CN109298263B - 基于直流耦合冲击电源的避雷器阀片加速老化试验装置 - Google Patents
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Abstract
基于直流耦合冲击电源的避雷器阀片加速老化试验装置，包括直流电压发生器、冲击电流发生器与信号监测装置；冲击电流发生器与直流电压发生器均与信号监测装置相连；直流电压发生器的输出端分为两路，一路与限流电感一端相连，另一路与电阻分压器一端相连；限流电感另一端分为两路，一路与试品阀片相连，另一路与隔离电容一端相连，隔离电容另一端分为两路，一路与冲击电流发生器相连，另一路与电容分压器相连。本发明采用直流电压发生器、冲击电流发生器并联耦合电源作为避雷器阀片加速老化的激励，使被测试品的试验工况更贴近实际运行工况，可用于研究直流避雷器阀片在直流与冲击高压复合作用下的V‑A特性、老化特性及直流冲击耦合动作特性等。
Description
技术领域
本发明一般涉及高电压试验装置领域，具体涉及一种基于直流耦合冲击电源的避雷器阀片加速老化试验装置。
背景技术
我国的能源产地逐渐西移、北移，与能源消费中心之间距离的不断扩大。特高压直流输电技术在远距离、大容量电力输送及其稳定性方面表现出明显的优势。电压等级的提升对特高压直流避雷器、换流阀、平波电抗器等关键电力设备的绝缘性能提出了更高的要求。
直流避雷器工作在直流电压应力下，同时泄露电流的作用会使阀片温度升高，处于一种热老化的状态。直流系统中不可避免的电压谐波以及雷电、操作冲击波会对氧化锌避雷器及其电阻片产生瞬时性、高能量密度的电热应力作用，引起避雷器阀片老化甚至快速热崩溃损坏，类似事故在实际运行中多有发生。掌握氧化锌避雷器在复杂运行工况下的老化情况，对避雷器的运行维护具有重要的参考价值。
安装在换流站内各节点及输电线路上的直流避雷器，其运行工况十分复杂：不仅要承受极高的直流电压，还常受到操作过电压、雷击过电压及陡波过电压的侵袭，同时需耐受极大的冲击电流。在越来越高的直流电压等级下，对避雷器进行加速老化试验以考察其老化特性，将不得不考虑冲击大电流及直流高电压的耦合叠加作用。
在已有的直流-冲击电压复合试验研究中，两个电源同为电压源，且往往串联方式叠加。在冲击电源类型的选择上，考虑到避雷器的冲击动作特性考核试验规程，相较于冲击电压源，采用冲击电流发生器才是更优且更普遍的选择。在试验回路结构方面，相较于串联方式，直流-冲击源的并联复合方式更贴近避雷器的实际运行工况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有产品及技术的不足，满足特高压直流输电系统电力设备的外绝缘要求，提出一种基于直流冲击耦合电源的避雷器阀片加速老化试验装置，将特高压输电等级电气设备绝缘研究所需的直流高压发生器与冲击电流发生器结合起来，建立起基于直流冲击耦合电源的避雷器阀片加速老化试验装置及电压电流监测系统，用以研究直流避雷器阀片在直流与冲击高压复合作用下的V-A特性、老化特性及直流冲击耦合动作特性等，为特高压直流避雷器的设计、运行提供理论与实验依据。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
基于直流耦合冲击电源的避雷器阀片加速老化试验装置，包括直流电压发生器、冲击电流发生器、隔离电容、限流电感、电阻分压器和电容分压器以及信号监测装置；直流电压发生器与直流电压发生器均与信号监测装置相连；
