CN109581113B - 一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路。该试验回路通过冲击电压发生器模拟雷电冲击过电压，通过储能电容组件预充电来提供多腔室间隙防雷装置续流期间的能量消耗；利用工频变压器提供施加在多腔室间隙防雷装置两端的额定电压；通过时序配合电路和保护电路设计来实现多种不同属性的电压源和电流源叠加施加在被试品上，真实模拟在线多腔室间隙防雷装置在额定工频电压下遭受雷击闪络动作，形成工频续流的工况条件。本发明提供了一种用于验证防雷装置能否在额定电压下切断工频续流并且后续不发生重燃现象的试验回路。

Description

一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体的说是涉及一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路。

背景技术

近年来，一种新型多腔室间隙类型的线路防雷装置的研究方兴未艾，这种以空气作为绝缘介质的新型防雷装置以其材料简单、通流容量大、无热积累效应、无须运维和使用寿命长等优异特性受到电力系统运维单位的青睐。额定电压下的工频续流遮断能力是空气间隙类防雷装置的一项重要技术性能指标，为了真实模拟该类型防雷装置的实际运行工况，并确保工频续流遮断能力测试的等价有效性，提出了多种合成回路试验方法和方案。

专利CN104237751 B公开了一种防雷装置工频续流遮断能力的测试装置。该方法通过LC振荡电路模拟工频网压，用冲击电容储能放电模拟雷电冲击，通过两个回路中球隙距离的不同来调整两者之间的时序配合，在一定程度上能够实现防雷装置的工频续流遮断能力测试技术要求，但在试验实施过程中面临几个难点：一是固定长度的球隙在面临工频电压和雷电冲击电压时击穿闪络电压具有很大的分散性，用于微秒级精度的时序配合实现难度较大，并且在面临不同大气压力、温度和湿度时击穿动作电压更易波动，从而造成时序配合时间误差增大，试验失败；二是工频电压由于LC振荡回路阻抗而呈现“振铃”衰减波形，无法保证工频续流遮断后施加在试品两端的工频电压保持在额定电压；三是为补偿试品工频续流阶段消耗的能量，需要将LC振荡回路中电容预充电压远远高于工频网压峰值，造成电容器设计电压等级和容量及成本剧增。

专利CN 106054006 A公开了一种低压起弧及间隙距离可调的工频续流试验装置及方法。其主要创新点在于通过球隙之间放置熔丝来实现降低雷电冲击动作电压值，可避免过高的冲击电压作用破坏工频电源变压器设备。但其试验方法适用于带外串联间隙的金属氧化物避雷器，其工频电源变压器设备不具备提供多腔室间隙避雷器1000A以上甚至5000A的工频续流峰值的能力。同时，使用球隙熔丝的引入和球隙距离的调整来实现控制工频耐压和雷电冲击动作电压调整具有较大的分散性，具体实施控制精度不高，试验成功率有待商榷。

专利CN 206460145 U公开了一种工频续流遮断能力试验合成回路同步控制装置。该装置通过LC振荡形成工频电源，能够提供多腔室间隙防雷装置工频续流阶段的能量消耗，并且工频续流遮断后能够持续维持施加在试品两端的额定工频电压。回路的同步控制方式使用光电转换信号处理方式有效提高了系统的EMC性能，时间控制精度高，具有较大的使用经济性和等价性。但同样面临两个问题：一是工频电压由于LC振荡回路阻抗而呈现“振铃”衰减波形，无法保证工频续流遮断后施加在试品两端的工频电压保持在额定电压；二是为补偿试品工频续流阶段消耗的能量，需要将LC振荡回路中电容预充电压远远高于工频网压峰值，造成电容器设计电压等级和容量及成本剧增。

专利CN 107356833 A公开了一种工频续流试验装置的控制测量电路。该专利公开的方法与专利CN 206460145 U一种工频续流遮断能力试验合成回路同步控制装置有相似之处，最大区别是该测量电路的“工频交流电压源包括调压器以及试验变压器；所述调压器与所述试验变压器并联。”由对专利CN 106054006 A的分析可知无法进行多腔室间隙防雷装置的1000A～5000A的工频续流峰值的工频续流遮断能力试验。

