CN112531464B - 一种直流电力系统用避雷器控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电力系统用避雷器控制方法及装置，当出现电力系统过电压时，可控间隙的等离子体注入系统接收动作指令，向可控间隙持续喷射等离子体，等离子体射流喷射期间，可控间隙均处于自持的低电阻状态，将避雷器可控部分电压钳位至零，母线电压加载在避雷器固定部分两端。等离子体射流停止注入后，可控间隙绝缘恢复到未注入等离子体时的高电阻状态，母线电压加载在避雷器两端。本发明成本低，结构简单，可靠性高，在过电压倍数很低的情况下便能及时投入可控避雷器限压吸能，能有效实现可控避雷器稳态下低荷电率和暂态下低残压。

Description

一种直流电力系统用避雷器控制方法及装置

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种直流电力系统用避雷器控制方法及装置。

背景技术

避雷器是电力系统中常见的电力设备，其作用是限制电力系统中的过电压。随着电网电压等级的提升以及直流输电的兴起，在很多情况下(如直流线路交流侧发生接地故障导致换向失败)现有常用的氧化锌避雷器限制过电压的性能达不到保护电力系统稳定运行的要求，为了获得更优异的过电压限制的性能，可以采用可控避雷器。

针对这一情况，现有可控避雷器的几种方案：

①避雷器的可控部分两端并联机械开关。其动作速度慢，难以快速响应；

②避雷器的可控部分两端并联半导体开关。半导体开关成本较高，且进入并维持低阻抗导通状态需要外部回路持续供给大于mA级的擎住电流电流，否则无法进入自持；

③避雷器的可控部分并联自击穿气体间隙。气体间隙的击穿取决于施加在间隙两端的电压，分散性较大。避雷器电压与系统电压有关，当系统电压较低时，避雷器的固定部分电阻极大，流经间隙的电流极小，使得间隙导通时间短，电弧无法自持；

④避雷器的可控部分并联气体触发间隙。强制触发的方式可控制间隙的导通，提高间隙的动作可靠性。但当系统电压较低时，由于避雷器的固定部分电阻极大，流经间隙的电流极小，间隙导通时间短、发生熄弧的问题仍未解决。

⑤避雷器的可控部分并联带RC续流回路的气体触发间隙。在强制触发间隙以后，通过RC续流回路放电可使间隙的电弧得以维持。RC续流回路影响避雷器的可控部分和固定部分的电压分压，且需要接入系统取能，难以平衡快速取能和提供足量续流的问题，受制于取能效率，存在动作死区。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种直流电力系统用避雷器控制方法及装置，可控间隙并联在避雷器可控部分两端，正常工况下无动作指令，可控间隙处于高电阻状态，可控间隙的电阻值远大于避雷器固定部分和避雷器可控部分的电阻值，母线电压加载在避雷器两端。当出现电力系统过电压时，可控间隙的等离子体注入系统接收动作指令，向可控间隙持续注入等离子体，等离子体注入期间，可控间隙均处于自持的低电阻状态，将避雷器可控部分电压钳位至接近于零，母线电压加载在避雷器固定部分两端。等离子体射流停止注入后，可控间隙绝缘恢复到未注入等离子体时的高电阻状态，母线电压加载在避雷器两端。可控间隙通过动态改变避雷器的伏安特性，限制电力系统过电压。可控间隙电阻状态切换的特性不依赖于外部回路提供能量，也不受制于外部回路参数的影响。其成本低，结构简单，可靠性高，能有效实现可控避雷器稳态下低荷电率和暂态下低残压。

本发明采用以下技术方案：

一种直流电力系统用避雷器控制方法，在母线和地线之间串联避雷器固定部分和避雷器可控部分，避雷器可控部分的两端并联可控间隙，可控间隙处于高电阻状态，可控间隙的电阻值远大于避雷器固定部分和避雷器可控部分的电阻值，母线电压加载在避雷器两端，当出现电力系统过电压时，可控间隙的等离子体注入系统接收动作指令，向可控间隙持续喷注入离子体，等离子体注入期间，可控间隙处于自持的低电阻状态，将避雷器可控部分电压钳位至零，母线电压加载在避雷器固定部分两端，等离子体射流停止注入后，可控间隙绝缘恢复到未注入等离子体时的高电阻状态，母线电压加载在避雷器两端，可控间隙通过动态改变避雷器的伏安特性限制电力系统过电压。