直流电压发生器的输出端分为两路，一路与限流电感一端相连，另一路与电阻分压器一端相连，电阻分压器另一端接地；限流电感另一端分为两路，一路与设置在高低温恒温箱内的试品阀片相连，另一路与隔离电容一端相连，隔离电容另一端分为两路，一路与冲击电流发生器相连，另一路与电容分压器的一端相连，电容分压器的另一端接地。
本发明进一步的改进在于，信号监测装置还包括采集卡以及工控机；采集卡与工控机相连；冲击电流发生器与直流电压发生器均与工控机相连。
本发明进一步的改进在于，电阻分压器低压臂上并联有第一电压测量模块，电容分压器低压臂上并联有第二电压测量模块；第一电压测量模块和第二电压测量模块均与采集卡相连。
本发明进一步的改进在于，高低温恒温箱内设置有温度测量模块，温度测量模块与采集卡相连。
本发明进一步的改进在于，高低温恒温箱内设置有电流测量模块，并且电流测量模块一端与试品阀片相连，另一端与采集卡相连。
本发明进一步的改进在于，高低温恒温箱与电流测量模块共接地。
本发明进一步的改进在于，高低温恒温箱能够提供-40℃～150℃范围内恒定的试验温度环境；直流电压发生器能够提供0～±40kV范围的稳定的直流电压；冲击电流发生器能够产生1/10μs-20kA、4/10μs-100kA、8/20μs-30kA以及30/80μs-5kA的冲击电流。
与现有技术相比，本发明有益效果是：本发明中通过设置限流电感和限流电容，隔离电容用于保护冲击发生器免受直流高电压的干扰或损坏；限流电感用于保护直流电压发生器免受冲击大电流的干扰或损坏，本发明采用直流叠加冲击电源作为避雷器阀片加速老化的激励，可用于考核持续稳态电压作用下阀片受冲击电流的响应特性。在试验过程中，直流电压发生器与冲击电流发生器以并联方式耦合，并通过高压引线电缆引入高低温恒温箱，施加在试品阀片上。正常运行时，由于隔离电容的存在，使得试品阀片仅承受直流电压；当球隙点火开关被触发时，冲击电流迅速穿过球隙涌入试品阀片，形成直流电压-冲击电流复合工况，此时由于限流电感的存在，变化率极大的冲击电流几乎不可能流入直流电压发生器。利用工控机对直流电压发生器和冲击电压发生器的工作状态进行控制，实现过压、过流、过热保护，出现异常信号能自动切断电源，并给予报警提示。本发明采用冲击电流发生器与直流高压发生器并联耦合，同时将试品置于温度可控的恒温老化箱中的方式，使被测试品的试验更贴近试品实际工况。通过信号检测装置，将试品中的电流和承受的耦合电压波形输入工控机中，自动记录阀片的老化时间、试品电阻、功耗和温度等参量，实现试验系统在大时间跨度中无人值守条件下的自动运行、实时监测和紧急停运。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为避雷器阀片试品放电电流仿真波形。
图3为避雷器阀片试品放电残压仿真波形。
附图标记：1-高低温恒温箱，2-直流电压发生器，3-冲击电流发生器，4-限流电感，5-隔离电容，6-工控机，7-电阻分压器，8-电容分压器，9-第一电压测量模块，10-电流测量模块，11-温度测量模块，12-采集卡，13-套管，14-试品阀片，15-第二电压测量模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
请参阅图1，本发明提供的基于直流耦合冲击电源的避雷器阀片加速老化试验装置，包括高低温恒温箱1、直流电压发生器2、冲击电流发生器3、隔离电容5、限流电感4及信号监测装置，信号监测装置用于对电压、电流及温度信号的采集和检测，包括工控机6、电阻分压器7、电容分压器8、第一电压测量模块9、第二电压测量模块15、电流测量模块10、温度测量模块11以及采集卡12。
