CN112394268B - 一种冲击电压截波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冲击电压截波装置，属于高电压试验技术领域。该装置包括串联的多级球间隙，多级球间隙中至少第一级球间隙设置为电触发球间隙，其余球间隙设置为光触发球间隙，电触发球间隙用于接收高压触发信号以实现电触发球间隙的击穿放电，光触发球间隙用于接收与高压触发信号同步的光触发信号以实现光触发球间隙与电触发球间隙的同步击穿放电，完成冲击电压截断。该装置中电触发球间隙通过高压触发信号触发，光触发球间隙通过光触发信号触发，所有球间隙都是主动触发。该装置采用了电触发和光触发结合方式，更精准控制截断时间，控制截断时间误差<1μs，解决截断时间控制分散性大的问题，而且该装置操作方便，还提高了截波试验的成功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种冲击电压截波装置，属于高电压试验技术领域。
背景技术
随着大容量远距离电力输送技术的快速发展，电力装备的技术也在同步发展着，进而电力装备的检测试验要求和技术也在提高。根据IEC和GB标准要求，电网运行的电力装备产品都要进行高电压试验，主要包括交、直流耐压试验、冲击电压试验、雷电冲击电压截波试验和局部放电试验等等。冲击电压截波试验主要考核被试品耐受各种雷电过电压的绝缘性能，很多电力装备产品都要求进行冲击电压截波试验。
目前国内的冲击电压截波装置，都是依靠第一级球间隙的高电压脉冲信号触发，促使其他球间隙自过压击穿，最后完成整个截波装置的击穿放电。这种截波装置仅且只有第一级球间隙是主动触发击穿，而剩下其他的串联球间隙并没有主动触发功能，只靠被动过电压击穿。这种截波装置受到电路分布参数影响、元件参数误差和球间隙击穿时延的影响，很容易出现截波装置自截、自放或延时不稳定，也即延时不可控。而且球间隙距离越大，自身过电压击穿时延越长，分散性越大，截断时间控制准确度和稳定性越差，误差≥1us，最后的结果就是截波试验成功率较低。如果要实现延时精准控制，则需要全部主动触发，但是面临的问题是无法解决触发控制电路本身与被控电触发球间隙之间的高压绝缘问题，因为球间隙对地的电位逐级升高，且每级球间隙之间有不小于100kV的电压差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冲击电压截波装置，用以解决现有截波装置延时不能精准控制的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种冲击电压截波装置，包括串联的多级球间隙，多级球间隙中至少第一级球间隙设置为电触发球间隙，其余球间隙设置为光触发球间隙，所述电触发球间隙用于接收高压触发信号以实现电触发球间隙的击穿放电，所述光触发球间隙用于接收与高压触发信号同步的光触发信号以实现光触发球间隙与电触发球间隙的同步击穿放电，完成冲击电压截断。
有益效果是：该装置中电触发球间隙通过高压触发信号触发，光触发球间隙通过光触发信号触发，高压触发信号与光触发信号同时触发，并且所有球间隙都是主动触发。该装置采用了电触发和光触发结合方式，更精准控制截断时间，控制截断时间误差<1μs，解决截断时间控制分散性大的问题，而且该装置操作方便，还提高了截波试验的成功率，有着非常广阔的应用前景。
进一步的，为了解决绝缘问题和干扰问题，多级球间隙中仅第一级球间隙设置为电触发球间隙，其余球间隙均设置为光触发球间隙，第一级电触发球间隙的下半球电极直接接地，处于地电位。
进一步的，为了实现光触发球间隙的触发击穿，光触发球间隙包括光触发器和光触发球间隙的半球电极，所述光触发器设置在光触发球间隙的半球电极上以接收光触发信号实现光触发球间隙的击穿放电。
进一步的，为了实现电触发球间隙的触发击穿，电触发球间隙包括电触发器和电触发球间隙的半球电极，所述电触发器设置在电触发球间隙的半球电极上以接收高压触发信号实现电触发球间隙的击穿放电。