具体的，等离子体注入系统接收到接收动作指令后，驱动电源控制等离子体注入系统产生持续的等离子体射流注入可控间隙中，使得可控间隙在等离子体注入系统工作期间始终维持低电阻状态，持续时间为5～25ms。

本发明的另一个技术方案是，一种直流电力系统用避雷器控制装置，利用所述的直流电力系统用避雷器控制方法，包括避雷器固定部分，避雷器固定部分的一端和母线连接，另一端经避雷器可控部分接地连接；可控间隙并联在避雷器可控部分的两端；等离子体注入系统设置在可控间隙内部。

具体的，可控间隙包括绝缘套筒，绝缘套筒内部对应设置有间隙第一电极和间隙第二电极，间隙第一电极和间隙第二电极分别与避雷器外部回路连接。

进一步的，等离子体注入系统包括等离子体发生装置和驱动电源，等离子体发生装置安装在间隙第二电极上，与驱动电源连接。

具体的，可控间隙内部填充有气体介质，气体介质为空气、氮气、六氟化硫或氮气与六氟化硫混合气体。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种直流电力系统用避雷器控制方法，将可控间隙并联在避雷器可控部分两端，正常工况下无动作指令，可控间隙处于高电阻状态，可控间隙的电阻值远大于避雷器固定部分和避雷器可控部分的电阻值，母线电压加载在避雷器两端。当出现电力系统过电压时，可控间隙的等离子体注入系统接收动作指令，向可控间隙持续注入等离子体，等离子体注入期间，可控间隙均处于自持的低电阻状态，将避雷器可控部分电压钳位至接近于零，母线电压加载在避雷器固定部分两端。等离子体停止注入后，可控间隙绝缘恢复到未注入等离子体时的高电阻状态，母线电压加载在避雷器两端。可控间隙根据动作指令，动态改变避雷器的伏安特性，限制电力系统过电压。可控间隙电阻状态切换的特性不依赖于外部回路提供能量，也不受制于外部回路参数的影响。其成本低，结构简单，可靠性高，能有效实现可控避雷器稳态下低荷电率和暂态下低残压。

进一步的，在极低的电力系统过电压下，本发明提供的可控间隙仍能可靠工作。其中极低的电力系统过电压指在可控间隙接收动作指令前，使得流过避雷器固定部分的电流小于或等于1mA的母线电压。过电压倍数较高时，普通间隙在转入低电阻状态以后，通过吸收外回路注入的能量长时间维持燃弧不熄灭；但在过电压倍数较低时，外回路注入能量受到避雷器阀片限制，普通间隙的电弧由于供能不足极易熄灭，普通间隙难以维持低电阻状态。本发明提供的可控间隙在极低的电力系统过电压下，由等离子体注入系统接收动作指令，向可控间隙内持续注入等离子体，通过自身等离子体注入系统性能即可使得可控间隙自持、长时间地保持在低电阻状态，从而在极低的过电压倍数下仍能有效限制电力系统过电压。

一种直流电力系统用避雷器控制装置，等离子体注入系统由等离子体发生装置和驱动电源构成。接收动作指令后，驱动电源输出，并为等离子体发生装置持续产生大量等离子体的过程提供能量。等离子体发生装置向可控间隙内部持续注入等离子体，使得可控间隙在等离子体注入系统工作期间始终维持低电阻状态，实现不依赖外部条件自持地保持可控间隙的低电阻特性，持续时间5～25ms，填补了并联在避雷器可控部分两端的机械开关动作速度慢而带来的动作死区，同时也避免了成本高昂的复杂半导体开关的大量使用。

进一步的，间隙第一电极和间隙第二电极安装于绝缘套筒内部，分别与避雷器外部电路相连，是为了形成一个封闭的气体介质环境。等离子体发生装置安装在间隙第二电极上，是为了可靠地将等离子体注入到两电极之间，保证等离子体发生装置动作后间隙第一电极和间隙第二电极形成的气体间隙能够有效地转入低电阻状态，气体介质为干燥空气、氮气、六氟化硫或氮气与六氟化硫混合气体，综合考虑了可控间隙的绝缘性能、可控间隙内部介质环境的理化性质等因素。

