代替空气作为绝缘介质，能够保证较高的沿面闪络电压，因此保证单元模块数≥10即可，所需单元模块数量远小于绝缘介质为空气的情况。

在一个实施例中，所述单元模块的数目为10个。

在另一实施例中，所述单元模块的数目为12个。

优选的，所述暂态过电压抑制器还包括均压模块，所述均压模块包括三个均压环，分别为第一均压环，第二均压环和第三均压环；

其中，第一均压环和第二均压环半径相等，并排部署在所述暂态过电压抑制器的顶端，通过两端带有均压环固定铜盘的金属导杆连接；第三均压环为半径小于第一均压环的均压环，通过穿过绝缘罐体的铜盘固定，部署在所述暂态过电压抑制器的中部。

一方面，均压模块(全部3个均压环)可以改善装置附近的电场，使其分布更加均匀，防止在装置附近由局部电场过高所引发的电晕放电；另一方面，均压模块(顶端2个均压环)与罐体之间存在杂散电容，流过该杂散电容的补偿电流可以弥补罐体与大地之间杂散电容的泄漏电流，使罐体由上至下的电压分布(单位长度电压降)更均匀，防止电压降在罐体顶端过于集中所引发的电晕放电与沿面闪络。

优选的，在每个电阻和电容之间填充有绝缘垫块。更进一步地，所述绝缘垫块上有孔。在过电压抑制的过程中，该装置将流过很大电流，如果结构设计方面不考虑其散热效果，将会造成装置过热，严重时可导致电阻、电容被烧坏，因此通过采用有孔的绝缘垫块来保证装置的散热。如果绝缘垫块无通孔，则整个绝缘罐体内部将被分隔成一个个油腔，油腔之间被绝缘垫块完全隔开，对流散热只能在单个油腔内进行，极大影响对流散热效果；如果绝缘垫块采用有孔结构，实现油腔的互连，将使对流散热范围扩大到整个绝缘罐体，使其不再局限于单个油腔，保证对流散热效果。

更优的，所述绝缘垫块采用环氧玻璃纤维。由于所述环氧玻璃纤维具有极高的机械强度与抗压能力，广泛应用于电气设备的绝缘支撑，尤其适用于高压电抗器等发热量大的设备，由此可知，其耐热性能也十分优越，能够在电气绝缘、机械支撑、耐热能力等各个方面满足本文装置的要求。

进一步地，所述绝缘罐体的两端使用密封塞进行密封；最上端的单元模块伸向上端密封塞的接引铜排与上端所述绝缘罐体密封塞此二者之间的交界面之间、以及最下端的单元模块伸向下端密封塞的接地铜排与下端所述绝缘罐体密封塞此二者之间的交界面均有密封圈；所述绝缘罐体外壳通过均压罩与均压环连接。密封塞与绝缘罐体之间由密封圈实现密封，密封塞与接引铜排之间也由密封圈实现密封，密封圈的作用是保证两端的塞与其他部件交界处的良好密封。

更优的，所述密封塞为环氧玻璃纤维材质。

可选的，所述暂态过电压抑制器还包括用于与空载套管顶端连接的高压接线端子，所述高压接线端子位于金属导杆上。

可选的，所述暂态过电压抑制器还包括可动式支撑底座，所述可动式支撑底座包括防震滚轮与将所述暂态过电压抑制器进行固定的绝缘拉杆；所述绝缘拉杆通过金属连接部件将绝缘拉杆与第三均压环或可动式支撑底座连接；所述金属连接部件包括第一连接部件，其中，所述第一连接部件用于连接固定绝缘拉杆，且第一连接部件两端有孔，一端的孔用于固定插入绝缘拉杆，另一端的孔有螺纹；所述金属连接部件还包括第二连接部件，其中，所述第二连接部件一端用于与均压环或可动式支撑底座连接固定，另一端为螺纹拉杆，所述螺纹拉杆与第一连接部件中有螺纹的一端连接，通过旋转螺纹拉杆上的螺栓能够对绝缘拉杆长度进行微调。

所述可动式支撑底座既能够使装置方便快速的移动，保证装置的灵活性与试验的高效性，又能够在试验过程中起固定装置的作用，保证装置的稳定性与试验的安全性。优选的，所述防震滚轮为橡胶轮，能够缓冲装置移动过程中的震荡。这里未对绝缘拉杆的数量进行限制，以实际应用时能实现装置固定为准。

进一步地，在所述可动式支撑底座下有支撑杆，所述支撑杆在试验过程中起固定作用，避免试验过程中滚轮支撑造成的不稳定性。

下面将对本公开参照附图进行进一步说明。特别声明，以下的描述本质上只是起到了宏观解释和实例说明的作用，绝不对本公开及其应用或使用进行任何限制。除非另外特别说明，否则，在实施例中阐述的部件和步骤的相对布置以及数字表达式和数值并不限制本公开的范围。另外，本领域技术人员已知的技术、方法和装置可能不被详细讨论，但在适当的情况下意在成为说明书的一部分。