进一步的，为了实现各球间隙的间隙距离的调节，各球间隙的半球电极均包括上半球电极和下半球电极，上半球电极均固定在一个绝缘杆体上，绝缘杆体的底部设置有电机用于传动连接绝缘杆体；绝缘杆体上等间距设置有若干个悬伸件，每个悬伸件固定所述上半球电极上，绝缘杆体的底部设有一个驱动绝缘杆体上下运动的传动机构，电机驱动该传动机构以实现上半球电极和下半球电极之间距离的调节。
进一步的，各球间隙的上半球电极和下半球电极之间通过电阻并联有均压电容。
进一步的，为了便于该装置的移动，串联的多级球间隙设置在一个可移动的支架结构上。
进一步的，为了均压高压端电场，串联的多级球间隙的顶部设置有用于均压高压端电场的均压环。
附图说明
图1为本发明冲击电压截波装置示意图；
图2为本发明电触发球间隙示意图；
图3为本发明光触发球间隙示意图；
图4为本发明进行冲击电压截波试验的试验装置示意图；
图5为本发明±800kV直流套管进行冲击电压截波试验的波形图；
图中：1为滚轮，2为底座，3为电机装置，4为触发脉冲盒，5为高压电缆，6为传输光纤，7为绝缘传动杆，8、20为电容，9、19为电阻，10为均压环，11为电触发球间隙的半球电极，12为触发针，13为软连接导线，14为光触发球间隙的半球电极，15为聚焦透镜，16为靶电极，17为激光束，18为激光器，L1、L2、L3、L4、…、Ln为第一级、第二级、第三级、第四级、…、第n级球间隙，P为截波控制信号。
具体实施方式
冲击电压截波装置实施例：
本实施例提出的冲击电压截波装置，如图1、图2、图3所示，包括从下到上(也即从低电位到高电位排序)依次串联的第一级球间隙L1、第二级球间隙L2、第三级球间隙L3、第四级球间隙L4、…、第n级球间隙Ln，具体的，为了解决绝缘和干扰问题，第一级球间隙L1为电触发球间隙，第二级球间隙L2、第三级球间隙L3、第四级球间隙L4、…、第n级球间隙Ln为光触发球间隙；还包括激光器18、触发脉冲盒4，激光器18通过传输光纤6与触发脉冲盒4、各光触发球间隙连接，触发脉冲盒4通过高压电缆5与电触发球间隙连接。当然，作为其他实施方式，在n个球间隙中，电触发球间隙和光触发球间隙的数量设置，需要考虑电触发球间隙与其触发脉冲产生电路之间的绝缘问题，不能无限制的设置。
触发脉冲盒4是一个密闭金属盒，盒子里面有触发脉冲产生电路，该电路接收激光器18的激光信号产生高压触发脉冲，金属密闭盒本身屏蔽外界电磁干扰。
激光器18是激光信号发生器，接收截波控制信号P的指令后发出纳秒级激光，并通过传输光纤6将激光进行传输。
激光器18接收到截波控制信号P后发出激光信号，触发脉冲盒4接收到激光信号后，发出高压触发脉冲，电触发球间隙在高压触发脉冲的作用下击穿放电，各光触发球间隙在激光信号的作用下击穿放电，该装置的各级球间隙在电触发和光触发的共同作用下，同时击穿放电，完成冲击电压截断。
电触发球间隙包括电触发球间隙的半球电极11、电阻9、电容8、触发针12(即电触发器)、软连接导线13和高压电缆5，电触发球间隙的半球电极11包括上半球电极和下半球电极，上半球电极和下半球电极均为空心电极，触发针12设置在下半球电极中间，与下半球电极绝缘，通过间隙隔开，间隙的距离为3mm，并且触发针12与高压电缆5连接，下半球电极直接接地，上半球电极通过软连接导线13与电阻9连接，电容8通过电阻9并联在上半球电极和下半球电极之间，电容8为均压电容。触发针12通过高压电缆5接收触发脉冲盒4发出的高压触发脉冲后触发电触发球间隙，促使电触发球间隙击穿。
光触发球间隙包括光触发球间隙的半球电极14、电阻9和电阻19、电容20、软连接导线13、传输光纤6、聚焦透镜15，靶电极16(即光触发器)，光触发球间隙的半球电极14包括上半球电极和下半球电极，上半球电极和下半球电极均为空心电极，各光触发球间隙串联连接，形成串联间隙，靶电极16设置在上半球电极上，凹陷于上半球电极的球面5mm，聚焦透镜15固定在下半球电极的球体内，并且传输光纤6穿入下半球电极球体内，上半球电极通过软连接导线13与电阻19连接，电容20与电阻9和电阻19串联，并且通过电阻9和电阻19并联在上半球电极和下半球电极之间，电容20为均压电容。传输光纤6将激光信号传输至下半球电极球体内，聚焦透镜15将激光信号聚焦后形成激光束17，激光束17照射到上半球电极的靶电极16上，靶电极16在激光束17的照射下，产生等离子体，等离子体在电场的作用下，加速向电极运动，产生足够的等离子体，促使光触发球间隙导通放电。靶电极16材料的熔点和功函数相对较低，具有较好的导热性能。