综上所述，本发明将可控间隙并联在避雷器可控部分，通过接收动作指令，由等离子体注入系统的驱动电源控制等离子体发生装置向可控间隙内持续注入等离子体使得间隙维持在低电阻状态，钳制可控部分两端电压，动态改变避雷器伏安特性，可有效限制电力系统过电压，具有成本低，结构简单，可靠性高，能有效实现可控避雷器稳态下低荷电率和暂态下低残压的优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明工作原理框图；

图2为本发明装置结构示意图；

图3为不同结构和产气材料下的等离子体注入系统示意图，其中，(a)为产气材料为氮气的单间隙等离子体发生装置，(b)为产气材料为氮气的双间隙等离子体发生装置，(c)为产气材料为固体的单间隙等离子体发生装置，(d)为产气材料为固体的双间隙等离子体发生装置；

图4为六个等离子体注入系统工作的典型高速摄影图。

其中：1.避雷器固定部分；2.避雷器可控部分；3.可控间隙；4.等离子体发生装置；5.驱动电源；6.绝缘套筒；7.间隙第一电极；8.间隙第二电极；9.等离子体发生装置第一电极；10.等离子体发生装置第二电极；11.等离子体发生装置第三电极；12.产气材料。

具体实施方式

本发明提供了一种用于直流电力系统的避雷器控制方法及装置，具有低阻抗自持特性的可控间隙并联在避雷器可控部分两端，接收动作指令后由驱动电源控制等离子体发生装置向可控间隙内持续注入等离子体，使可控间隙整体电阻维持在低电阻状态，不依赖于外部回路的额外供能，也不受外部回路参数的影响。可控间隙动作且与避雷器可控部分并联，总体呈现低电阻状态，并与避雷器固定部分串联分压，使得绝大部分电压施加在避雷器固定部分上，动态改变了避雷器伏安特性，可有效限制电力系统过电压。

请参阅图1，本发明一种用于直流电力系统的避雷器控制方法的工作原理如图所示。正常工况下无动作指令，可控间隙处于高电阻状态，可控间隙的电阻值远大于避雷器固定部分和避雷器可控部分的电阻值，母线电压加载在避雷器两端。当出现电力系统过电压时，可控间隙的等离子体注入系统接收动作指令，向可控间隙持续注入等离子体，等离子体注入期间，可控间隙均处于自持的低电阻状态，将避雷器可控部分电压钳位至接近于零，母线电压加载在避雷器固定部分两端。等离子体射流停止注入后，可控间隙绝缘恢复到未注入等离子体时的高电阻状态，母线电压加载在避雷器两端。可控间隙通过动态改变避雷器的伏安特性，限制电力系统过电压。可控间隙电阻状态切换的特性不依赖于外部回路提供能量，也不受制于外部回路参数的影响。

其中，高电阻状态是指在无动作指令时可控间隙的状态或等离子体射流停止注入后可控间隙绝缘恢复的状态，此时可控间隙的电阻值远大于避雷器固定部分和避雷器可控部分的电阻值，可控间隙与避雷器可控部分的并联电阻值接近于避雷器可控部分电阻值，使得避雷器可控部分并联可控间隙后几乎不改变母线电压在避雷器固定部分和避雷器可控部分的分压。而低电阻状态，是指有动作指令时，等离子体注入系统开始工作后的状态，此时可控间隙的电阻值远小于避雷器固定部分和避雷器可控部分的电阻值，从而让母线电压全部加载在避雷器固定部分两端，将避雷器可控部分两端电压钳位至接近于零。

请参阅图2，本发明一种用于直流电力系统的避雷器控制装置，包括避雷器固定部分1、避雷器可控部分2和可控间隙3。避雷器固定部分1的一端和母线连接，另一端和避雷器可控部分2的一端相连。避雷器可控部分2的另一端接地。可控间隙3并联在避雷器可控部分2两端。

可控间隙3内部设置等离子体注入系统，包括等离子体发生装置4和驱动电源5，等离子体发生装置4与驱动电源5连接；利用驱动电源5控制等离子体发生装置4向可控间隙内部持续注入等离子体，使可控间隙进入自持的低电阻状态，动态改变避雷器伏安特性，进而限制母线过电压。

