CN111180155B - 一种阻值可调的高压水电阻装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阻值可调的高压水电阻装置，该装置包括水电阻和用于调节电导率的水循环机构，该装置还包括绝缘管，所述水循环机构的进水口、出水口通过绝缘管分别与水电阻的两端连接从而构成循环通路；使用时绝缘管与水电阻处于高电位，水循环机构处于地电位；所述绝缘管长度满足公式：L≥1.5(2.8U‑0.26U²+1.35U³)，其中：L为绝缘管长度，单位m；U为绝缘管与水电阻电极连接点峰值电压，单位：MV。本发明的装置可以使水电阻灵活方便应用于各种高电压场合，能为实验室提供各种电压等级和阻值的电阻，大大减小实验室电阻采购成本投入，增大实验室空间利用率，有效解决了长时间持续高电压下所引起的阻值稳定性和精度差问题。

Description

一种阻值可调的高压水电阻装置

技术领域

本发明涉及高压试验领域，具体涉及一种阻值可调的高压水电阻装置。

背景技术

随着大容量远距离电力输送技术的快速发展，促进了高电压电力设备的技术发展，提高了对电力设备的质量检验要求。电力设备质量检验最直接有效的手段就是高电压试验，通过对各种电气产品、电器元件、绝缘材料等进行要求电压的性能试验，考核产品的性能水平，发现被试品的质量缺陷。

高电压电力设备产品种类繁多，试验各异，为了满足各种产品的高电压试验需要，高电压实验室需提供各种用途类型的电阻。现有高压试验室使用的干电阻和水电阻存在以下弊端：

1.现有干电阻弊端：

(1)现有干电阻电压等级和阻值固定，无法根据需要，灵活调节电阻，严重影响试验效果和效率，若购置多种电阻又将大大增加实验室的成本投入；

(2)现有干电阻采用电阻丝绕制绝缘筒方式，完全靠自然散热，这种方式使得电阻丝发热，烤化绝缘筒和电阻丝绝缘层，严重影响电阻使用寿命，无法长时间试验。

2.现有水电阻弊端：

(1)现有水电阻只能应用到电压等级低的场合，无法超过10kV电压等级，满足不了高电压试验场合使用要求，这种情况严重限制了水电阻的大范围使用；

(2)目前实验室使用的水电阻的阻值精度和稳定性差，易受水电阻发热和外界环境的影响而发生阻值变化，无法长期保持阻值稳定，满足不了阻值稳定性要求高的场合。

所以，急需一种调节精度高、稳定性强且适用于高电压应用场合的水电阻来满足高电压电力设备产品试验的需求。

发明内容

本发明提供了一种阻值可调的高压水电阻装置，以解决现有水电阻的阻值精度和稳定性差，无法应用于高电压场合的问题。

为解决上述技术问题，本发明的阻值可调的高压水电阻装置包括水电阻和用于调节电导率的水循环机构，该装置还包括绝缘管，所述水循环机构的进水口、出水口通过绝缘管分别与水电阻的两端连接从而构成循环通路；使用时绝缘管与水电阻处于高电位，水循环机构处于地电位；所述绝缘管的长度满足公式：L≥1.5(2.8U-0.26U²+1.35U³)，其中：L为绝缘管长度，单位：m；U为绝缘管与水电阻电极连接点峰值电压，单位：MV。

本发明的阻值可调的高压水电阻装置的有益效果是：本发明的水电阻装置在高电位水电阻和地电位水循环机构之间设计了绝缘管，并且根据水电阻装置应用场合的高电压水平来设置绝缘管的尺寸，巧妙有效解决了高电位水电阻和水循环机构之间的绝缘问题，很好的限制了高电位点对地之间的泄露电流。这种方式的引入可以使水电阻灵活方便应用于各种高电压场合，甚至数百万伏的高电压场合。通过水循环机构调节水电阻阻值，提高了阻值调节精度，能为实验室提供各种电压等级和数值的电阻，能为实验室节省大量电阻装置成本的投入，具有巨大经济效益，特别是对电阻种类和数值要求多变的实验室，更是带来高效可靠的解决方案，值得大力推广。

为了使水电阻装置在高电压应用场合安全可靠的使用，绝缘管截面积需满足公式：

其中：U为绝缘管与水电阻电极连接点峰值电压，单位：V；I为绝缘管水电阻泄漏电流，单位：A；S为绝缘管截面积，单位：㎡；L为绝缘管长度，单位：m；σ为电导率，单位：S/m。