为了实现各球间隙之间间隙距离的调节，该装置还包括球距调节结构，球距调节结构包括绝缘传动杆7(即绝缘杆体)和设置在绝缘传动杆7底部的电机装置3(即电机)绝缘传动杆7的底部设置有一个驱动绝缘传动杆7的传动机构，电机装置3通过摆线针轮行星减速机和传动机构控制绝缘传动杆7上下运动；绝缘传动杆7上等间距设置有与球间隙数量相同的若干个悬伸件，每个悬伸件固定到各球间隙的其中一个半球电极上，可以是上半球电极也可以是下半球电极，本实施例是固定在上半球电极上，保证每个球间隙都能同时调节，且各球间隙距离一致，并且电机装置3是根据截断电压的高低通过控制摆线针轮行星减速机的正转和反转来增大或者减小球间隙的间距。
为了便于该装置的支撑和移动，该装置还包括支架结构，支架结构包括移动结构-滚轮1、支撑结构-底座2，电触发球间隙、各光触发球间隙和球距调节结构等上述所提到的硬件设备都放置在底座2上，底座2的下表面设置滚轮1，电触发球间隙的下半球电极连接到底座2后接地。
为了均压高压端电场，该装置还包括均压环10，均压环10设置在该装置的顶部，与最后一级的光触发球间隙连接，并且通过支撑结构(图中未画出)进行固定。
如图4所示，该装置是用于配合冲击电压发生器进行截波试验的。首先把冲击电压发生器及其测量回路与被试品相连，然后把本发明的冲击电压截波装置并联连到被试品的高压端和地端之间，该装置的截波控制信号P的输入接口连接到冲击电压发生器的截波控制信号P的输出接口，搭建成一个完整的冲击电压截波试验回路。除此之外，回路中还可能涉及其他的电路结构，由于这些电路结构与本发明的发明点无关，这里就不再具体介绍。
以下以被试品为±800kV直流套管为例对截波试验的试验过程进行描述：
对±800kV直流套管进行雷电冲击电压截波试验，试验要求雷电冲击截波电压为-2159kV，截波次数为5次，截断时间在2～4μs。从试验要求看，±800kV直流套管截波电压非常高，截断时间范围要求非常小，试验难度较高，该试验的难点和关键点就是截断时间的精准控制，截断时间的精准控制可以通过本发明的冲击电压截波装置实现。
首先，根据±800kV直流套管的雷电冲击电压截波试验电压、冲击电压发生器和±800kV直流套管的尺寸，确定试验设备和被试品的空间位置，保证有足够的绝缘距离。确认使用本发明截波装置的球间隙级数，截波电压为-2159kV，确认球间隙使用级数为16级。按照图4所示电路，将冲击电压发生器及其测量回路、冲击电压截波装置和±800kV直流套管进行连接，搭建完整试验回路。
其次，对所搭建的试验回路进行调波，调整冲击电压发生器本体的波头电阻Rf和波尾电阻Rt，让冲击电压发生器施加到±800kV直流套管上的冲击电压波形符合雷电冲击电压波形要求：波头时间1.2μs(1±30％)，波尾时间波头时间50μs(1±20％)。在50％试验电压～90％试验电压范围之内，改变冲击电压发生器本体电容C1的充电电压，逐步提高试验电压到要求的100％试验电压，检查每一次调试的雷电冲击电压波头波尾时间，要求试验回路参数不变情况下，无论电压高低，施加到被试品上的雷电冲击电压波形应基本一致。