可控间隙3包括绝缘套筒6，间隙第一电极7和间隙第二电极8，间隙第一电极7和间隙第二电极8安装于绝缘套筒6内部，分别与避雷器外部回路连接。等离子体发生装置4安装在间隙第二电极8上。可控间隙3的内部充有气压为1～2个标准大气压的气体介质，包括但不限于干燥空气、氮气、六氟化硫、以及氮气与六氟化硫混合气体。

请参阅图3，为不同结构和产气材料下的等离子体注入系统示意图。等离子体注入系统是使得可控间隙具备自持的低电阻特性的关键。其中，驱动电源5可为脉冲电源、直流电源或高压发生器。等离子体发生装置4可为单间隙结构或双间隙结构，通过烧蚀产气材料12产生大量等离子体。产气材料12为氮气或固体，而固体产气材料主要有聚乙烯或聚四氟乙烯。图3(a)为产气材料为氮气的单间隙等离子体发生装置，图3(b)为产气材料为氮气的双间隙等离子体发生装置，图3(c)为产气材料为固体的单间隙等离子体发生装置，图3(d)为产气材料为固体的双间隙等离子体发生装置。

请参阅图3(a)，单间隙结构包括等离子体发生装置第一电极9和等离子体发生装置第二电极10，等离子体发生装置第一电极9和等离子体发生装置第二电极10分别安装在气体通道上，既作为触发间隙，又作为主放电间隙，驱动电源5作用于单间隙结构后产生的电弧由驱动电源5持续供能维持，能充分烧蚀氮气，产生大量等离子体。

请参阅图3(b)，双间隙结构包括等离子体发生装置第一电极9、等离子体发生装置第二电极10和等离子体发生装置第三电极11，等离子体发生装置第一电极9、等离子体发生装置第二电极10和等离子体发生装置第三电极11分别安装在气体通道上。

其中，等离子体发生装置第一电极9和等离子体发生装置第二电极10构成触发间隙；等离子体发生装置第一电极9和等离子体发生装置第三电极11构成主放电间隙，驱动电源作用于触发间隙产生的初始电弧不断发展直至贯通主放电间隙，形成连通主放电间隙的电弧并由驱动电源5持续供能维持，能充分烧蚀氮气，产生大量等离子体。

请参阅图3(c)，单间隙结构包括等离子体发生装置第一电极9和等离子体发生装置第二电极10，等离子体发生装置第一电极9和等离子体发生装置第二电极10分别安装在固体产气材料形成的管壁通道上，既作为触发间隙，又作为主放电间隙，驱动电源5作用于单间隙结构后产生的电弧由驱动电源5持续供能维持，能充分烧蚀固体产气材料，产生大量等离子体。

请参阅图3(d)，双间隙结构包括等离子体发生装置第一电极9、等离子体发生装置第二电极10和等离子体发生装置第三电极11，等离子体发生装置第一电极9、等离子体发生装置第二电极10和等离子体发生装置第三电极11分别安装在固体产气材料形成的管壁通道上。

其中，等离子体发生装置第一电极9和等离子体发生装置第二电极10构成触发间隙；等离子体发生装置第一电极9和等离子体发生装置第三电极11构成主放电间隙，驱动电源作用于触发间隙后产生的初始电弧不断发展直至贯通主放电间隙，形成连通主放电间隙的电弧并由驱动电源5持续供能维持，能充分烧蚀固体产气材料，产生大量等离子体。

接收外部动作指令后，驱动电源5作用于等离子体发生装置4并为这一过程持续供能，在给定时间内维持等离子体发生装置4内部电弧的可靠燃烧，由此持续产生大量等离子体，并将其注入到可控间隙3内部，即间隙第一电极7和间隙第二电极8之间，形成高电导率的放电通道，从而使得可控间隙3实现不依赖于外回路额外提供能量，不受制于外回路参数变化的影响，自身就能在长时间内持续保持低电阻特性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。用于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图2，一种用于直流电力系统的避雷器控制装置，包括避雷器固定部分、避雷器可控部分和可控间隙。避雷器固定部分一端和母线相连，另一端和避雷器可控部分的一端相连。避雷器可控部分的另一端接地。可控间隙并联在避雷器可控部分两端。