专利CN 107271739 A公开的一种10kV工频续流试验装置的一次侧保护电路描述的是通过保护间隙、保护避雷器、调波电容和保护电阻的串并联实现对工频电源即工频试验变压器的保护，其保护电路的使用针对的是专利CN 107356833 A的应用范围。

专利CN 107505553 A公开的一种工频续流试验装置及其使用方法。其工频电源使用的是电力变压器，电压为289kV、容量为250MW，能够满足多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验技术要求，但大容量的电力变压器造价昂贵、占地面积较大，绝缘保护电路设计复杂。

专利CN 108037399 A公开了一种35kV避雷器工频续流遮断能力测试装置及方法。该装置和方法使用范围局限于35kV电压等级，同专利CN 206460145 U要求中的工频电源由LC振荡电路产生一样面临的同样的问题，不再赘述。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明的目的在于提供一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明提供了一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路，包括冲击电压发生器、工频隔离球隙、高速开关、储能电容组件、续流调节保护电路、工频变压器、工频电压保护电路、零点检测模块、延时模块、点火模块、触发模块以及被试品；

所述冲击电压发生器通过串联工频隔离球隙后输出雷电冲击过电压，施加在被试品的高压端；

所述储能电容组件一端接地，所述储能电容组件的另一端通过与高速开关、续流调节保护电路串联后施加在被试品的高压端；所述高速开关并联有雷电冲击过电压吸收电容，所述雷电冲击过电压吸收电容用于保护高速开关免受雷电冲击过电压损坏；

所述工频变压器输出工频额定电压，通过与工频电压保护电路串联后施加在被试品的高压端；

所述零点检测模块从工频电压保护电路中采集工频电压相位过零点的信号，并将零点检测信号传递给延时模块；延时模块经过预设的延时时间后输出两路信号分别至点火模块和触发模块；

所述点火模块收到延时模块输出的信号后在100μs内输出点火高压脉冲，在点火高压脉冲强干扰下，驱动冲击电压发生器输出雷电冲击过电压；

所述触发模块收到延时模块输出的信号后在100μs内输出驱动脉冲，驱动高速开关开通。

进一步地，所述工频变压器的原边由市电AC220V供电；所述工频变压器的次边经过升压绕组升压至工频变压器额定电压，且工频变压器的功率≤50kVA。

进一步地，所述工频电压保护电路由雷电冲击电压抑制空心电抗器和限流保护电阻串联组成；其中，所述雷电冲击电压抑制空心电抗器用以抑制雷电冲击过电压通过，避免工频变压器绝缘遭受破坏；所述限流保护电阻电阻值在100kΩ-5000kΩ之间，用以防止工频变压器过流烧损。

进一步地，所述续流调节保护电路由雷电冲击电压抑制空心电抗器和续流峰值调节电阻串联组成；其中，所述雷电冲击电压抑制空心电抗器用以抑制雷电冲击过电压通过，避免高速开关遭受雷电冲击过电压损坏。

进一步地，所述高速开关由半控型半导体功率器件通过多级串、并联后组成，具有足够高的反向电压耐受能力和通流容量，能够承受回路中的额定工频电压和提供足够大的工频续流通流容量。

进一步地，所述储能电容组件由1个高压脉冲电容器构成或多个高压脉冲电容器并联组成，预充电后的储能电容组件能为回路提供充足能量，确保被试品流过可控的工频续流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明充分考虑到在多腔室间隙防雷装置有效切断工频续流后系统无须提供足够强大的能量消耗，用小容量的工频变压器模拟额定电压即可验证装置是否重燃，有效降低了试验设备购置成本；

2、通过储能电容组件提供多腔室间隙防雷装置工频续流期间的能量消耗，不依赖大容量、高电压等级的电容组件来提供工频续流切断后的额定工频电压，大大降低了试验回路对电容组件的电压等级和电容量需求，设备购置成本降幅可观；

