CN108037399B - 35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置及方法，该测试装置包括充电单元CHA、工频电源P、冲击电流单元ICG、控制单元C、保护电抗器L2、电流检测单元以及电压检测单元。该装置通过ICG输出标准4/10冲击电流，通过LC拓扑电路产生35kV额定网压，两者通过控制单元相位控制分时施加在35kV避雷器的两端，验证35kV避雷器的工频续流遮断能力。该装置通过绝缘配合设计实现高压冲击电流源与工频电源的电气连接，具有占地面积小，试验成本低，一键启动功能确保试验成功率等优点。
Description
技术领域
本发明涉及避雷器工频续流遮断能力测试，具体是一种35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置及方法。
背景技术
针对电力线路避雷器的工频续流遮断能力试验发达国家已展开长期的研究，目前已研制出测试线路避雷器工频续流遮断能力的大型试验装置，该装置集成雷电冲击和工频电源，真实模拟挂网运行线路避雷器遭受雷击的实际工况，但其同步控制方法是通过单片机或PLC控制系统来控制断路器合闸分闸来实现的，耗资和设备占用空间巨大；同时需要分别测试断路器的固有合闸时间与分闸时间以及点火装置的点火时间等等，需要按照一定的时序进行精确控制执行才能确保试验成功，试验失效率比较高；同时，由于合成回路试验中需要对工频高压大电流电源与数百千伏的雷电冲击电压进行同步控制，电磁兼容设计时如何避免受到工频大电流磁场和幅值高、上升速率很快的电磁脉冲干扰是一个关键技术，往往由于此类电磁干扰导致同步控制电路误触发而导致试验失败，甚至造成严重的设备故障和人身伤害。
现有技术涉及利用LC振荡回路形成的工频电源设计中，均未考虑LC参数配置对于工频电源是否能够提供足够能量，回路阻抗对于工频电源衰减程度的控制等，而这两点对于验证避雷器工频续流遮断能力试验结论判据具有重要意义。
发明内容
本发明的目的为克服现有技术存在的缺陷，提供一种35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置及方法，该试验装置由工频电源P、冲击电流单元ICG、控制单元C、保护电抗器L2，该装置通过ICG输出标准4/10冲击电流，通过LC拓扑电路产生35kV额定网压，两者通过控制单元相位控制分时施加在35kV避雷器的两端，验证35kV避雷器的工频续流遮断能力；该装置通过绝缘配合设计实现高压冲击电流源与工频电源的电气连接，具有占地面积小，试验成本低，一键启动功能确保试验成功率等优点。
一种35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置，包括工频电源P、冲击电流单元ICG、控制单元C、绝缘配合电抗器L2、架空导线CA、电流检测单元以及电压检测单元；所述工频电源P与绝缘配合电抗器L2串联后并联在架空导线CA与回路地之间，架空导线CA与35kV避雷器串接；所述冲击电流单元ICG并联在架空导线CA与回路地之间；所述电流检测单元穿过35kV避雷器低压端支路，用以测量流过35kV避雷器本体的电流；所述电压检测单元并联在架空导线CA与回路地之间，用以测量该支路电压；所述控制单元C输出两路隔离的高压脉冲CH1和CH2，分别触发冲击电流单元ICG和工频电源P；所述冲击电流单元ICG用于触发后输出4/10us雷电流波形，以冲击电流作用在35kV避雷器的两端。
进一步的，所述绝缘配合电抗器L2的工频电感量为3mH±0.1,直流阻抗＜2mΩ。
进一步的，还包括并联在工频电源P的高压储能电容组件PFC两端的充电单元CHA，所述充电单元CHA用于给工频电源P预充电。
进一步的，所述电流检测单元为ROG罗氏线圈，所述电压检测单元为阻容分压器。进一步的，所述控制单元C包括相位控制模块和点火装置，所述相位控制模块具有0～20ms延时调节功能，通过光纤分时传递不同时延的触发信号给点火装置，所述点火装置根据接收到的不同时延的触发信号快速转换为高压电脉冲CH1和CH2隔离输出，实现对冲击电流单元ICG和工频电源P的点火时间控制。