为了有效解决水电阻长时间持续高压试验下易发热所引起的稳定性和精度差问题，所述水循环机构的循环管路上设置有电导率计、流量计、水泵、变频冷却器、离子交换柱及阀门，能快速自动准确调节水参数。

为了进一步提高对水电阻温度和电导率的有效调节，所述循环管路的主路通过第一三通阀分为两条水流支路，其中一条水流支路通过变频冷却器连通主路，另一条水流支路经过第二三通阀分为两条水流子支路，其中一条水流子支路通过离子交换柱连通主路，另外一条水流子支路直接连通主路，形成多个水通路。

为了能够精确的调节水电阻装置的温度，提高水电阻阻值调节的精确性和稳定性，所述水循环机构的循环管路上还设置有温度传感器；为了实现水压的检测，所述水循环机构的循环管路上还设置有压力传感器。

为了便于水循环机构的可靠补水和稳定运行，所述水循环机构的循环管路上还设置有高位水箱，所述高位水箱包括进水口、出水口和自动排气阀，所述出水口连接循环管路。

本着控制成本和满足使用条件的原则，所述绝缘管采用不导电橡胶材料软管。

为了使水电阻电位钳制可靠，所述水电阻两端电极为针式电极。

为了使水电阻装置能够适用于高电压应用场合，所述水电阻包括绝缘水管，绝缘水管为常见绝缘硬管，所述绝缘水管的长度计算公式为

其中：U₁为水电阻两端承受的峰值电压，单位：kV；绝缘水管长度L₁的单位：m。

为了使水电阻装置能够适用于高电压应用场合，绝缘水管截面积S₁＝L₁/σR，L₁为绝缘水管长度，单位：m；σ为电导率，单位：S/m；R为水电阻值，单位：Ω。

附图说明

图1本发明的阻值可调的水电阻装置的结构示意图；

图2本发明水循环机构的组成示意图；

图3本发明电极装置的外形图；

图4本发明绝缘管长度选择与电压的关系图；

图5本发明水循环参数PID控制流程示意图；

图6本发明水电阻装置作为保护电阻实施例电路图；

图7本发明水电阻装置的试验电压波形图；

图1、2中，1-绝缘水管，2-均压环，3-电极装置，4-绝缘管，5-水循环机构，6-水电阻，7-电导率计，8-压力传感器，9-温度传感器，10-流量计，11-水泵，12-自动排气阀，13-高位水箱，14-进水口，15-第一三通阀，16-第二三通阀，17-变频冷却器，18-离子交换柱，19-阀门，20-不锈钢管。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步详细的阐述。

如图1所示，本发明的可调的水电阻装置包括水电阻6及用于调节电导率的水循环机构5，该装置还包括绝缘管4，水循环机构5的进水口、出水口通过绝缘管4分别与水电阻6的两端连接从而构成循环通路；应用时绝缘管4与水电阻6处于高电位，水循环机构5处于地电位。

为了能够应用于高电压场合，本发明设计了绝缘管连接在水循环机构和水电阻之间，巧妙有效解决了高电位水电阻和水循环机构之间的绝缘问题，并且很好的限制了高电位对地之间的泄露电流。在具体应用时，根据应用要求选择绝缘管的尺寸，以满足高压场合的使用要求，下面对绝缘管的尺寸选择进行介绍：

1)绝缘管的材料选择：要求绝缘管材料是绝缘的，本着控制成本和满足使用条件的原则，本实施例优选常见的不导电橡胶材料软管，当然作为其他实施方式，也可以采用其他绝缘材料。

2)绝缘管的尺寸选择：

a)绝缘管长度选择

工作时，绝缘管是高电位水电阻与地之间连接的桥梁，绝缘管本身承受高电压。考虑水电阻的高电压应用场合，需要单独或同时耐受交流电压、直流电压、冲击电压的作用，按照最苛刻电压条件计算绝缘管长度L，计算式为L≥1.5(2.8U-0.26U²+1.35U³)，其中：U为绝缘管与水电阻电极连接点峰值电压，单位：MV；L为绝缘管长度，单位：m，对应结果曲线如图4所示。

b)绝缘管截面选择

从电阻值计算式R＝L/σS看出，绝缘管水电阻值跟截面直接相关，使用时，要求绝缘管水电阻泄漏电流小，一般要求不超过20mA。而绝缘管截面积由公式

计算，其中：U为绝缘管与水电阻电极连接点峰值电压，单位：V；I为绝缘管水电阻泄漏电流，单位：A；S为绝缘管截面积，单位：㎡；L为绝缘管长度，单位：m；σ为电导率，单位：S/m。

