CN107144773B - 一种气体绝缘式冲击电压发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体绝缘式冲击电压发生装置，包括冲击电压发生器本体、电容分压器、波尾电阻、波前电阻、充电变压器；所述冲击电压发生器本体与波尾电阻相连；所述波前电阻的一端与冲击电压发生器本体相连，另一端与电容分压器相连；所述充电变压器与冲击电压发生器本体相连，所述冲击电压发生器本体包括绝缘外壳和冲击电压发生器，所述绝缘外壳内充有设定压力的绝缘气体，所述冲击电压发生器本体设于绝缘外壳内，其包括多个放电单元，各放电单元沿着绝缘外壳的长度方向顺次排列，相邻放电单元之间通过放电间隙连接。本发明的整体尺寸大幅降低，从而显著降低了装置自身电感量，进而能够显著降低装置输出电压波前时间。

Description

一种气体绝缘式冲击电压发生装置

技术领域

本发明属于高压发生装置技术领域，具体涉及一种气体绝缘式冲击电压发生装置。

背景技术

气体绝缘全封闭组合电器(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)设备由于结构紧凑、安全性高，在电网的应用日趋广泛，特别是自2009年1000千伏“晋东南-南阳-荆门”特高压交流试验示范工程一期工程的投运后，特高压GIS在我国电力系统的装用量也稳步增长。

国际大电网组织(CIGRE)的研究及统计结果表明，雷电冲击电压对固定在高压导体上突出物、绝缘子上微粒类缺陷的反映比交流电压更为灵敏，因为交流电压对于某些装配缺陷、电极表面划伤类缺陷的检验效果不佳，而雷电冲击和操作冲击电压对于上述缺陷有更好的检验效果。

然而，由于传统冲击电压发生装置固有电感量大，从而无法满足大容量特高压GIS设备冲击试验所需的波前时间要求，且传统冲击电压发生装置具有体积庞大、安装复杂、试验中无法移动等不足。因此特高压GIS现场交接试验阶段一般不开展冲击耐受试验，进而导致设备运输、安装阶段产生的部分缺陷无法及时发现，易引起特高压GIS投运后发生绝缘击穿故障。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种气体绝缘式冲击电压发生装置，将传统冲击电压发生器集体封装于SF6气体中，并在结构优化、部件选型方面进行了革新，具有结构紧凑、自感量低、可移动等特点，可实现在变电站现场开展大容量GIS设备标准雷电冲击耐压试验，并可在不同试验场地间实现自移动。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种气体绝缘式冲击电压发生装置，包括冲击电压发生器本体、电容分压器、波尾电阻、波前电阻、充电变压器；所述冲击电压发生器本体与波尾电阻相连；所述波前电阻的一端与冲击电压发生器本体相连，另一端与电容分压器相连；所述充电变压器与冲击电压发生器本体相连，所述冲击电压发生器本体包括绝缘外壳和冲击电压发生器，所述绝缘外壳内充有设定压力的绝缘气体，所述冲击电压发生器本体设于绝缘外壳内，其包括多个放电单元，各放电单元沿着绝缘外壳的长度方向顺次排列，相邻放电单元之间通过放电间隙连接。

进一步地，所述放电间隙为气体火花开关，且相邻放电单元之间通过绝缘隔板分隔。

进一步地，所述波前电阻包括绝缘基板，所述绝缘基板的正面和反面均设有电阻丝，位于绝缘基板正面和反面的电阻丝互为反向绕制，以使得二者电感方向相反。

进一步地，所述绝缘基板由软质绝缘材料制成，所述绝缘基板正面和反面的电阻丝均采用软质材料固定在绝缘基板上。

进一步地，所述绝缘基板正面和/或反面的电阻丝上均设有若干个抽头。

进一步地，所述冲击电压发生器本体、电容分压器、波尾电阻均为模块式结构，其中，冲击电压发生器本体的绝缘外壳分为上、下两部分，所述电容分压器包括1个或者多个分立的电容器，当电容分压器包括多个分立的电容器时，各电容器之间串联；所述波尾电阻包括1个或者多个分立的电阻器，当波尾电阻包括多个分立的电阻器时，各电阻器之间串联。