进一步的，所述工频电源P包括高压电容器组件PFC、点火球隙g2、工频电感L3，高压电容器组件PFC与点火球隙g2串联形成串联支路，工频电感L3与所述串联支路并联连接，所述点火球隙g2的点火时间由所述控制单元C控制。
进一步的，所述高压电容器组件PFC为额定电压大于等于80kV，电容量为1000uF±0.1的聚丙烯电容器组。
进一步的，所述工频电感L3为空心电感，工频电感量10mH±0.1，直流阻抗＜5mΩ。
进一步的，所述充电单元CHA包括变压器T1、限流电阻R1、高压硅堆D1、分别与变压器T1初级线圈和次级线圈连接的电源输入开关S1和电源输入开关S2，电源输入开关S2与限流电阻R1、高压硅堆D1依次串接，高压硅堆D1的负极作为输出端与与所述工频电源P连接。
进一步的，所述冲击电流单元ICG包括依次串联的200kV高压电容器组件、点火球隙g1、波形调节电感L1和峰值调节电阻R2，由200kV高压电容器组件通过点火球隙g1、波形调节电感L1和峰值调节电阻R2输出4/10us标准雷电流波形，所述点火球隙g1的点火时间由所述控制单元C控制。
一种35kV避雷器工频续流遮断能力测试方法，使用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：
通过控制单元C中的相位控制模块设定延时时间，一键启动工频续流遮断能力试验，相位控制模块首先输出一路光脉冲信号至点火装置，通过CH2通道输出高压脉冲至工频电源P中的点火球隙g2，触发导通工频电源P，工频电源P中高压电容器组件PFC通过导通点火球隙g2与工频电感L3发生振荡，工频电源P启动，通过绝缘配合电感L2输出正弦电压施加在架空导线CA和回路地之间，经过设定延时时间后，光纤输出另一光脉冲信号点火装置，触发CH1通道输出一高压电脉冲至冲击电流单元ICG的点火球隙g1，触发冲击电流单元ICG输出设定的冲击电流至架空导线CA上，同时击穿串联在导线下方的35kV防雷装置试品，引起试品击穿闪络；
通过电流检测单元记录流过试品35kV防雷装置的电流波形，通过电压检测单元记录时间在试品35kV防雷装置两端的电压波形，获得在工频网压某一相位角遭受雷击时的工频续流波形。
进一步的，在相位控制模块输出光脉冲信号至点火装置前还包括步骤：
依次闭合充电单元CHA中的电源输入开关S2、S1，启动充电单元CHA，通过限流电阻R1和高压硅堆D1给工频电源P中高压电容器组件PFC充电，直至可确保工频电源P启动后其正弦电压波峰值大于35kV避雷器的额定电压峰值；
充电完成后断开电源输入开关S2，隔离充电回路。
进一步的，控制单元C中相位控制模块在启动工频续流遮断能力试验前设定0～20ms的延时时间。
本发明35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置具有以下有益效果：
1、通过冲击电流单元ICG输出4/10us雷电流波形，以冲击电流作用在35kV避雷器的两端，更符合35kV架空线路避雷器的实际运行工况。与传统的冲击电压引起避雷器击穿动作效果相比，本发明引入了雷击能量大小(4/10us雷电流波形)的概念，对于验证35kV避雷器防雷功能具有重要实践意义。
2、控制单元C的相位控制模块功能，通过0～20ms的连续可调功能，实现工频电源P和冲击电流单元ICG触发时间控制，从而可以模拟在工频网压的0～360°范围内任意相位遭受雷击的工况条件。
3、通过设定工频电源P中高压电容器组件PFC的电容量和电压等级可以确保在计入回路阻尼损耗以及工频续流过程能量损耗后，系统仍能提供足够的工频网压容量，满足工频续流遮断后施加在35kV避雷器两端的工频电压不低于其额定电压的技术要求。
4、通过串联在冲击电流单元ICG与工频电源P之间的空心电感L2的参数设计，可以有效抑制冲击电流单元ICG输出冲击电流通过，从而避免了冲击电流单元输出高压对工频电源P的绝缘破坏；同时，不影响工频电源P的工频电流输出，该绝缘配合设计快捷、简单、有效。
5、相对于传统35kV高压试验场地工频续流遮断能力试验平台，该装置具有占地面积小，成本低廉，操作简单，试验成功率高等优点。
附图说明