可控间隙内部设置等离子体注入系统，包括等离子体发生装置和驱动电源，等离子体发生装置与驱动电源连接；利用驱动电源控制等离子体发生装置向可控间隙内部持续注入等离子体，使可控间隙进入自持的低电阻状态，动态改变避雷器伏安特性，进而限制母线过电压。

可控间隙包括绝缘套筒，间隙第一电极和间隙第二电极，间隙第一电极和间隙第二电极安装于绝缘套筒内部，分别与避雷器外部回路连接。等离子体发生装置安装在间隙第二电极上。可控间隙的内部充有气压为1个标准大气压的六氟化硫。

等离子体注入系统是使得可控间隙具备自持的低电阻特性的关键。其中，驱动电源为直流电源。等离子体发生装置为单间隙结构，通过烧蚀产气材料产生大量等离子体。产气材料为氮气。

请参阅图3(a)，单间隙结构包括等离子体发生装置第一电极和等离子体发生装置第二电极，等离子体发生装置第一电极和等离子体发生装置第二电极分别安装在气体通道上，既作为触发间隙，又作为主放电间隙，直流电源作用于单间隙结构后产生的电弧由直流电源持续供能维持，能充分烧蚀氮气，产生大量等离子体。

接收外部动作指令后，驱动电源作用于等离子体发生装置并为这一过程持续供能，在25ms内维持等离子体发生装置内部电弧的可靠燃烧，由此持续产生大量等离子体，并将其注入到可控间隙内部，即间隙第一电极和间隙第二电极之间，形成高电导率的放电通道，从而使得可控间隙实现不依赖于外回路额外提供能量，不受制于外回路参数变化的影响，自身就能在25ms内持续保持低电阻特性。

实施例2

请参阅图2，一种用于直流电力系统的避雷器控制装置，包括避雷器固定部分、避雷器可控部分和可控间隙。避雷器固定部分一端和母线相连，另一端和避雷器可控部分的一端相连。避雷器可控部分的另一端接地。可控间隙并联在避雷器可控部分两端。

可控间隙内部设置等离子体注入系统，包括等离子体发生装置和驱动电源，等离子体发生装置与驱动电源连接；利用驱动电源控制等离子体发生装置向可控间隙内部持续注入等离子体，使可控间隙进入自持的低电阻状态，动态改变避雷器伏安特性，进而限制母线过电压。

可控间隙包括绝缘套筒，间隙第一电极和间隙第二电极，间隙第一电极和间隙第二电极安装于绝缘套筒内部，分别与避雷器外部回路连接。等离子体发生装置安装在间隙第二电极上。可控间隙的内部充有气压为2个标准大气压的干燥空气。

等离子体注入系统是使得可控间隙具备自持的低电阻特性的关键。其中，驱动电源为高压发生器和直流电源。等离子体发生装置为双间隙结构，通过烧蚀产气材料产生大量等离子体。产气材料为氮气。

请参阅图3(b)，双间隙结构包括等离子体发生装置第一电极、等离子体发生装置第二电极和等离子体发生装置第三电极，等离子体发生装置第一电极、等离子体发生装置第二电极和等离子体发生装置第三电极分别安装在气体通道上。

其中，等离子体发生装置第一电极和等离子体发生装置第二电极构成触发间隙；等离子体发生装置第一电极和等离子体发生装置第三电极构成主放电间隙，高压发生器作用于触发间隙产生的初始电弧不断发展直至贯通主放电间隙，形成连通主放电间隙的电弧并由直流电源持续供能维持，能充分烧蚀氮气，产生大量等离子体。

接收外部动作指令后，驱动电源作用于等离子体发生装置并为这一过程持续供能，在15ms内维持等离子体发生装置内部电弧的可靠燃烧，由此持续产生大量等离子体，并将其注入到可控间隙内部，即间隙第一电极和间隙第二电极之间，形成高电导率的放电通道，从而使得可控间隙实现不依赖于外回路额外提供能量，不受制于外回路参数变化的影响，自身就能在15ms内持续保持低电阻特性。