3、试验回路通过工频变压器提供额定工频电压，可有效避免用LC振荡电路提供额定工频电压而带来的电压振荡衰减，为验证多腔室间隙防雷装置在额定电压下是否发生重燃提供充要条件；

4、试验回路占地面积小、维护简单、使用寿命长。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明进行多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力测试波形图一；其中，图中1为施加在被试品5两端电压波形；2为本体流过电流波形；

图3为本发明进行多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力测试波形图二；其中，图中1为施加在被试品5两端电压波形；2为本体流过电流波形。

附图标号说明：

1、冲击电压发生器；21、高速开关；22、储能电容组件；23、续流调节保护电路；31、工频变压器；32、工频电压保护电路；41、零点检测模块；42、延时模块；43、点火模块；44、触发模块；5、被试品；

G0、点火球隙；G1、工频隔离球隙；

L1、L2均为雷电冲击电压抑制空心电抗器；

R1、续流峰值调节电阻；R2、限流保护电阻；Rf冲击电压波形上升沿；Rt、冲击电压波形下降沿；

SCR、半控型半导体功率器件；

C0、冲击电压发生电容；C1、高压脉冲电容器；C2、雷电冲击过电压吸收电容；

具体实施方式

下面结合本发明的附图对本发明中的具体技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明提供了一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路，包括冲击电压发生器1、工频隔离球隙G1、高速开关21、储能电容组件22、续流调节保护电路23、工频变压器31、工频电压保护电路32、零点检测模块41、延时模块42、点火模块43、触发模块44以及被试品5；

冲击电压发生器1通过串联工频隔离球隙G1后输出雷电冲击过电压，施加在被试品5的高压端；

储能电容组件22一端接地，储能电容组件22的另一端通过与高速开关21、续流调节保护电路23串联后施加在被试品5的高压端；高速开关21并联有雷电冲击过电压吸收电容C2，用于保护高速开关21免受雷电冲击过电压损坏；

工频变压器31输出工频额定电压，通过与工频电压保护电路32串联后施加在被试品5的高压端；

零点检测模块41从工频电压保护电路32中采集工频电压相位过零点的信号，并将零点检测信号传递给延时模块42。延时模块42经过预设的延时时间后输出两路信号分别至点火模块43和触发模块44；

点火模块43收到延时模块42输出的信号后在100μs内输出点火高压脉冲，在点火高压脉冲强干扰下，驱动冲击电压发生器1输出雷电冲击过电压；

触发模块44收到延时模块42输出的信号后在100μs内输出驱动脉冲，驱动高速开关21开通。

本发明中，工频变压器31的原边由市电AC220V供电；工频变压器31的次边经过升压绕组升压至工频变压器的额定电压，且工频变压器的功率≤50kVA。

工频电压保护电路32由雷电冲击电压抑制空心电抗器L2和限流保护电阻R2串联组成；其中，雷电冲击电压抑制空心电抗器L2用以抑制雷电冲击过电压通过，避免工频变压器31绝缘遭受破坏；限流保护电阻R2电阻值在100kΩ-5000kΩ之间，用以防止工频变压器31过流烧损。

续流调节保护电路23由雷电冲击电压抑制空心电抗器L1和续流峰值调节电阻R1串联组成；其中，L1雷电冲击电压抑制空心电抗器用以抑制雷电冲击过电压通过，避免高速开关21遭受雷电冲击过电压损坏。

高速开关21由半控型半导体功率器件通过多级串、并联后组成，具有足够高的反向电压耐受能力和通流容量，能够承受回路中的额定工频电压和提供足够大的工频续流通流容量。

储能电容组件22由1个高压脉冲电容器C1构成或多个高压脉冲电容器C1并联组成，预充电后的储能电容组件22能为回路提供充足能量，确保被试品5流过可控的工频续流。

冲击电压发生器包括：冲击电压发生电容C0、点火球隙G0、冲击电压波形上升沿电阻Rf和冲击电压波形下降沿电阻Rt。冲击电压发生电容C0和点火球隙G0串联后与冲击电压波形下降沿电阻Rt并联。两者并联后串联冲击电压波形上升沿电阻Rf作为输出冲击电压施加在工频隔离球隙G1上。