图1为本发明35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中获得的35kV防雷装置工频续流遮断能力测试波形。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置，包括充电单元CHA、工频电源P、冲击电流单元ICG、控制单元C、绝缘配合电抗器L2、架空导线CA、用于电流检测的ROG罗氏线圈以及用于电压检测的阻容分压器DIV。
所述充电单元CHA并联在工频电源P的高压储能电容组件PFC两端，用于给工频电源P预充电。所述工频电源P与绝缘配合电抗器L2串联后并联在架空导线CA与回路地之间，架空导线CA与35kV避雷器串接。所述绝缘配合电抗器L2为空心电感，工频电感量为3mH±0.1,直流阻抗＜2mΩ。所述冲击电流单元ICG并联在架空导线CA与回路地之间。所述ROG罗氏线圈穿过35kV避雷器低压端支路，用以测量流过35kV避雷器本体的电流。所述阻容分压器DIV并联在架空导线CA与回路地之间，用以测量该支路电压。所述控制单元C输出两路隔离的高压脉冲CH1和CH2，分别触发冲击电流单元ICG和工频电源P。
现有技术涉及利用LC振荡回路形成的工频电源设计中，均未考虑LC参数配置对于工频电源是否能够提供足够能量，回路阻抗对于工频电源衰减程度的控制等，而这两点对于验证避雷器工频续流遮断能力试验结论判据具有重要意义。
本申请中采用的所述绝缘配合电抗器L2为空心电感，工频电感量为3mH±0.1,直流阻抗＜2mΩ，可以有效抑制冲击电流单元ICG输出冲击电流通过，从而避免了冲击电流单元输出高压对工频电源P的绝缘破坏；同时，不影响工频电源P的工频电流输出，该绝缘配合设计快捷、简单、有效。所述充电单元CHA包括变压器T1、限流电阻R1、高压硅堆D1、分别与变压器T1初级线圈和次级线圈连接的电源输入开关S1和电源输入开关S2，高压硅堆D1、限流电阻R1和电源输入开关S2串接。
所述冲击电流单元ICG包括依次串联的200kV高压电容器组件、点火球隙g1、波形调节电感L1和峰值调节电阻R2，由200kV高压电容器组件通过点火球隙g1、波形调节电感L1和峰值调节电阻R2输出4/10us标准雷电流波形。
所述工频电源P包括高压电容器组件PFC、点火球隙g2、工频电感L3，高压电容器组件PFC与点火球隙g2串联形成串联支路，工频电感L3与所述串联支路并联连接。所述高压电容器组件PFC为额定电压大于等于80kV，电容量为1000uF±0.1的聚丙烯电容器组。所述工频电感L3为空心电感，工频电感量10mH±0.1，直流阻抗＜5mΩ。
所述控制单元C包括相位控制模块和点火装置。所述相位控制模块具有0～20ms延时调节功能，通过光纤分时传递不同时延的触发信号给点火装置。所述点火装置根据接收到的不同时延的触发信号快速转换为高压电脉冲CH1和CH2隔离输出，实现对冲击电流单元ICG中的点火球隙g1和工频电源P中点火球隙g2的点火时间控制。
本发明的工作原理及功能实现：
首先依次闭合充电单元CHA中的电源输入开关S2、S1，启动充电单元CHA，通过限流电阻R1和高压硅堆D1给工频电源P中高压电容器组件PFC充电，高压电容器组件PFC的额定电压为100kV，额定电容量为1000uF。计算35kV避雷器额定电压为40.5kV(有效值)，计算其峰值为57.3kV，考虑到回路直流阻抗损耗和工频续流遮断过程会损失部分能量，将高压电容器组件PFC预充电至60kV，确保工频电源P启动后其正弦电压波峰值＞57.3kV。在后续工频续流遮断能力测试过程中，高压电容器组件PFC将与工频电感L3形成LC振荡回路，设计工频电感L3的工频电感量为10mH，根据LC振荡频率计算公式：
计算得出工频电源P启动后其输出频率为工频50Hz电源。为提高工频电源P的输出容量，根据工频振荡电流峰值计算公式：
可知，保持LC的乘积不变，为保证工频电源P能够提供足够大的系统容量，应尽可能选择较大的C值和较小的L值。本发明中结合35kV工频续流遮断能力试验技术要求和实际的经济效益两方面因素，选择了额定电压100kV，额定电容量1000uF的高压电容器组件PFC和10mH的工频电感L3，通过试验证明能够满足实际测试技术要求。
充电完成后断开电源输入开关S2，隔离充电回路。