实施例3

请参阅图2，一种用于直流电力系统的避雷器控制装置，包括避雷器固定部分、避雷器可控部分和可控间隙。避雷器固定部分一端和母线相连，另一端和避雷器可控部分的一端相连。避雷器可控部分的另一端接地。可控间隙并联在避雷器可控部分两端。

可控间隙内部设置等离子体注入系统，包括等离子体发生装置和驱动电源，等离子体发生装置与驱动电源连接；利用驱动电源控制等离子体发生装置向可控间隙内部持续注入等离子体，使可控间隙进入自持的低电阻状态，动态改变避雷器伏安特性，进而限制母线过电压。

可控间隙包括绝缘套筒，间隙第一电极和间隙第二电极，间隙第一电极和间隙第二电极安装于绝缘套筒内部，分别与避雷器外部回路连接。等离子体发生装置安装在间隙第二电极上。可控间隙的内部充有气压为1.5个标准大气压的氮气。

等离子体注入系统是使得可控间隙具备自持的低电阻特性的关键。其中，驱动电源为高压发生器和脉冲电源。等离子体发生装置为单间隙结构，通过烧蚀产气材料产生大量等离子体。产气材料为聚乙烯。

请参阅图3(c)，单间隙结构包括等离子体发生装置第一电极和等离子体发生装置第二电极，等离子体发生装置第一电极和等离子体发生装置第二电极分别安装在聚乙烯材料形成的管壁通道上，既作为触发间隙，又作为主放电间隙，高压发生器作用于单间隙结构后产生的电弧由脉冲电源持续供能维持，能充分烧蚀管壁的聚乙烯材料，产生大量等离子体。

接收外部动作指令后，驱动电源作用于等离子体发生装置并为这一过程持续供能，在5ms内维持等离子体发生装置内部电弧的可靠燃烧，由此持续产生大量等离子体，并将其注入到可控间隙内部，即间隙第一电极和间隙第二电极之间，形成高电导率的放电通道，从而使得可控间隙实现不依赖于外回路额外提供能量，不受制于外回路参数变化的影响，自身就能在5ms内持续保持低电阻特性。

实施例4

请参阅图2，一种用于直流电力系统的避雷器控制装置，包括避雷器固定部分、避雷器可控部分和可控间隙。避雷器固定部分一端和母线相连，另一端和避雷器可控部分的一端相连。避雷器可控部分的另一端接地。可控间隙并联在避雷器可控部分两端。

可控间隙内部设置等离子体注入系统，包括等离子体发生装置和驱动电源，等离子体发生装置与驱动电源连接；利用驱动电源控制等离子体发生装置向可控间隙内部持续注入等离子体，使可控间隙进入自持的低电阻状态，动态改变避雷器伏安特性，进而限制母线过电压。

可控间隙包括绝缘套筒，间隙第一电极和间隙第二电极，间隙第一电极和间隙第二电极安装于绝缘套筒内部，分别与避雷器外部回路连接。等离子体发生装置安装在间隙第二电极上。可控间隙的内部充有气压为1.2个标准大气压的氮气与六氟化硫混合气体。

等离子体注入系统是使得可控间隙具备自持的低电阻特性的关键。其中，驱动电源为脉冲电源。等离子体发生装置为双间隙结构，通过烧蚀产气材料产生大量等离子体。产气材料为聚四氟乙烯。

请参阅图3(d)，双间隙结构包括等离子体发生装置第一电极、等离子体发生装置第二电极和等离子体发生装置第三电极，等离子体发生装置第一电极、等离子体发生装置第二电极和等离子体发生装置第三电极分别安装在聚四氟乙烯材料形成的管壁通道上。

其中，等离子体发生装置第一电极和等离子体发生装置第二电极构成触发间隙；等离子体发生装置第一电极和等离子体发生装置第三电极构成主放电间隙，脉冲电源作用于触发间隙后产生的初始电弧不断发展直至贯通主放电间隙，形成连通主放电间隙的电弧并由脉冲电源持续供能维持，能充分烧蚀聚四氟乙烯材料，产生大量等离子体。