进一步地，所述的一种气体绝缘式冲击电压发生装置，还包括测控设备，所述测控设备分别与冲击电压发生器本体、电容分压器、波尾电阻、波前电阻、充电变压器相连。

进一步地，所述电容分压器、波尾电阻、波前电阻、充电变压器和测控设备的底部均设有可锁死的移动滚轮；所述冲击电压发生器本体的底部设有移动设备，以带动冲击电压发生器本体移动。

进一步地，所述充电变压器的充电电缆连接处设有自动接地装置，所述自动接地装置与接地体相连，其为一自动旋转式的金属杆，试验过程中处于平放状态，试验结束后，金属杆自动竖起并触碰充电变压器输出端，以实现高压放电。

进一步地，所述绝缘气体为SF6或者氮气。

本发明的有益效果：

(1)本发明的冲击电压发生器本体的绝缘外壳内充设绝缘气体的方式来实现绝缘，绝缘外壳内部的冲击电压发生器采用垂直紧凑型布置、并使用气体火花开关作为放电间隙，与传统技术中采用空气式绝缘的冲击压电发生器单元相比，冲击电压发生器本体的整体尺寸大幅降低，从而显著降低了本发明的气体绝缘式冲击电压发生装置自身电感量，输出电压波前时间计算公式为：其中，/>T_f为波前时间；L为回路电感；C_i为发生器主电容；C_t为负载电容，可知，降低电感量能够显著降低本发明的气体绝缘式冲击电压发生装置输出电压波前时间。

(2)本发明中的冲击电压发生器本体、波尾电阻、电容分压器均采用模块式结构，现场安装时仅需将各分离的器件进行对接，现场安装工作量大幅降低，且由于冲击电压发生器本体的内部结构无需现场组装，从而能够显著提升整体可靠性。

(3)本发明中的冲击电压发生器的底部装设有移动设备(优选移动履带车)，波尾电阻、电容分压器、充电变压器、测控平台的底部均装设有带有制动的移动滑轮，现场试验中，可在免拆卸情况下实现装置的移动、转场，无需重复拆装，试验效率大幅提升。

(4)本发明中的波前电阻绕制于软质绝缘材料上(优选为尼龙布)，采用正反两面交错绕制，以降低本发明的气体绝缘式冲击电压发生装置的自感量，缩短输出电压波前时间；且电阻丝中间有若干抽头，能够便于调节波前电阻阻值，有利于提高试验中波形调节效率。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构示意图；

图2为本发明一种实施例的波前电阻的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1

由于传统冲击电压发生装置固有电感量大，从而无法满足大容量特高压GIS设备冲击试验所需的波前时间要求，如图1所示，本发明实施例提供了一种气体绝缘式冲击电压发生装置，其冲击电压发生器本体的绝缘外壳内充设绝缘气体的方式来实现绝缘，绝缘外壳内部的冲击电压发生器采用垂直紧凑型布置、并使用气体火花开关作为放电间隙，其整体尺寸大幅降低，从而显著降低了装置自身电感量，并显著降低输出电压波前时间。

具体地：所述一种气体绝缘式冲击电压发生装置，包括冲击电压发生器本体1、电容分压器3、波尾电阻4、波前电阻5和充电变压器6；所述冲击电压发生器本体1与波尾电阻4相连；所述波前电阻5的一端与冲击电压发生器本体1相连，另一端与电容分压器3相连；所述充电变压器6与冲击电压发生器本体1相连，用于向冲击电压发生器本体1提供正极性或负极性的充电电流；所述冲击电压发生器本体1包括绝缘外壳1-2和冲击电压发生器1-1，所述绝缘外壳1-2优选为环氧树脂绝缘筒，其内部充有设定压力的绝缘气体，所述绝缘气体为SF6或者氮气，优选SF6；所述冲击电压发生器1-1设于绝缘外壳1-2内，优选为Marx冲击电压发生器，其包括多个放电单元1-3，各放电单元1-3沿着绝缘外壳1-2的长度方向顺次排列，且相邻放电单元之间采用绝缘隔板分隔，如图1中所示，各放电单元1-3为垂直紧凑型布置，即：各放电单元1-3采用堆积木形式一级一级堆叠起来，中间用螺栓固定，相邻放电单元1-3之间通过放电间隙1-4连接，放电间隙1-4优选为气体火花开关。