按照国家标准规定，35kV带间隙线路避雷器的50％放电电压不大于240kV。因此，启动冲击电流单元ICG，充电单元CHA的充电输出电压设定为250kV，确保在后续的工频续流遮断能力测试试验中35kV防雷装置能够击穿闪络。冲击电流单元ICG输出4/10us标准雷电流波形，其冲击电流幅值可通过波形调节电感L1和峰值调节电阻R2进行调节。在该实施方式中，将4/10us雷电流峰值调整为65kA。
以雷击发生在35kV防雷装置试品两端正弦电压的45°相位为例，通过控制单元C中的相位控制模块设定延时时间2.50ms，一键启动工频续流遮断能力试验。相位控制模块通过光纤首先输出一路光脉冲信号至点火装置，通过CH2通道输出高压脉冲至工频电源P中的点火球隙g2，触发导通工频电源P。工频电源P中高压电容器组件PFC通过导通点火球隙g2与工频电感L3发生振荡，振荡频率为50Hz。工频电源P启动，通过绝缘配合电感L2输出正弦电压施加在架空导线CA和回路地之间。经过2.50ms的时延后，光纤输出另一光脉冲信号点火装置，触发CH1通道输出一高压电脉冲至冲击电流单元ICG的点火球隙g1，触发冲击电流单元ICG输出设定的4/10us，峰值65kA的冲击电流至架空导线CA上，同时击穿串联在导线下方的35kV防雷装置试品，引起试品击穿闪络。
通过ROG罗氏线圈记录流过试品35kV防雷装置的电流波形，通过阻容分压器DIV记录时间在试品35kV防雷装置两端的电压波形，获得在工频45°相位角遭受雷击时的工频续流波形如图2所示。
在上述35kV防雷装置工频续流遮断能力测试过程中，所述绝缘配合电抗器L2为空心电感，不会因流过的电流过大引起磁饱和现象。这一特性可有效抑制高频特性的冲击电流单元ICG输出的高压冲击电流通过，同时不会影响低频特性的工频电源P的输出电流通过，简单、可靠、有效地实现了两种不同电压等级的电源之间的绝缘配合设计。
一次35kV防雷装置工频续流遮断能力测试试验完成，以上实施例只是进行35kV防雷装置在工频网压45°相位发生雷击的工况模拟，实际测试中需要进行雷击发生在工频网压的任意相位的工况下工频续流遮断能力试验验证，可通过调整控制单元C中的相位控制模块设定延时时间，一键启动工频续流遮断能力试验。延时时间设定范围为0～20ms，一个工频网压周期为20ms，该范围可覆盖工频网压的全相位任意角度。
本发明通过冲击电流单元ICG输出4/10us雷电流波形，以冲击电流作用在35kV避雷器的两端，更符合35kV架空线路避雷器的实际运行工况。
与传统的冲击电压引起避雷器击穿动作效果相比，本发明引入了雷击能量大小的概念，对于验证35kV避雷器防雷功能具有重要实践意义。
控制单元C的相位控制模块功能，通过0～20ms的连续可调功能，实现工频电源P和冲击电流单元ICG触发时间控制，从而可以模拟在工频网压的0～360°范围内任意相位遭受雷击的工况条件；
光纤传输光脉冲信号高速准确，光电隔离确保相位控制精度不受装置大电流冲击电磁干扰，提高了测试的可靠性、准确性和相位控制精度；
通过设定工频电源P中高压电容器组件PFC的电容量和电压等级可以确保在计入回路阻尼损耗以及工频续流过程能量损耗后，系统仍能提供足够的工频网压容量，满足工频续流遮断后施加在35kV避雷器两端的工频电压不低于其额定电压的技术要求；
通过串联在冲击电流单元ICG与工频电源P之间的空心电感L2的参数设计，可以有效抑制冲击电流单元ICG输出冲击电流通过，从而避免了冲击电流单元输出高压对工频电源P的绝缘破坏，同时，不影响工频电源P的工频电流输出。该绝缘配合设计快捷、简单、有效。
相对于传统35kV高压试验场地工频续流遮断能力试验平台，该装置具有占地面积小，成本低廉，操作简单，试验成功率高等优点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置，其特征在于：包括工频电源P、冲击电流单元ICG、控制单元C、绝缘配合电抗器L2、架空导线CA、电流检测单元以及电压检测单元；所述工频电源P与绝缘配合电抗器L2串联后并联在架空导线CA与回路地之间，架空导线CA与35kV避雷器串接；所述冲击电流单元ICG并联在架空导线CA与回路地之间；所述电流检测单元穿过35kV避雷器低压端支路，用以测量流过35kV避雷器本体的电流；所述电压检测单元并联在架空导线CA与回路地之间，用以测量该支路电压；所述控制单元C输出两路隔离的高压脉冲CH1和CH2，分别触发冲击电流单元ICG和工频电源P；所述冲击电流单元ICG用