接收外部动作指令后，驱动电源作用于等离子体发生装置并为这一过程持续供能，在8ms内维持等离子体发生装置内部电弧的可靠燃烧，由此持续产生大量等离子体，并将其注入到可控间隙内部，即间隙第一电极和间隙第二电极之间，形成高电导率的放电通道，从而使得可控间隙实现不依赖于外回路额外提供能量，不受制于外回路参数变化的影响，自身就能在8ms内持续保持低电阻特性。

等离子体发生装置的单间隙结构和双间隙结构均由驱动电源进行触发和供能来产生和维持电弧，并充分烧蚀产气材料。当产气材料直接使用氮气时，可利用气阀、减压阀、电磁阀等对气体输入进行调控，确保有足量足压的氮气稳定供入，应综合考虑设备体积、绝缘性能等因素灵活布置供气系统。当产气材料为固体时，电极布置可依托于细长的毛细管通道，即管径远小于管长的通道，以保证产生的电弧能充分烧蚀管壁材料。

可控间隙由高电阻状态切换成低电阻状态的动作时延小于或等于1ms，与驱动电源的输出能力和等离子体发生装置的结构设计有关。可控间隙保持低电阻状态的时长与等离子体注入系统的工作时长密切相关。而等离子体注入系统的工作时间取决于驱动电源供能时长。驱动电源能够持续提供能量的时间越长，等离子体发生装置持续产生等离子体的时间越长，等离子体注入系统的工作时间越长，可控间隙保持低电阻状态的时间越长。根据现有避雷器对可控间隙的技术需求，可控间隙保持低电阻状态的范围为5～25ms，可通过实际情况合理设计相应的等离子体注入系统满足。

除了对单个等离子体注入系统进行合理设计外，考虑到驱动电源尤其是大能量脉冲电源的设计成本，本发明的另一种方案是，使用多个等离子体注入系统交替工作，接收外部动作指令后，每个等离子体注入系统按照预先设置，依次有序地由各自的驱动电源控制等离子体发生装置，向可控间隙内部注入等离子体，使得可控间隙内部持续存在等离子体的不间断注入，从而满有效足对可控间隙能保持低电阻状态的时长要求。特别地，考虑到注入等离子体保持可控间隙低电阻状态存在时间寿命，两个等离子体注入系统的注入过程应存在时间重叠，即下一个等离子体注入系统开始工作的时间应设置在上一个等离子体注入系统工作结束之前，以避免由于等离子体注入系统工作存在空窗期而导致的可控间隙绝缘恢复，造成最终可控间隙保持低电阻状态的时间存在断续。

实施例5

请参阅图2，一种用于直流电力系统的避雷器控制装置，包括避雷器固定部分、避雷器可控部分和可控间隙。避雷器固定部分一端和母线相连，另一端和避雷器可控部分的一端相连。避雷器可控部分的另一端接地。可控间隙并联在避雷器可控部分两端。

可控间隙内部设置六个等离子体注入系统，均包括等离子体发生装置和驱动电源，等离子体发生装置与驱动电源连接；依次有序地利用各自的驱动电源控制相应的等离子体发生装置向可控间隙内部持续注入等离子体，使可控间隙进入自持的低电阻状态，动态改变避雷器伏安特性，进而限制母线过电压。

可控间隙包括绝缘套筒，间隙第一电极和间隙第二电极，间隙第一电极和间隙第二电极安装于绝缘套筒内部，分别与避雷器外部回路连接。等离子体发生装置均安装在间隙第二电极上。可控间隙的内部充有气压为1.1个标准大气压的氮气与六氟化硫混合气体。

等离子体注入系统是使得可控间隙具备自持的低电阻特性的关键。其中，驱动电源均为脉冲电源。等离子体发生装置均为双间隙结构，通过烧蚀产气材料产生大量等离子体。产气材料均为聚四氟乙烯。

请参阅图3(d)，双间隙结构包括等离子体发生装置第一电极、等离子体发生装置第二电极和等离子体发生装置第三电极，等离子体发生装置第一电极、等离子体发生装置第二电极和等离子体发生装置第三电极分别安装在聚四氟乙烯材料形成的管壁通道上。

其中，等离子体发生装置第一电极和等离子体发生装置第二电极构成触发间隙；等离子体发生装置第一电极和等离子体发生装置第三电极构成主放电间隙，脉冲电源作用于触发间隙后产生的初始电弧不断发展直至贯通主放电间隙，形成连通主放电间隙的电弧并由脉冲电源持续供能维持，能充分烧蚀聚四氟乙烯材料，产生大量等离子体。

