CN107271739A - 一种10kV工频续流试验装置的一次侧保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种10kV工频续流试验装置的一次侧保护电路，包括冲击电压侧保护器件和工频电压侧保护器件；所述冲击电压侧保护器件，与所述工频续流试验装置的冲击电压发生器一侧的电路串联，用于在雷电波衰减后保护所述冲击电压发生器不受工频电压损坏；所述工频电压侧保护器件，与所述工频续流试验装置的工频电压源一侧的电路并联，用于在冲击电压作用时保护所述工频电压源不受冲击过电压与冲击过电流损坏。本发明可以有效保护冲击电压发生器以及工频试验变压器，提高试验装置的可靠性与稳定性。

Description

一种10kV工频续流试验装置的一次侧保护电路
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，更具体地，涉及一种10kV工频续流试验装置的一次侧保护电路。
背景技术
雷击现象广泛存在于在电力系统中，电力系统中的避雷器可以有效的遏制雷击过电压的影响。随着电力系统的不断发展，电力用户对电力设备的可靠性和稳定性提出了更高的要求，因此，有必要对电力系统中的避雷器进行试验，以评估其在雷电过电压作用下的稳定性和可靠性。
目前，工频变压器和冲击电压发生器只能单独产生工频和冲击电压，而工频续流试验装置可以解决工频和冲击电压的同步问题，实现联合加压，进而更好的评估避雷器在雷电冲击波和工频电压联合作用下的恢复特性。
现有的工频续流装置，在联合加压时，其冲击过电压和工频电压源相互作用，试验装置损坏的现象十分频繁。因此，需要一种更优的工频续流装置来抑制试验回路中的过电压和过电流，提高试验装置一次电路的可靠性和稳定性。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的10kV工频续流试验装置的一次侧保护电路。
根据本发明的一个方面，提供一种10kV工频续流试验装置的一次侧保护电路，包括：冲击电压侧保护器件和工频电压侧保护器件；
所述冲击电压侧保护器件，与所述工频续流试验装置的冲击电压发生器一侧的电路串联，用于在雷电波衰减后保护所述冲击电压发生器不受工频电压损坏；
所述工频电压侧保护器件，与所述工频续流试验装置的工频电压源一侧的电路并联，用于在冲击电压作用时保护所述工频电压源不受冲击过电压与冲击过电流损坏。
进一步，所述冲击电压侧保护器件包括第一保护间隙和第一保护避雷器；
所述第一保护间隙的击穿电压大于所述工频电压源的输出电压、小于所述冲击电压发生器的输出电压幅值，用于实现冲击与工频交流电压联合加压；
所述第一保护避雷器的额定电压等于工频交流电压，用于防止所述第一保护间隙重燃弧；
所述第一保护避雷器和所述第一保护间隙相互连接且串联于所述冲击电压发生器的输出端与所述被试品之间的电路上。
进一步，所述工频电压侧保护器件包括调波电容、第二保护间隙和第二保护避雷器；
所述调波电容、第二保护间隙和第二保护避雷器分别并联于所述工频电压源的输出端，用于抑制变压器出口的过电压。
进一步，所述工频电压侧保护器件还包括隔离电感和保护电阻；
所述隔离电感，用于保护所述工频电压源免受所述冲击电压发生器输出的冲击电压的损坏；
所述保护电阻，用于限制所述工频电压源输出的续流电流；
所述隔离电感和所述保护电阻相互连接且串联于被试品与所述工频电压源之间的电路上；且所述隔离电感的一端连接所述被试品，另一端还连接所述第二保护间隙；所述保护电阻的一端还连接所述调波电容，另一端还连接所述第二保护避雷器。
具体的，所述工频电压源的输出电压为50kV，所述冲击电压发生器的输出电压为400kV，所述被试品的额定电压为10kV。
进一步，所述调波电容的电容取值大于谐振电容的电容值的10倍，所述谐振电容的电容值为：
其中，C0为所述谐振电容的电容值，L为试验装置的隔离电感，f1为冲击电压的频率，所述冲击电压发生器产生的冲击电压为雷电波，所述雷电波的频谱为数十千赫兹到一兆赫兹之间。
具体的，所述隔离电感的电感值L＝52mH，所述调波电容的电容值C0＝21nF。
进一步，所述保护电阻的电阻取值为：
其中，R为所述保护电阻的电阻值，US为所述工频电压源的输出电压，f2为50Hz工频，im为所述工频电压源允许的最大工频电流。
进一步，所述工频电压源的输出端由近至远依次并联所述第二保护避雷器、所述调波电容和所述第二保护间隙；
所述第二保护避雷器和所述调波电容的回路上、所述工频电压源的输出端串联有所述保护电阻；
所述第二保护间隙和被试品的回路上、所述工频电压源的输出端串联有所述隔离电感。
进一步，所述第一保护避雷器、所述第一保护间隙、所述隔离电感和所述保护电阻依次连接、串联于所述冲击电压发生器和所述工频电压源组成的回路的同一侧。