于触发后输出4/10us雷电流波形，以冲击电流作用在35kV避雷器的两端；所述绝缘配合电抗器L2为空心电感，工频电感量为3mH±0.1,直流阻抗＜2mΩ；所述控制单元C包括相位控制模块和点火装置，所述相位控制模块具有0～20ms延时调节功能，通过光纤分时传递不同时延的触发信号给点火装置，所述点火装置根据接收到的不同时延的触发信号转换为高压电脉冲CH1和CH2隔离输出；所述工频电源P包括高压电容器组件PFC、点火球隙g2、工频电感L3，高压电容器组件PFC与点火球隙g2串联形成串联支路，工频电感L3与所述串联支路并联连接，所述点火球隙g2的点火时间由所述控制单元C控制；所述高压电容器组件PFC为额定电压大于等于80kV，电容量为1000uF±0.1的聚丙烯电容器组；所述工频电感L3为空心电感，工频电感量10mH±0.1，直流阻抗＜5mΩ。
2.如权利要求1所述的35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置，其特征在于：还包括并联在工频电源P的高压储能电容组件PFC两端的充电单元CHA，所述充电单元CHA用于给工频电源P预充电。
3.如权利要求1所述的35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置，其特征在于：所述电流检测单元为ROG罗氏线圈，所述电压检测单元为阻容分压器。
4.如权利要求2所述的35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置，其特征在于：所述充电单元CHA包括变压器T1、限流电阻R1、高压硅堆D1、分别与变压器T1初级线圈和次级线圈连接的电源输入开关S1和电源输入开关S2，电源输入开关S2与限流电阻R1、高压硅堆D1依次串接，高压硅堆D1的负极作为输出端与与所述工频电源P连接。
5.如权利要求1所述的35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置，其特征在于：所述冲击电流单元ICG包括依次串联的200kV高压电容器组件、点火球隙g1、波形调节电感L1和峰值调节电阻R2，由200kV高压电容器组件通过点火球隙g1、波形调节电感L1和峰值调节电阻R2输出4/10us标准雷电流波形，所述点火球隙g1的点火时间由所述控制单元C控制。
6.一种35kV避雷器工频续流遮断能力测试方法，其特征在于使用权利要求1-5中任一项所述装置进行，所述方法包括如下步骤：
控制单元C中相位控制模块输出一路光脉冲信号至点火装置，通通过控制单元C中的相位控制模块设定延时时间，一键启动工频续流遮断能力试验，相位控制模块首先输出一路光脉冲信号至点火装置，通过CH2通道输出高压脉冲至工频电源P中的点火球隙g2，触发导通工频电源P，工频电源P中高压电容器组件PFC通过导通点火球隙g2与工频电感L3发生振荡，工频电源P启动，通过绝缘配合电感L2输出正弦电压施加在架空导线CA和回路地之间，经过设定延时时间后，光纤输出另一光脉冲信号点火装置，触发CH1通道输出一高压电脉冲至冲击电流单元ICG的点火球隙g1，触发冲击电流单元ICG输出设定的冲击电流至架空导线CA上，同时击穿串联在导线下方的35kV防雷装置试品，引起试品击穿闪络；
通过电流检测单元记录流过试品35kV防雷装置的电流波形，通过电压检测单元记录时间在试品35kV防雷装置两端的电压波形，获得在工频网压某一相位角遭受雷击时的工频续流波形。
7.如权利要求6所述的35kV避雷器工频续流遮断能力测试方法，其特征在于：在相位控制模块输出光脉冲信号至点火装置前还包括步骤：
依次闭合充电单元CHA中的电源输入开关S2、S1，启动充电单元CHA，通过限流电阻R1和高压硅堆D1给工频电源P中高压电容器组件PFC充电，直至可确保工频电源P启动后其正弦电压波峰值大于35kV避雷器的额定电压峰值；
充电完成后断开电源输入开关S2，隔离充电回路。
8.如权利要求6所述的35kV避雷器工频续流遮断能力测试方法，其特征在于：控制单元C中相位控制模块在启动工频续流遮断能力试验前设定0～20ms的延时时间。
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