接收外部动作指令后，首个等离子体注入系统的脉冲电源首先作用于触发间隙产生初始电弧；初始电弧烧蚀聚四氟乙烯管壁材料不断延伸至贯通主放电间隙，形成连通主放电间隙的电弧。脉冲电源为这一过程持续供能，在1.2ms内维持电弧的可靠燃烧。等离子体发生装置由此持续产生大量等离子体，并将其注入到可控间隙内部，即间隙第一电极和间隙第二电极之间，形成高电导率的放电通道；

1ms后，首个等离子体注入系统仍在继续向可控间隙内部注入等离子体，而第二个等离子体注入系统开始工作；

2ms后，首个等离子体注入系统已停止工作，此时第二个等离子体注入系统仍在继续向可控间隙内部注入等离子体，而第三个等离子体注入系统开始工作。

请参阅图4，以此类推，六个等离子体注入系统按照预先设置依次有序地向可控间隙内部持续注入等离子体，其等离子体注入过程的典型高速摄影如图所示。每个等离子体注入系统均在给定时刻开始工作，从而使得可控间隙实现不依赖于外回路额外提供能量，不受制于外回路参数变化的影响，自身就能在6.2ms内持续保持低电阻特性。

由于可控间隙电阻状态切换的特性不依赖于外部回路提供能量，也不受制于外部回路参数的影响，本发明能够应用在可控间隙两端电压为100V～200kV，流过可控间隙电流亦即流过避雷器固定部分电流1mA～20kA范围内均能可靠工作。

综上所述，本发明一种在低电压下实现避雷器可控的方法及其装置，将可控间隙并联在避雷器可控部分两端，利用驱动电源控制等离子体发生装置持续注入等离子体以使可控间隙由高电阻状态转入自持的低电阻状态，不依赖于外部回路的额外供能，也不受外部回路参数的影响，动态改变了避雷器的伏安特性，进而限制了母线的过电压。其成本低，结构简单，可靠性高，能有效实现可控避雷器稳态下低荷电率和暂态下低残压。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种直流电力系统用避雷器控制方法，其特征在于，避雷器固定部分（1）的一端和母线连接，另一端经避雷器可控部分（2）接地连接；可控间隙（3）并联在避雷器可控部分（2）的两端，可控间隙（3）内部填充有气压为1~2个标准大气压的气体介质，气体介质为空气、氮气、六氟化硫或氮气与六氟化硫混合气体；等离子体注入系统设置在可控间隙（3）内部，可控间隙（3）包括绝缘套筒（6），绝缘套筒（6）内部对应设置有间隙第一电极（7）和间隙第二电极（8），间隙第一电极（7）和间隙第二电极（8）分别与避雷器外部回路连接，等离子体注入系统包括等离子体发生装置（4）和驱动电源（5），等离子体发生装置（4）安装在间隙第二电极（8）上，与驱动电源（5）连接，等离子体发生装置（4）为单间隙结构或双间隙结构，在母线和地线之间串联避雷器固定部分和避雷器可控部分，避雷器可控部分的两端并联可控间隙，可控间隙处于高电阻状态，可控间隙的电阻值远大于避雷器固定部分和避雷器可控部分的电阻值，母线电压加载在避雷器两端，当出现电力系统过电压时，可控间隙的等离子体注入系统接收动作指令，向可控间隙持续喷注入等离子体，等离子体注入期间，可控间隙处于自持的低电阻状态，将避雷器可控部分电压钳位至零，母线电压加载在避雷器固定部分两端，等离子体射流停止注入后，可控间隙绝缘恢复到未注入等离子体时的高电阻状态，母线电压加载在避雷器两端，可控间隙通过动态改变避雷器的伏安特性限制电力系统过电压；

等离子体注入系统接收到动作指令后，驱动电源为等离子体发生装置持续供能，在5～25ms的持续时间内维持等离子体发生装置内部电弧的燃烧，以控制等离子体注入系统产生持续的等离子体射流注入可控间隙中，使得可控间隙在等离子体注入系统工作期间始终维持低电阻状态。

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