本发明中，零点检测模块41、延时模块42、点火模块43、触发模块44均为市场上可购置的模块。

本发明提供的试验回路通过冲击电压发生器1模拟雷电冲击过电压，通过储能电容组件22预充电来提供多腔室间隙防雷装置续流期间的能量消耗；利用工频变压器31提供施加在多腔室间隙防雷装置两端的额定电压；通过时序配合电路和保护电路设计来实现多种不同属性的电压源和电流源叠加施加在被试品上，真实模拟在线多腔室间隙防雷装置在额定工频电压下遭受雷击闪络动作，形成工频续流。验证防雷装置能否在额定电压下切断工频续流并且后续不发生重燃现象。

具体应用实施例

本实施例公开了一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路，包括冲击电压发生器1、工频隔离球隙G1、高速开关21、储能电容组件22、续流调节保护电路23、工频变压器31、工频电压保护电路32、零点检测模块41、延时模块42、点火模块43、触发模块44以及被试品5。

利用本实施例提供的多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路对某种10kV多腔室间隙防雷装置进行工频续流遮断能力试验，其中要求工频续流峰值不小于1kA，工频续流遮断后施加在被试品两端的额定电压≮13.2kV（有效值）。

根据1kA的工频续流峰值技术要求，通过仿真计算得到储能电容组件电容量C1=700μF、充电电压8kV、L1=3mH、R1=7.5Ω，可满足续流储能要求。

考虑到10kV电压等级的多腔室间隙防雷装置的雷电冲击动作电压U50≤100kV，可预设冲击电压发生器1的C0充电幅值150kV，以确保被试品5能够被击穿，其中Rf和Rt分别用于调节冲击电压波形上升沿和下降沿的时间。

试验要求冲击电压发生器1输出的冲击电压施加在被试品5两端的额定工频电压的正向波峰位置，计算出从工频电压零点至峰值的时间为5ms，设置延时模块42的延时时间为5ms。

试验开始，首先将储能电容器组件22的C1充电至8kV，将冲击电压发生器1的C0充电至150kV。启动工频变压器31，调整其输出额定电压13.2kV的工频电压施加在被试品5的两端。工频隔离球隙G1确保额定的工频电压不会进入冲击电压发生器1；续流调节保护电路23和高速开关21确保将储能电容组件22隔离，不受额定工频电压的影响。

通过自动控制电路启动试验后，零点检测模块41从工频电压保护电路32的L2和R2连接处采集工频相位信号，采集到的额定工频电压第一次过零点后发出信号至延时模块42，延时模块42经过预设的5ms延时时间自动输出两路信号至点火模块43和触发模块44。此时施加在被试品5两端的工频正弦电压已达到正向电压峰值位置。

点火模块43在收到延时模块42传递的信号后，在不超过100μs的时间内发出点火高压脉冲，击穿冲击电压发生器1的点火球隙G0，输出幅值150kV的雷电冲击电压，击穿工频隔离球隙G1后施加在被试品5的两端，造成被试品5闪络动作。同时，触发模块44在收到延时模块42传递的信号后，在不超过100μs的时间内发出驱动脉冲，驱动高度开关21的SCR导通。预充电8kV的储能电容组件22将通过高速开关21、雷电冲击电压抑制空心电抗器L1、续流峰值调节电阻R1、被试品5支路流过峰值约1kA的工频续流。

其中，雷电冲击电压抑制空心电抗器L1可有效抑制雷电冲击过电压通过，避免高速开关21遭受雷电冲击过电压损坏，续流峰值调节电阻R1限制工频续流峰值在1kA。

储能电容组件22在释放能量后第一次电流过零点后，由于高速开关21为半控型半导体功率器件，将自动关断，不会产生反向续流，储能电容组件22将从试验回路中隔离出来。

流过被试品5的工频续流第一次过零点后，工频变压器31将通过雷电冲击电压抑制空心电抗器L2和限流保护电阻R2串联持续施加额定电压在被试品5上。其中雷电冲击电压抑制空心电抗器L2用以抑制雷电冲击过电压通过，避免工频变压器31绝缘遭受破坏；限流保护电阻R2电阻值分布在100KΩ-5000之间，用以防止工频变压器31过流烧损。