高低温恒温箱1内设置有试品阀片14、电流测量模块10以及温度测量模块11，试品阀片14与电流测量模块10相连。电流测量模块10、温度测量模块11以及第一电压测量模块9均与采集卡12相连，采集卡12与工控机6相连，直流电压发生器2和冲击电流发生器3均与工控机6相连。高低温恒温箱1与电流测量模块10共接地。
直流电压发生器2的输出端分为两路，一路与限流电感4一端相连，另一路与电阻分压器7一端相连，电阻分压器7低压臂上并联有第一电压测量模块9，电阻分压器7另一端接地。
限流电感4另一端分为两路，一路穿过套管13与试品阀片14相连，另一路与隔离电容5一端相连，隔离电容5另一端分为两路，一路与冲击电流发生器3相连，另一路与电容分压器8的一端相连，电容分压器8的另一端接地；电容分压器8低压臂上并联有第二电压测量模块15。
高低温恒温箱1用于为试品提供-40℃～150℃范围内恒定的试验温度环境；
直流电压发生器2用于提供0～±40kV范围的稳定的直流电压；
冲击电流发生器3用于产生1/10μs-20kA、4/10μs-100kA、8/20μs-30kA、30/80μs-5kA等规格的冲击电流；
隔离电容5用于保护冲击发生器免受直流高电压的干扰或损坏；限流电感4用于保护直流电压发生器2免受冲击大电流的干扰或损坏。采用限流电感和隔离电容实现直流电压发生器与冲击电流发生器的隔离。
本发明采用冲击电流发生器作为冲击电源，直流电压发生器与冲击电流发生器以并联方式耦合。通过信号检测装置，将试品阀片中的电流和承受的耦合电压波形经采集卡输入工控机中，定期巡检试品电阻、功耗和温度等参量，实现试验系统在大时间跨度中无人值守条件下的自动运行、实时监测和紧急停运。
在试验过程中，直流电压发生器2与冲击电流发生器3以并联方式耦合，并通过高压引线电缆引入高低温恒温箱1，施加在试品14上。正常运行时，由于隔离电容5的存在，使得试品14仅承受直流电压。当球隙点火开关被触发时，冲击电流迅速穿过球隙涌入试品14，形成直流电压-冲击电流复合工况，此时由于限流电感的存在，变化率极大的冲击电流几乎不可能流入直流电压发生器2。电压、电流、温度的检测信号端均连接在工控机6上，利用工控机6对直流电压发生器2和冲击电压发生器3的工作状态进行控制，实现过压、过流、过热保护，出现异常信号能自动切断电源，并给予报警提示。
优选地，可以在高低温恒温箱1内设置多个试品阀片14，每个试品阀片14均与直流电压发生器2以及冲击电流发生器3相连。即通过设置多个通道，可对不同避雷器阀片在不同的荷电率下进行试验，使试验效率得到提高。
采用上述老化试验装置进行了仿真，得到试品阀片放电电流和放电残压的波形分别如图2和图3所示。从图2和图3可以看出，通过直流耦合冲击电源的激励作用，实现了在试品阀片上产生直流电压叠加冲击电流的目的。
如图1所示，直流电压发生器2与冲击电流发生器3以并联方式复合施加在试品14上，以测试避雷器阀片在直流叠加冲击作用下的放电动作特性，试品电压电流与温度参数由信号监测装置记录。各部分详细功能如下：
a.高低温恒温箱1用于为试品提供恒定的试验温度环境。本发明中采用南京泰斯特的GDW-150，内容积不小于150L，内箱体长宽高均不小于500mm，温度范围涵盖-40℃～150℃，温度波动度不超过±0.5℃，解析分辨率不超过0.01℃，控制精度不超过±0.1℃。
b.直流电压发生器2用于提供稳定的直流电压。本实施例中直流电压发生器选用大连泰斯曼的TRC2025，直流电压范围为0至±40kV可调，电源功率600W，输出额定电压时的纹波峰峰值为1‰，电压电流指示精度为1％。
c.冲击电流发生器3用于提供的冲击电流。本发明中冲击电流发生器可提供包括1/10μs-20kA、4/10μs-100kA、8/20μs-30kA、30/80μs-5kA等参数规格的冲击电流，采用球隙触发方式。