为适应高电压场合，水电阻的绝缘水管可以按照以下方式选择：

1)绝缘水管的材料选择，绝缘水管的水电阻就是本发明水电阻，考虑水电阻在高电压场合工作的稳定性，绝缘水管本身必须是绝缘的。

2)绝缘水管尺寸的选择：

a)绝缘水管长度选择

根据应用场合的电压要求，计算绝缘水管长度

其中：U₁为水电阻两端承受的峰值电压，单位：kV；L₁为绝缘水管长度，单位：m。

b)绝缘水管截面选择

根据所需阻值大小和所设置的电导率值，按照公式S₁＝L₁/σR，计算绝缘水管的截面积。

根据上述内容可知，水电阻的阻值计算公式为R＝L₁/σS₁。可见，水电阻的阻值除了跟绝缘水管尺寸有关外，只与电导率有关。由于绝缘水管尺寸是一定的，所以通过水循环机构改变循环水电导率，就可以调节水电阻的阻值。

图2给出了一种水循环机构，该水循环机构的循环管路上设置有电导率计7、流量计10、水泵11、变频冷却器17、离子交换柱18、温度传感器9、压力传感器8及阀门19(一般为电动阀)。水循环机构自动控制循环水的电导率、温度、流量等参数，自动准确控制离子交换柱18所在支路的水流量和变频冷却器17的冷却量，以调节循环水电导率和温度，达到对循环水电导率的精准控制，使电导率长期处于稳定，确保水电阻阻值在要求范围。

为了进一步提高对水电阻温度和电导率的有效调节，所述循环管路的主路通过第一三通阀分为两条水流支路，其中一条水流支路通过变频冷却器17连通主路，另一条水流支路经过第二三通阀分为两条水流子支路，其中一条水流子支路通过离子交换柱18连通主路，另外一条水流子支路直接连通主路，如图2所示。所述第一三通阀15、第二三通阀16均采用电动阀。

为了便于水循环机构的可靠补水和稳定运行，所述水循环机构的循环管路上还设置有高位水箱13，所述高位水箱13包括进水口、出水口和自动排气阀12，所述出水口连接循环管路。水循环机构的循环水不跟外接环境直接接触，保持密闭纯净状态，能根据需要自动补充水量，如图2所示。

本发明利用上述水循环机构实现水电阻阻值的高精度调节，调节时引入了循环水电导率、温度、流量的PID控制，PID具有控制鲁棒性好和可靠性高的优点，能够高精度控制循环水电导率、温度和流量参数。PID的工作原理是把循环水电导率、温度、流量目标值与实测值的差值PID运算后，输出模拟量动作信号给水循环机构的电动阀门和冷却风机变频器，最终把循环水电导率、温度、流量稳定在要求范围，达到最后高精度控制水电阻值的要求，PID控制流程如图5所示。

如图1所示，本发明的水电阻6包括绝缘水管1、电极装置3和均压环2，均压环2是连接金具，以悬挂整个水电阻6，同时均匀水电阻6本体电场，确保水电阻6端头不出现电晕放电。电极装置3是针式电极，是水电阻6的重要部分，安装到绝缘水管1两端，起到固定绝缘水管1端头电位的作用。电极装置3电位跟均压环2等电位，绝缘水管1两端电极之间的水电阻就是所需的电阻，电极装置3的外形如图3所示。

水电阻装置可以作为保护电阻、负载电阻、连接电阻和放电电阻等类型电阻使用。下面以水电阻装置在±500kV直流输电换流阀MVU雷电冲击电压试验中作为保护电阻的例子，来进一步阐述水电阻装置。

±500kV直流输电换流阀MVU雷电冲击电压试验要求：试验电压911kV，波形参数1.2/50μs，正负极性各3次。为了使试品晶闸管阀自身过压保护功能正常工作，通过100kV工频电源给晶闸管电子单元提供工作能量。由于100kV工频电源跟4800kV冲击电压发生器都是连接在MVU试品高压端，处于同一高电位，为了防止冲击电压对100kV工频电源造成损坏，在100kV工频电源前端串联236kΩ电阻对100kV工频电源进行保护。以本发明的水电阻装置做为236kΩ保护电阻，应用到±500kV直流输电换流阀MVU雷电冲击电压试验，水电阻装置具体电路连接见图6。