然后，由于50％雷电冲击电压值为-1079.5kV，调节冲击电压截波装置的球间隙稍大于50％雷电冲击电压的击穿间隙距离，确保冲击电压截波装置不会自放电截断。准备工作完成后，启动冲击电压发生器，开始冲击电压发生器本体电容C1充电，当充电完成后，试验人员发出冲击电压发生器点火触发指令，冲击电压发生器本体电容C1通过电阻Rf给被试品±800kV直流套管充电，形成被试品上的雷电冲击电压。与此同时，在冲击电压发生器点火触发指令的瞬间，冲击电压发生器发出一个延时3μs的冲击电压截断控制信号(即截波控制信号P)至冲击电压截波装置中激光器18的控制信号输入接口，激光器18收到信号的同时发出纳秒级激光信号，通过传输光纤6传送至触发脉冲盒4和光触发球间隙的半球电极14的下半球电极中的聚焦透镜15上。触发脉冲盒4接收到激光器18发出的激光信号后，瞬间发出高压(即高电压)触发脉冲，通过高压电缆5传送给电触发球间隙的半球电极11的下半球电极中的触发针12，触发针12触发上半球电极和下半球电极之间间隙瞬间击穿放电。与此同时激光信号在聚焦透镜15的作用下，照射到光触发球间隙的半球电极14的上半球电极中的靶电极16上，靶电极16瞬间产生初始等离子体，促使光触发球间隙击穿。整个截波装置的所有球间隙在电触发和光触发的结合作用下，同时完成击穿放电，完成一次雷电冲击电压的截波试验，确认截断时间在要求范围之内，满足试验要求，成功完成50％雷电冲击电压截波试验。
最后，逐步提高冲击电压发生器本体电容C1的充电电压，直至冲击电压发生器输出电压达到±800kV直流套管要求的截波电压-2159kV，按照50％雷电冲击电压截波试验的操作流程进行100％雷电冲击电压截波试验，顺利完成了±800kV直流套管雷电冲击电压截波试验，试验设置的截断时间是3μs，实际试验的截断时间Tc是3.21μs，截波电压为试验电压波形如图5所示，完美做到精准控制截断时间，试验成功率100％。
该装置与过去的截波装置相比，特别之处在于所有球间隙都是主动触发，采用了电触发和光触发结合方式，控制截断时间误差<1μs，具有操作方便、截断时间控制准确可靠、不受外界电磁干扰的优点，解决了过去的截波装置易出现自截、自放或延时不稳定，分散不准确的问题。
Claims (8)
1.一种冲击电压截波装置，包括从低电位到高电位依次串联的多级球间隙，其特征在于，所述球间隙包括电触发球间隙和光触发球间隙，所述电触发球间隙设置在低电位，光触发球间隙设置在高电位，该装置还包括激光器、触发脉冲产生电路，激光器通过光纤分别连接触发脉冲产生电路和各光触发球间隙，所述触发脉冲产生电路通过电缆连接电触发球间隙；所述电触发球间隙用于接收触发脉冲产生电路产生的高压触发信号以实现电触发球间隙的击穿放电，所述光触发球间隙用于接收与高压触发信号同步的光触发信号以实现光触发球间隙与电触发球间隙的同步击穿放电，完成冲击电压截断。
2.根据权利要求1所述的冲击电压截波装置，其特征在于，多级球间隙中仅第一级球间隙设置为电触发球间隙，其余球间隙均设置为光触发球间隙。
3.根据权利要求1所述的冲击电压截波装置，其特征在于，光触发球间隙包括光触发器和光触发球间隙的半球电极，所述光触发器设置在光触发球间隙的半球电极上以接收光触发信号实现光触发球间隙的击穿放电。
4.根据权利要求1所述的冲击电压截波装置，其特征在于，电触发球间隙包括电触发器和电触发球间隙的半球电极，所述电触发器设置在电触发球间隙的半球电极上以接收高压触发信号实现电触发球间隙的击穿放电。
5.根据权利要求3或4所述的冲击电压截波装置，其特征在于，各球间隙的半球电极均包括上半球电极和下半球电极，上半球电极均固定在一个绝缘杆体上，绝缘杆体的底部设置有电机用于传动连接绝缘杆体；绝缘杆体上等间距设置有若干个悬伸件，每个悬伸件固定所述上半球电极上，绝缘杆体的底部设有一个驱动绝缘杆体上下运动的传动机构，电机驱动该传动机构以实现上半球电极和下半球电极之间距离的调节。
6.根据权利要求5所述的冲击电压截波装置，其特征在于，各球间隙的上半球电极和下半球电极之间通过电阻并联有均压电容。
7.根据权利要求1所述的冲击电压截波装置，其特征在于，串联的多级球间隙设置在一个可移动的支架结构上。
8.根据权利要求1所述的冲击电压截波装置，其特征在于，串联的多级球间隙的顶部设置有用于均压高压端电场的均压环。
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