上述方案中，冲击电压发生器中的各放电单元1-3采用垂直紧凑型布置，绝缘外壳1-2内充有绝缘气体，并使用气体火花开关作为放电间隙1-4，相较于传统的采用空气绝缘式的冲击电压发生器，绝缘气体相比于空气其绝缘性能更好，因此相同电压下所需的绝缘距离大幅减小，因而可以降低冲击电压发生器本体1体积，且传统的采用空气绝缘式的冲击电压发生器的各级放电单元1-3采用分立元件堆叠放置，放电间隙1-4由两个半球体组成，因此，其尺寸较本发明中的冲击电压发生器本体1可大50％以上。

综上：本发明的冲击电压发生器本体1的尺寸相较于传统的采用空气绝缘式的冲击电压发生器大幅降低，由于冲击电压发生器的自身电感量与其尺寸成正比，因此使得自身电感量显著降低。

所述充电变压器6的充电电缆连接处设有自动接地装置6-1，所述自动接地装置6-1与接地体相连，其为一自动旋转式的金属杆，试验过程中处于平放状态，试验结束后，金属杆自动竖起并触碰充电变压器6输出端，以实现高压放电。

所述的一种气体绝缘式冲击电压发生装置，还包括测控设备，所述测控平台7优选整体布置于集装箱内，所述测控设备分别与冲击电压发生器本体1、电容分压器3、波尾电阻4、波前电阻5、充电变压器6相连。

实施例2

如图2所示，为了进一步降低本发明的气体绝缘式冲击电压发生装置输出电压波前时间，所述波前电阻5包括绝缘基板5-2，所述绝缘基板的正面和反面均设有电阻丝，且位于绝缘基板正面和反面的电阻丝互为反向绕制，图2中的虚线为绝缘基板反面的电阻丝5-3，图2中的实线为绝缘基板正面的电阻丝5-4，以使得二者电感方向相反，达到降低电感量的目的。

优选地，所述绝缘基板5-2由软质绝缘材料制成，所述绝缘基板5-2正面和反面的电阻丝均采用软质材料固定在绝缘基板5-2上；传统冲击电压装置的波前电阻都是硬质、长方体状的，因而其体积大、重，不便于携带，本发明中采用软质绝缘材料便于折叠、重量轻、体积小，便于携带。

在本发明实施例的一种实施方式中，所述绝缘基板为尼龙布，所述绝缘基板正面和反面的电阻丝均通过尼龙绳缝在尼龙布上；在本发明实施例的其他实施方式中，所述绝缘基板还可以采用其他的软质绝缘材料，所述绝缘基板正面和反面的电阻丝还可以采用其他的软质材料固定在绝缘基板上，本发明中不对具体材料进行限定。

进一步地，为了便于调节波前电阻5阻值，提高试验中波形调节效率，所述绝缘基板正面和/或反面的电阻丝上均设有若干个抽头5-1，抽头的数量根据实际需要来确定，如图1所示，在本发明实施例中，所述绝缘基板正面和反面的电阻丝上均设有三个抽头。

实施例3

如图1所示，基于实施例一和实施例二，所述冲击电压发生器本体1、电容分压器3、波尾电阻4均为模块式结构，其中，冲击电压发生器本体1的绝缘外壳1-2分为上下两部分，所述电容分压器3包括一个或者多个分立的电容器，各电容器之间串联，具体数量与本发明的气体绝缘式冲击电压发生装置的标称电压有关，标称电压低，用1个就可以了，标称电压高就需要用2～4个堆叠串联而成；所述波尾电阻4包括一个或者多个分立的电阻器，各电阻器之间串联，具体数量与本发明的气体绝缘式冲击电压发生装置的标称电压有关，标称电压低，用1个就可以了，标称电压高就需要用2～4个堆叠串联而成。

由于上述方案中的冲击电压发生器本体1、波尾电阻4、电容分压器3均采用模块式结构，现场安装时仅需将各分离的器件进行对接，现场安装工作量大幅降低，且由于冲击电压发生器本体1的内部结构无需现场组装，从而能够显著提升整体可靠性。