本发明提出一种10kV工频续流试验装置的一次侧保护电路，通过在冲击电压侧和工频电压侧分别加装保护器件，并给出了相应的参数选取方法，可以有效保护冲击电压发生器以及工频试验变压器，提高试验装置的可靠性与稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例工频续流试验装置一次侧保护电路示意图，其中，虚线框1表示冲击电压发生器，虚线框2表示工频电压源，3表示被试品；
图2为本发明实施例冲击电压击穿阶段的参数设计原理示意图；
图3为本发明实施例工频续流阶段的参数设计原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
雷击现象广泛存在于在电力系统中，电力系统中的避雷器可以有效的遏制雷击过电压的影响。随着电力系统的不断发展，电力用户对电力设备的可靠性和稳定性提出了更高的要求，因此，有必要对电力系统中的避雷器进行试验，以评估其在雷电过电压作用下的稳定性和可靠性。
如图1所示，本发明实施例提供一种10kV工频续流试验装置的一次侧保护电路，包括：冲击电压侧保护器件和工频电压侧保护器件；
所述冲击电压侧保护器件，与所述工频续流试验装置的冲击电压发生器1一侧的电路串联，用于在雷电波衰减后保护所述冲击电压发生器不受工频电压损坏；
所述工频电压侧保护器件，与所述工频续流试验装置的工频电压源2一侧的电路并联，用于在冲击电压作用时保护所述工频电压源不受冲击过电压与冲击过电流损坏.
本发明实施例中，常规的工频续流试验装置还包括冲击电压发生器1、工频电压源2和被试品3；所述冲击电压发生器1，用于产生冲击电压、释放冲击电流；所述工频电压源2，用于产生频率为50Hz的正弦交流电压；所述被试品3，为一电力器件，用于通过所述冲击电压源和所述工频电压源测试所述电力器件在雷电波作用后熄灭工频电弧的能力。
本发明实施例所述冲击电压是指作用时间极短的电压，如雷电冲击电压或操作冲击电压，瞬间能产生极大的电流能量。
本发明实施例中所述工频指工业上用的交流电源的频率，单位赫兹(Hz)，换言之，频率等于50Hz的正弦交流电压叫做工频电压。
本发明实施例所述工频续流是指电气设备在过电压的作用下发生放电现象、当过电压消失后所流过的电流。
每当电力设备的避雷器的保护间隙被雷电流过电压击穿后，在工作电压的作用下将有一工频电流继续流过已经电化了的击穿通道，即工频续流。为评估避雷器设备在雷电波作用后的工频续流特性，本发明实施例提出了一种工频续流试验装置的一次侧电路，通过在冲击电压侧和工频电压侧分别加装保护器件，用于抑制试验回路中的过电压和过电流，可以有效保护冲击电压发生器以及工频试验变压器，提高试验装置的可靠性与稳定性。
请参考图1，在一个实施例中，所述冲击电压侧保护器件包括第一保护间隙S1和第一保护避雷器RT1；
所述第一保护间隙S1的击穿电压大于所述工频电压源2的输出电压、小于所述冲击电压发生器1的输出电压幅值，用于实现冲击与工频交流电压联合加压；
所述第一保护避雷器RT1的额定电压等于工频交流电压，用于防止所述第一保护间隙重燃弧；
所述第一保护避雷器RT1和所述第一保护间隙S1相互连接且串联于所述冲击电压发生器1的输出端与所述被试品3之间的电路上。
请参考图1，在一个实施例中，所述工频电压侧保护器件包括调波电容C、第二保护间隙S2和第二保护避雷器RT2；
所述调波电容C、第二保护间隙S2和第二保护避雷器RT2分别并联于所述工频电压源的输出端，用于抑制变压器出口的过电压。
本发明实施例第一保护间隙和所述第二保护间隙是指不同的保护间隙，所述保护间隙是指带电部分与地之间用以限制可能发生最大过电压的间隙。常用的有放电保护球隙，也称保护球隙或隔离球隙，所述放电保护球隙是一对直径相同的球型电极，当其与高压试验变压器，控制台，调压器，水电阻等组成成套测试设备后，可在工频高压试验时用于高压测量及保护被试物品之用。所述放电保护球隙由活动底座、绝缘支管、铜球、调节轴、坚固螺钉、微调轴、微调轮和水电阻等主要部件组成。
本发明实施例所述第一保护避雷器和所述第二保护避雷器是指不同的避雷器，所述避雷器是用于保护电气设备免受高瞬态过电压危害、并限制续流时间、也常限制续流幅值的一种电器。避雷器有时也称为过电压保护器或过电压限制器。
在一个实施例中，所述工频电压侧保护器件还包括隔离电感L和保护电阻R；
所述隔离电感L，用于保护所述工频电压源2免受所述冲击电压发生器输出的冲击电压的损坏；
所述保护电阻R，用于限制所述工频电压源2输出的续流电流；
所述隔离电感L和所述保护电阻R相互连接且串联于所述被试品3与所述工频电压源2之间的电路上；且所述隔离电感L的一端连接所述被试品3，另一端还连接所述第二保护间隙S2；所述保护电阻R的一端还连接所述调波电容C，另一端还连接所述第二保护避雷器RT2。