通过仿真计算得知236kΩ保护电阻两端最大雷电冲击电压888.3kV，按照前面绝缘水管和绝缘管的选择方法，考虑绝缘管泄漏电流15mA，通过计算得出水管尺寸如下：选择绝缘水管长度为3.5m，绝缘水管半径15cm，循环水电导率2.100μS/cm；绝缘管单根长度为6.5m，绝缘管半径为1.5cm。

选择好绝缘水管和绝缘管后，开始水电阻装置的连接。按照工作示意图1的要求，把两根绝缘管4连接到水电阻6两端，与水循环机构5形成水通路。考虑到水电阻6端头最大对地电位为911kV，通过绝缘吊绳把水电阻6的高电位部分悬吊到要求高度。然后按照图6所示电路，用高压引线把水电阻装置连接到试验电路。最后把两根绝缘管4的另一端接口分别连接到水循环机构5的进出水口，水循环机构5处于地电位。通过水循坏机构进水口14给管路补充水量，设置循环水流量50L/min，电导率2.100μS/cm，温度25℃，启动水循环机构5，自动排气阀12自动排空循环管路空气，按照设置的电导率、温度、流量等参数运行，通过自动控制阀门19、第一三通阀15、第二三通阀16、变频冷却器17的工作状态，以调节循环水电导率、温度和流量参数，使水电阻装置的水电阻值等于236kΩ。

使用本发明的水电阻装置顺利完成了±500kV高压直流输电工程换流阀进行了MVU雷电冲击试验，试验电压波形如图7，做到了对100kV工频电源的有效可靠保护。

以上给出的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种阻值可调的高压水电阻装置，该装置包括水电阻和用于调节电导率的水循环机构，其特征在于，该装置还包括绝缘管，所述绝缘管的截面积满足公式：

其中：U为绝缘管与水电阻电极连接点峰值电压，单位：V；I为绝缘管水电阻泄漏电流，单位：A；S为绝缘管截面积，单位：㎡；L为绝缘管长度，单位：m；σ为电导率，单位：S/m；所述水循环机构的进水口、出水口通过绝缘管分别与水电阻的两端连接从而构成循环通路；使用时绝缘管与水电阻处于高电位，水循环机构处于地电位；绝缘管长度需满足公式：L≥1.5(2.8U-0.26U²+1.35U³)，其中：L为绝缘管长度，单位：m；U为绝缘管与水电阻电极连接点峰值电压，单位：MV。

2.根据权利要求1所述的阻值可调的高压水电阻装置，其特征在于，所述水循环机构的循环管路上设置有电导率计、流量计、水泵、变频冷却器、离子交换柱和阀门。

3.根据权利要求2所述的阻值可调的高压水电阻装置，其特征在于，所述循环管路的主路通过第一三通阀分为两条水流支路，其中一条水流支路通过变频冷却器连通主路，另一条水流支路经过第二三通阀分为两条水流子支路，其中一条水流子支路通过离子交换柱连通主路，另外一条水流子支路直接连通主路。

4.根据权利要求1所述的阻值可调的高压水电阻装置，其特征在于，所述水循环机构的循环管路上设置有温度传感器和压力传感器。

5.根据权利要求1所述的阻值可调的高压水电阻装置，其特征在于，所述水循环机构的循环管路上设置有高位水箱，所述高位水箱包括进水口、出水口和自动排气阀，所述出水口连接循环管路。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的阻值可调的高压水电阻装置，其特征在于，所述绝缘管采用不导电橡胶材料软管。

7.根据权利要求1所述的阻值可调的高压水电阻装置，其特征在于，所述水电阻的电极为针式电极。

8.根据权利要求1所述的阻值可调的高压水电阻装置，其特征在于，所述水电阻包括绝缘水管，所述绝缘水管为绝缘硬管，绝缘水管长度

其中：U₁为水电阻两端承受的峰值电压，单位：kV；绝缘水管长度L₁的单位：m。

9.根据权利要求8所述的阻值可调的高压水电阻装置，其特征在于，绝缘水管截面积S₁＝L₁/σR，L₁为绝缘水管长度，单位：m；σ为电导率，单位：S/m；R为水电阻值，单位：Ω。

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