实施例4

如图1所示，基于实施例1-3，所述电容分压器3、波尾电阻4、波前电阻5、充电变压器6和测控设备外部的集装箱的底部均设有可锁死的移动滚轮；所述冲击电压发生器本体1的底部设有移动设备2，以带动冲击电压发生器本体1移动，所述移动设备2优选移动履带车，可以另外配置遥控器，通过人工操作实现自走式移动。

基于上述技术方案，现场试验中，可在免拆卸情况下实现装置的移动、转场，无需重复拆装，从而大幅提升试验效率。

实施例5

如图1所示，为便于开展1100千伏GIS现场标准雷电冲击试验，根据相关标准，要求在被试品电容量为5nF时，冲击电压发生装置的输出电压不低于1920kV，输出电压波前时间控制在3μs内，本实施例中的冲击电压发生器采用的是Marx冲击电压发生器。

为此，本实施例中的冲击电压发生器本体1中的相关参数为：额定输出电压为3000kV，Marx冲击电压发生器为双边充电的冲击电压发生器回路，其包括15级放电单元1-3(每级放电单元1-3均由4个低感脉冲电容和1个气体火花开关组成)，每级放电单元1-3额定电压为200kV、主电容量为1μF，将15级放电单元1-3采取垂直紧凑型布置，相邻放电单元1-3之间通过气体火花开关相连，从而实现将本发明实施例的气体绝缘式冲击电压发生装置回路电感量控制在20μH以内。

基于上述参数，可计算出在被试品电容量为5nF时，气体绝缘式冲击电压发生装置的装置输出电压效率为：

冲击电压发生装置输出电压波前时间为：

式(2)和(3)中，L为回路电感；C_i为发生器主电容；C_t为负载电容。

冲击电压发生器本体1中，Marx冲击电压发生器中15级放电单元1-3，分为上段7级、下段8级，每级放电单元1-3额定电压200kV、主电容量1μF，可满足1100千伏GIS现场标准雷电冲击试验要求。由于15级全部垂直堆叠的话，装置的体积较大，不便于运输，因此本发明实施例中，将装置分成上下两段，上段内放入7级放电单元1-3、下段内放入8级放电单元1-3，这样每段高度均较小(均在4m以下)，便于运输。

为此，经绝缘校核及验证性试验，确定冲击电压发生器本体1的绝缘外壳1-2内部预充SF6气体压力为0.25MPa，高度为7.8m，分为2段，本体重量可控制在4t。所述的0.25MPa是根据电场仿真和验证试验确定的，气压越高，绝缘性能越好；但是气压越高，对绝缘外壳1-2的抗压能力也越高，因此需要通过仿真计算及验证试验，确定所需的气体压力。

另外，本实施例中的设于冲击电压发生器本体1底部的移动履带车的具体参数为：采用电动控制、液压驱动，载重量为8t，移动速度为2m/min，可原地转向、可倒车、可遥控操作。

电容分压器3的具体参数为：采用4节分立的电容器串联，每节电容量1600pF，因此总电容量400pF，低压臂电容量1μF，分压比约为1:2500，其底座设有4个可锁死移动滑轮。

波尾电阻4的具体参数为：采用2节分立式电阻器串联，电阻器中的电阻丝采用油包线镍铬Cr20Ni80绕制，每节电阻值500Ω、总电阻值1000Ω，其底座设有4个可锁死移动滑轮。

波前电阻5的具体参数为：采用尼龙布作为绕制基板，电阻丝采用油包线镍铬Cr20Ni80绕制，电阻丝弯折后通过尼龙绳缝在尼龙布上，基板正反两面的电阻丝交错绕制，且基板正反两面的电阻丝相连，电阻值共200Ω，基板正反两面的电阻丝的中间均设置有3个抽头，每段50Ω。