此时，观察被试品5两端的电压波形和流过本体的电流波形，即可判断是否熄弧和是否发生重燃现象。

如图2所示，在工频电压峰值左右被试品5被击穿，此时流过被试品5本体的电流从零开始增长，施加在被试品5两端的电压跌落。随着工频续流的自然过零点后，电压开始反向，此时被试品5由于快速恢复为绝缘状态，流过本体的电流过零点后不再出现反向，工频电压正弦波形恢复正常，可判断被试品5正常熄弧并不再发生重燃现象。

同样如图3所示，在流过本体的工频续流第一次过零后，电压开始反向，此时流过本体的电流过零后再次出现了反向电流，可判断被试品5无法熄弧并出现了重燃现象。

以上所述，仅为本发明的一个针对10kV电压等级的多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验的具体实施方式，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公开的技术范围内，可轻易通过参数变化或电压等级的改变来实现，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路，其特征在于：包括冲击电压发生器（1）、工频隔离球隙（G1）、高速开关（21）、储能电容组件（22）、续流调节保护电路（23）、工频变压器（31）、工频电压保护电路（32）、零点检测模块（41）、延时模块（42）、点火模块（43）、触发模块（44）以及被试品（5）；

所述冲击电压发生器（1）通过串联工频隔离球隙（G1）后输出雷电冲击过电压，施加在被试品（5）的高压端；

所述储能电容组件（22）一端接地，所述储能电容组件（22）的另一端通过与高速开关（21）、续流调节保护电路（23）串联后施加在被试品（5）的高压端；所述高速开关（21）并联有雷电冲击过电压吸收电容（C2），所述雷电冲击过电压吸收电容（C2）用于保护高速开关（21）免受雷电冲击过电压损坏；

所述工频变压器（31）输出工频额定电压，通过与工频电压保护电路（32）串联后施加在被试品（5）的高压端；所述工频变压器（31）的原边由市电AC220V供电；所述工频变压器（31）的次边经过升压绕组升压至工频变压器的额定电压，且工频变压器的功率≤50kVA；

所述零点检测模块（41）从工频电压保护电路（32）中采集工频电压相位过零点的信号，并将零点检测信号传递给延时模块（42），延时模块（42）经过预设的延时时间后输出两路信号分别至点火模块（43）和触发模块（44）；

所述点火模块（43）收到延时模块（42）输出的信号后在100μs内输出点火高压脉冲，在点火高压脉冲强干扰下，驱动冲击电压发生器（1）输出雷电冲击过电压；

所述触发模块（44）收到延时模块（42）输出的信号后在100μs内输出驱动脉冲，驱动高速开关（21）开通。

2.根据权利要求1所述的一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路，其特征在于：所述工频电压保护电路（32），由雷电冲击电压抑制空心电抗器（L2）和限流保护电阻（R2）串联组成；其中，所述雷电冲击电压抑制空心电抗器（L2）用以抑制雷电冲击过电压通过，避免工频变压器（31）绝缘遭受破坏；所述限流保护电阻（R2）电阻值在100kΩ-5000kΩ之间，用以防止工频变压器（31）过流烧损。

3.根据权利要求1所述的一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路，其特征在于：所述续流调节保护电路（23）由雷电冲击电压抑制空心电抗器（L1）和续流峰值调节电阻（R1）串联组成；其中，所述雷电冲击电压抑制空心电抗器（L1）用以抑制雷电冲击过电压通过，避免高速开关（21）遭受雷电冲击过电压损坏。

4.根据权利要求1所述的一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路，其特征在于：所述高速开关（21），由半控型半导体功率器件（SCR）通过多级串、并联后组成。

5.根据权利要求1所述的一种多腔室间隙防雷装置工频续流遮断能力试验回路，其特征在于：所述储能电容组件（22），由1个高压脉冲电容器（C1）构成或多个高压脉冲电容器（C1）并联组成。

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