图1为本公开连接三套间隔设备下现场冲击试验暂态过电压抑制方法的电路示意图。在本实施例中，包括现场试验雷电波1、电源侧套管2、GIS电源侧分支母线3、末端盆式绝缘子4、第一套间隔设备5、第二套间隔设备6、第三套间隔设备7、GIS空载套管侧分支母线8、空载套管9、接线铜排10、暂态过电压抑制器11、GIS断路器12、电流互感器13、GIS隔离开关14、GIS接地开关15、GIS主母线16。现场试验雷电波1由紧凑型冲击电压发生器产生，与普通的冲击电压发生器相比，紧凑型冲击电压发生器的电感小，在负载电容较大的情况下保证负载电压波形满足标准雷电波的要求。所述冲击电压发生器主电容充电电压为2.2MV，以产生现场冲击试验规定的幅值为1.92MV的雷电波，产生的雷电波通过电源侧套管2注入到3/2接线的GIS内。暂态过电压抑制器11的电容取值为800pE，由分散布置的电容串联而成；电阻取值为50Ω，电阻采用卡玛丝双线无感绕法，卡玛丝具有较低电阻温度系数，有利于提高装置热稳定性，双线无感绕法可以减小装置电感，并能够增大装置载流量；电阻与电容采用交替分布，阻尼装置内部振荡，提高装置耐压水平。在本实施例中，通过人为设定缺陷的方式，使GIS电源侧分支母线3末端的盆式绝缘子4发生闪络(暂态过电压幅值最高的试验工况)，故障点处电压迅速跌落，这一急剧变化的暂态电压波过程在GIS内各节点间发生折反射，从而产生振荡频率为10MHz量级的暂态过电压。接入抑制器前后GIS内各点的暂态过电压幅值见表1。

表1.连接三套间隔设备下各点暂态电压幅值

由表1可知，在空载套管顶端(E点)处，暂态过电压幅值下降幅度最大，最大下降幅度为1.92MV，随着GIS内各点与抑制器间距的增加，暂态过电压幅值下降幅度逐渐减小，在第一套间隔设备左端(A点)，暂态电压幅值下降幅度最低，仅下降了0.9MV。但与抑制器间距较大的各点处，过电压幅值较低，不存在过电压幅值超过特高压GIS现场冲击试验规程要求的2.4MV的点，接入暂态过电压抑制器能够保证GIS内各点电压幅值均处于2.4MV以下。综上所述，对于连接三套间隔设备的试验工况，本方法具有良好的暂态过电压抑制效果。

图2为本公开两套间隔设备串联下现场冲击试验暂态过电压抑制方法的电路示意图。在本实施例中，断开第一套间隔设备5内的隔离开关14，并闭合第一套间隔设备5内的接地开关15，将第一套间隔设备5从试验回路中切除，对第二套间隔设备6与第三套间隔设备7串联的工况进行现场冲击试验。现场试验雷电波1由紧凑型冲击电压发生器产生，冲击电压发生器主电容充电电压为2.2MV，以产生现场冲击试验规定的幅值为1.92MV的雷电波，产生的雷电波通过电源侧套管2注入到两套间隔设备串联的GIS内。暂态过电压抑制器11的电容取值为800pE，电阻取值为50Ω。在本实施例中，通过人为设定缺陷的方式，使GIS电源侧分支母线3末端的盆式绝缘子4发生闪络(暂态过电压幅值最高的试验工况)，故障点处电压迅速跌落，这一急剧变化的暂态电压波过程在GIS内各节点间发生折反射，从而产生振荡频率为10MHz量级的暂态过电压。接入抑制器前后各点的暂态过电压幅值见表2。

表2.两套间隔设备串联下各点暂态电压幅值

抑制器	B点电压幅值	C点电压幅值	D点电压幅值	E点电压幅值
					未接入	1.18MV	2.02MV	3.04MV	4.30MV
已接入	1.05MV	1.25MV	1.84MV	2.28MV

由表2可知，在空载套管顶端(E点)处，暂态过电压幅值下降幅度最大，最大下降幅度为2.02MV，随着GIS内各点与抑制器间距的增加，暂态过电压幅值下降幅度逐渐减小，在第二套间隔设备6的断路器内部(B点)，暂态电压幅值下降幅度最低，仅下降了0.13MV。但与抑制器间距较大的各点处，过电压幅值较低，不存在过电压幅值超过2.4MV的点，接入暂态过电压抑制器能够保证GIS内各点电压幅值均处于2.4MV以下。综上所述，对于两套间隔设备串联的试验工况，本方法具有良好的暂态过电压抑制效果。