充电变压器6的具体参数为：采取双边充电方式，充电电压精度0.1kV，最高充电电压100kV，充电电缆连接处设有自动接地装置6-1，其底部设有4个可锁死移动滑轮。

测控平台7的具体参数为：包括气体火花开关气压控制、充电电压控制及测量、输出电压测量等功能，整体布置于集装箱内，其底部设有4个可锁死移动滑轮。

综上所述：

(1)本发明的冲击电压发生器本体的绝缘外壳内充设绝缘气体的方式来实现绝缘，绝缘外壳内部的冲击电压发生器采用垂直紧凑型布置、并使用气体火花开关作为放电间隙，与传统技术中采用空气式绝缘的冲击电压发生器本体相比，其整体尺寸大幅降低，从而显著降低了装置自身电感量。

(2)本发明中的冲击电压发生器本体、波尾电阻、电容分压器均采用模块式结构，现场安装时仅需将各分离的器件进行对接，现场安装工作量大幅降低，且由于冲击电压发生器本体的内部结构无需现场组装，从而能够显著提升整体可靠性。

(3)本发明中的冲击电压发生器的底部装设有移动设备(优选移动履带车)，波尾电阻、电容分压器、充电变压器、测控平台的底部均装设有带有制动的移动滑轮，现场试验中，可在免拆卸情况下实现装置的移动、转场，无需重复拆装，试验效率大幅提升。

(4)本发明中的波前电阻绕制于软质绝缘材料上(优选为尼龙布)，采用正反两面交错绕制，以降低装置的自感量，缩短输出电压波前时间；且电阻丝中间有若干抽头，能够便于调节波前电阻阻值，有利于提高试验中波形调节效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种气体绝缘式冲击电压发生装置，包括冲击电压发生器本体、电容分压器、波尾电阻、波前电阻、充电变压器；所述冲击电压发生器本体与波尾电阻相连；所述波前电阻的一端与冲击电压发生器本体相连，另一端与电容分压器相连；所述充电变压器与冲击电压发生器本体相连，其特征在于：所述冲击电压发生器本体包括绝缘外壳和冲击电压发生器，所述绝缘外壳内充有设定压力的绝缘气体，所述冲击电压发生器本体设于绝缘外壳内，其包括多个放电单元，各放电单元沿着绝缘外壳的长度方向顺次排列，相邻放电单元之间通过放电间隙连接；

所述波前电阻包括绝缘基板，所述绝缘基板的正面和反面均设有电阻丝，位于绝缘基板正面和反面的电阻丝互为反向绕制，以使得二者电感方向相反；

所述绝缘基板由软质绝缘材料制成，所述绝缘基板正面和反面的电阻丝均采用软质材料固定在绝缘基板上；

所述绝缘基板正面和/或反面的电阻丝上均设有若干个抽头；

所述充电变压器的充电电缆连接处设有自动接地装置，所述自动接地装置与接地体相连，其为一自动旋转式的金属杆，试验过程中处于平放状态，试验结束后，金属杆自动竖起并触碰充电变压器输出端，以实现高压放电。

2.根据权利要求1所述的一种气体绝缘式冲击电压发生装置，其特征在于：所述放电间隙为气体火花开关，且相邻放电单元之间通过绝缘隔板分隔。

3.根据权利要求1所述的一种气体绝缘式冲击电压发生装置，其特征在于：所述冲击电压发生器本体、电容分压器、波尾电阻均为模块式结构，其中，冲击电压发生器本体的绝缘外壳分为上、下两部分，所述电容分压器包括1个或者多个分立的电容器，当电容分压器包括多个分立的电容器时，各电容器之间串联；所述波尾电阻包括1个或者多个分立的电阻器，当波尾电阻包括多个分立的电阻器时，各电阻器之间串联。

4.根据权利要求1所述的一种气体绝缘式冲击电压发生装置，其特征在于：还包括测控设备，所述测控设备分别与冲击电压发生器本体、电容分压器、波尾电阻、波前电阻、充电变压器相连。

5.根据权利要求4所述的一种气体绝缘式冲击电压发生装置，其特征在于：所述电容分压器、波尾电阻、波前电阻、充电变压器和测控设备的底部均设有可锁死的移动滚轮；所述冲击电压发生器本体的底部设有移动设备，以带动冲击电压发生器本体移动。

6.根据权利要求1所述的一种气体绝缘式冲击电压发生装置，其特征在于：所述绝缘气体为SF6或者氮气。