本发明实施例为保护冲击电压发生器，在冲击电压发生器输出端添加保护避雷器以及保护间隙；采用电感隔离冲击电压源与工频电压源；为保护工频试验变压器，在工频试验变压器输出端添加串联电阻，并联保护避雷器，调波电容以及保护间隙，用于抑制试验变压器输出端过电压以及试验变压器的输出电流。
请参考图1，在一个实施例中，所述工频电压源的输出端由近至远依次并联所述第二保护避雷器、所述调波电容和所述第二保护间隙；
所述第二保护避雷器和所述调波电容的回路上、所述工频电压源的输出端串联有所述保护电阻；
所述第二保护间隙和被试品的回路上、所述工频电压源的输出端串联有所述隔离电感。
请参考图1，在一个实施例中，所述第一保护避雷器、所述第一保护间隙、所述隔离电感和所述保护电阻依次连接、串联于所述冲击电压发生器和所述工频电压源组成的回路的同一侧。
本发明实施例通过上述保护方案，其保护工作原理如下：
当所述冲击电压发生器触发导通时，冲击电源与工频电源之间的保护间隙被击穿，冲击电压叠加在工频交流电压上，此时，所述工频电压侧保护器件用于保护所述工频电压源免受冲击电压与冲击电流的影响。
在冲击电压作用时，采用隔离电感隔离冲击电压源与工频电压源，调波电容用于吸收冲击电流，使冲击电压波头平缓。与所述工频电压源并联的第二保护避雷器以及第二保护间隙用于抑制所述工频电压源输出端的过电压幅值。所述工频电压源输出端的保护电阻用于抑制所述工频电压源流入与流出电流。
当冲击过电压衰减时，隔离球隙电弧熄灭，进而防止工频电压施加在所述冲击电压发生器上。在所述冲击电压发生器与所述第一保护间隙之间串联的所述第一保护避雷器，用以限制冲击电压衰减之后的电流，防止重燃弧现象的发生。
具体的，所述工频电压源的额定输出电压为50kV，所述冲击电压发生器的额定输出电压为400kV，所述被试品的额定电压为10kV。
本发明实施例工频续流试验装置的工作原理在于，工频电压源2始终输出工频电压并作用在被试品上，冲击电压发生器触发产生冲击过电压，使得保护间隙与试品间隙击穿，工频续流试验的目的即在于评估被测试品在雷电波作用后熄灭工频电弧的能力。
对于10kV工频续流试验设备而言，被测试品的额定电压等级为10kV，考虑到电压等级与设备绝缘的冗余度，选择冲击电压发生器输出电压为400kV，试验变压器电压等级为50kV。为对试验设备的保护参数进行设计，需要对设备各个状态下的运行状态进行分析。
本发明实施例中，当冲击电压作用时，隔离球隙S1击穿。考虑到极端情况，被试品保的保护间隙未击穿时，此时工频续流试验装置等效原理如图2所示。被试品的保护间隙未击穿时，此时被试品的可变电阻对工频电压源的输出端口电压没有钳位作用，此时工频电压源输出端的过电压幅值最大。为限制试验变压器端口过电压，根据IEC标准，隔离电感取值为L＝52mH。
调波电容的作用在于吸收冲击电压发生器产生的冲击过电流，隔离电感与滤波电容之间参数选取不当会导致电感与电容之间发生谐振现象。谐振时电容取值为：
式(1)中，为所述谐振电容的电容值，L为试验装置的隔离电感，f1为冲击电压的频率，冲击电压发生器产生的冲击电压为雷电波，其频谱为数十千赫兹到一兆赫兹之间。
本实施例所述调波电容C取值应当远离谐振点，即所述调波电容C的取值大于谐振电容的取值C0，优选的，所述调波电容C的取值为谐振电容的取值C0的10倍；优选的，所述调波电容C的取值大于谐振电容的取值C0的10倍。本发明实施例取调波电容的电容值为21nF。
本发明实施例所述工频电压源输出端并联的第二保护避雷器RT2选与第二保护间隙S2用于抑制所述工频电压源输出端的过电压幅值，对于10kV工频续流试验装置而言，取保护间隙的击穿电压值为试验变压器的额定电压值，即为50kV。第二保护避雷器RT2选取为无间隙氧化锌避雷器，其额定电压为17kV。
如图3所示的工频续流回路等效电路，冲击电压衰减后，隔离电感的工频阻抗很小，主要通过保护电阻R对工频电流的幅值进行限制。当被试品发生短路时，工频续流试验装置的动作电流最大。工频续流装置在续流阶段，考虑到被试品的保护间隙和可变电阻均可能被击穿，工频电流最大的情况，被试品的保护间隙与可变电阻等效为短路，其中US代表工频变压器输出电压，f2为50Hz工频，工频电压源允许的最大工频电流为im，则保护电阻阻值R的计算方法如式(2)所示。
冲击侧保护器件主要有保护间隙S1以及串联保护避雷器RT1，保护间隙的击穿电压取值应当保证工频电压作用下，保护间隙可以有效隔离工频电压与冲击电压发生器，与此同时，保证冲击电压作用时可以可靠击穿。因此，取保护间隙S1的击穿电压为50kV。串联保护避雷器RT1为无间隙氧化锌避雷器，其额定电压取值为17kV无间隙氧化锌避雷器，可保证在工频电压作用下电流很小，进而防止保护间隙S1发生重燃弧现象。