图3-(a)与图3-(b)为本公开特高压GIS现场冲击试验暂态过电压抑制方法实施例中测量的电源侧分支母线末端绝缘子发生闪络后空载套管顶端(E点)的暂态过电压波形示意图。图3-(a)与图3-(b)分别为连接三套间隔设备与两套间隔设备串联工况下，接入抑制器前后空载套管顶端的电压波形，其中，曲线A为接入抑制器前的电压波形，曲线B为接入抑制器后的电压波形。由图3-(a)与图3-(b)可知，在两种负载接线方式下接入抑制器后，空载套管顶端的暂态过电压幅值均由4MV以上水平下降至规程要求的2.4MV以下水平，能够有效抑制GIS内某点发生击穿后的暂态过电压，避免暂态过电压对完好绝缘子造成不必要的破坏。

图4-(a)与图4-(b)为本公开特高压GIS现场冲击试验暂态过电压抑制方法实施例中测量的未发生击穿时GIS电源侧分支母线的试验电压波形示意图。图4-(a)与图4-(b)分别为连接三套间隔设备与两套间隔设备串联工况下，接入抑制器前后GIS电源侧分支母线的电压波形，其中，曲线A为接入抑制器前的电压波形，曲线B为接入抑制后的电压波形。由图4-(a)与图4-(b)可知，接入抑制器前后，GIS内试验电压的波头时间与电压幅值等波形参数无明显变化，能够保证在未发生击穿的情况下，接入的暂态过电压抑制器对现场冲击试验基本无影响。

虽然己示例实施例描述了本公开，但应理解，本公开不限于上述的示例性实施例。对于本领域技术人员显然的是，可以在不背离本公开的范围和精神的条件下修改上述的示例性实施例。所附的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (10)

1.一种特高压GIS现场冲击试验暂态过电压抑制方法，其特征在于：

所述方法在与GIS电源侧分支母线相连的电源侧套管一侧通过高压防晕导线与紧凑型冲击电压发生器相连，所述紧凑型冲击电压发生器用于产生现场冲击试验规定幅值的雷电波；

并在与GIS的GIS空载套管侧分支母线相连的空载套管顶端通过高压防晕导线连入暂态过电压抑制器来实施，其中：

所述暂态过电压抑制器包括若干个位于一绝缘罐体中的、自上而下连接的单元模块，各个单元模块之间通过接引铜排串联连接；

所述绝缘罐体中包括变压器油；

每个单元模块包括一个电阻、一个电容，所述电阻和电容之间通过接引铜排串联连接；

所述电阻、电容、接引铜排浸在变压器油中；

所述暂态过电压抑制器的对外等效电阻为40～80Ω，对外等效电容为800～900pF；

所述接引铜排的规格为40mm×3mm以上；

在最下面的单元模块下设有接地铜排，其规格为50mm×3mm以上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述电阻采用无感绕法制成。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述电容为脉冲电容器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述电阻的电阻丝为卡玛丝。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述单元模块的数目至少为10个。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述暂态过电压抑制器还包括均压模块，所述均压模块包括三个均压环，分别为第一均压环，第二均压环和第三均压环；

其中，第一均压环和第二均压环半径相等，并排部署在所述暂态过电压抑制器的顶端，通过两端带有均压环固定铜盘的金属导杆连接；第三均压环为半径小于第一均压环的均压环，通过穿过绝缘罐体的铜盘固定，部署在所述暂态过电压抑制器的中部。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在每个电阻和电容之间填充有绝缘垫块。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述绝缘罐体的两端使用密封塞进行密封；

最上端的单元模块伸向上端密封塞的接引铜排与上端密封塞此二者之间的交界面、以及最下端的单元模块伸向下端密封塞的接地铜排与下端密封塞此二者之间的交界面均有密封圈；

所述绝缘罐体外壳通过均压罩与均压环连接。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述暂态过电压抑制器还包括用于与空载套管顶端连接的高压接线端子，所述高压接线端子位于金属导杆上。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述暂态过电压抑制器还包括可动式支撑底座，所述可动式支撑底座包括防震滚轮与将所述暂态过电压抑制器进行固定的绝缘拉杆；

所述绝缘拉杆通过金属连接部件将绝缘拉杆与第三均压环或可动式支撑底座连接；

所述金属连接部件包括第一连接部件，其中，所述第一连接部件用于连接固定绝缘拉杆，且第一连接部件两端有孔，一端的孔用于固定插入绝缘拉杆，另一端的孔有螺纹；

所述金属连接部件还包括第二连接部件，其中，所述第二连接部件一端用于与均压环或可动式支撑底座连接固定，另一端为螺纹拉杆，所述螺纹拉杆与第一连接部件中有螺纹的一端连接，通过旋转螺纹拉杆上的螺栓能够对绝缘拉杆长度进行微调。