d.限流电感4用于保护直流发生器免受冲击大电流的干扰或损坏。本发明中限流电感采用30mH电感。
e.隔离电容5用于保护冲击发生器免受直流高电压的干扰或损坏。正常运行时，由于隔离电容的存在，使得试品仅承受直流电压。当球隙点火开关被触发时，冲击电流迅速穿过球隙涌入试品，形成直流电压-冲击电流复合工况。在本发明中，隔离电容取100μF，可耐受50kV直流电压持续作用。
f.所述信号监测装置用于对电压、电流及温度信号的采集和检测及控制，包括电阻分压器7、电容分压器8、第一电压测量模块9、第二电压测量模块15、电流测量模块10、温度传感器11、数据采集卡12、工控机6等。本发明中采集卡12选用北京阿尔泰NET2991B，采样频率为250KS/s。
本发明将避雷器阀片试品置于高低温恒温箱中，采用直流电压发生器、冲击电流发生器并联耦合电源作为避雷器阀片加速老化的激励使，使被测试品的试验工况更贴近实际运行工况，可用于研究直流避雷器阀片在直流与冲击高压复合作用下的V-A特性、老化特性及直流冲击耦合动作特性等，为特高压直流避雷器的设计、运行提供理论与实验依据。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于直流耦合冲击电源的避雷器阀片加速老化试验装置，其特征在于，包括直流电压发生器(2)、冲击电流发生器(3)、隔离电容(5)、限流电感(4)、电阻分压器(7)和电容分压器(8)以及信号监测装置；冲击电流发生器(3)与直流电压发生器(2)均与信号监测装置相连；
直流电压发生器(2)的输出端分为两路，一路与限流电感(4)一端相连，另一路与电阻分压器(7)一端相连，电阻分压器(7)另一端接地；限流电感(4)另一端分为两路，一路穿过套管(13)与设置在高低温恒温箱(1)内的多个试品阀片(14)相连，每个试品阀片(14)均与直流电压发生器(2)以及冲击电流发生器(3)相连，另一路与隔离电容(5)一端相连，隔离电容(5)另一端分为两路，一路与冲击电流发生器(3)相连，另一路与电容分压器(8)的一端相连，电容分压器(8)的另一端接地；
其中，直流电压发生器(2)能够提供0～±40kV范围的稳定的直流电压；冲击电流发生器(3)能够产生1/10μs-20kA、4/10μs-100kA、8/20μs-30kA以及30/80μs-5kA的冲击电流；
高低温恒温箱(1)内设置有温度测量模块(11)；
信号监测装置还包括采集卡(12)以及工控机(6)；采集卡(12)与工控机(6)相连；
高低温恒温箱(1)内设置有电流测量模块(10)，并且电流测量模块(10)一端与试品阀片(14)相连，另一端与采集卡(12)相连；
电阻分压器(7)低压臂上并联有第一电压测量模块(9)，电容分压器(8)低压臂上并联有第二电压测量模块(15)，第一电压测量模块(9)和第二电压测量模块(15)均与采集卡(12)相连。
2.根据权利要求1所述的基于直流耦合冲击电源的避雷器阀片加速老化试验装置，其特征在于，冲击电流发生器(3)与直流电压发生器(2)均与工控机(6)相连。
3.根据权利要求1所述的基于直流耦合冲击电源的避雷器阀片加速老化试验装置，其特征在于，温度测量模块(11)与采集卡(12)相连。
4.根据权利要求1所述的基于直流耦合冲击电源的避雷器阀片加速老化试验装置，其特征在于，高低温恒温箱(1)与电流测量模块(10)共接地。
5.根据权利要求1所述的基于直流耦合冲击电源的避雷器阀片加速老化试验装置，其特征在于，高低温恒温箱(1)能够提供-40℃～150℃范围内恒定的试验温度环境。
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