本发明实施例提出了一种工频续流试验装置的一次侧保护电路，并给出了相应的参数选取方法，可以有效保护冲击电压发生器以及工频试验变压器，提高试验装置的可靠性与稳定性。本发明对于带间隙避雷器在雷电波作用下熄灭工频电弧能力的试验评估有着十分重要的意义。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种10kV工频续流试验装置的一次侧保护电路，其特征在于，包括：冲击电压侧保护器件和工频电压侧保护器件；
所述冲击电压侧保护器件，与所述工频续流试验装置的冲击电压发生器一侧的电路串联，用于在雷电波衰减后保护所述冲击电压发生器不受工频电压损坏；
所述工频电压侧保护器件，与所述工频续流试验装置的工频电压源一侧的电路并联，用于在冲击电压作用时保护所述工频电压源不受冲击过电压与冲击过电流损坏。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述冲击电压侧保护器件包括第一保护间隙和第一保护避雷器；
所述第一保护间隙的击穿电压大于所述工频电压源的输出电压、小于所述冲击电压发生器的输出电压幅值，用于实现冲击与工频交流电压联合加压；
所述第一保护避雷器的额定电压等于工频交流电压，用于防止所述第一保护间隙重燃弧；
所述第一保护避雷器和所述第一保护间隙相互连接且串联于所述冲击电压发生器的输出端与被试品之间的电路上。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述工频电压侧保护器件包括调波电容、第二保护间隙和第二保护避雷器；
所述调波电容、第二保护间隙和第二保护避雷器分别并联于所述工频电压源的输出端，用于抑制变压器出口的过电压。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述工频电压侧保护器件还包括隔离电感和保护电阻；
所述隔离电感，用于保护所述工频电压源免受所述冲击电压发生器输出的冲击电压的损坏；
所述保护电阻，用于限制所述工频电压源输出的续流电流；
所述隔离电感和所述保护电阻相互连接且串联于被试品与所述工频电压源之间的电路上；且所述隔离电感的一端连接所述被试品，另一端还连接所述第二保护间隙；所述保护电阻的一端还连接所述调波电容，另一端还连接所述第二保护避雷器。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述工频电压源的额定输出电压为50kV，所述冲击电压发生器的额定输出电压为400kV，所述被试品的额定电压为10kV。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述调波电容的电容取值大于谐振电容的电容值的10倍，所述谐振电容的电容值为：
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>L</mi> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中，C0为所述谐振电容的电容值，L为试验装置的隔离电感，f1为冲击电压的频率，所述冲击电压发生器产生的冲击电压为雷电波，所述雷电波的频谱为数十千赫兹到一兆赫兹之间。
7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述隔离电感的电感值L＝52mH，所述调波电容的电容值C0＝21nF。
8.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述保护电阻的电阻取值为：
其中，R为所述保护电阻的电阻值，US为所述工频电压源的输出电压，f2为50Hz工频，im为所述工频电压源允许的最大工频电流。
9.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述工频电压源的输出端由近至远依次并联所述第二保护避雷器、所述调波电容和所述第二保护间隙；
所述第二保护避雷器和所述调波电容的回路上、所述工频电压源的输出端串联有所述保护电阻；
所述第二保护间隙和被试品的回路上、所述工频电压源的输出端串联有所述隔离电感。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于，所述第一保护避雷器、所述第一保护间隙、所述隔离电感和所述保护电阻依次连接、串联于所述冲击电压发生器和所述工频电压源组成的回路的同一侧。
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