CN112986811A - 换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置，包括换流变分接开关试验筒体、换流变分接开关顶盖、电弧试验高速同步测量采集系统、压力释放装置、电弧触发装置、灭火水喷淋系统和高速摄像系统。本发明同时还公开了一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试方法。本发明的装置和方法，在保证实验人员人身安全与试验设备安全的前提下，实现了对分接开关内部真实电弧故障的模拟，获取了分接开关顶盖在故障油压冲击下的承压极限，为分接开关制造厂家与现场运行人员提供了顶盖承压试验装置与示范方法，对于改进分接开关顶盖承压结构，提升分接开关、换流变安全运行水平具有重要的工程实用价值。

Description

换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置与方法
技术领域
本发明涉及电力设备高电压试验模拟领域，具体涉及一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置与方法。
背景技术
近年来，随着特高压直流输电工程的迅猛发展，电网运行对输变电设备的安全可靠性提出了更高的要求。换流变压器作为换流站能量转换、传输的核心设备，由于其发生故障造成的经济直接损失(包括设备损失和电量损失)和停电引起的间接损失巨大，因此而成为变电站和换流站故障的关键和重大影响因素。2018以来，国网天山换流站由于网侧GOE型套管故障起火，火灾从换流变本体蔓延至阀厅，导致整个阀厅坍塌，造成同阀厅6台换流变、换流阀等设备起火；宜宾换流站换流变网侧套管故障起火，换流变发生火灾；昌吉换流站HD换流变故障发生火灾。换流变存在较大的火灾风险，换流变火灾会造成直流系统停运，直接导致极大的经济损失。
换流变分接开关内部发生放电故障时，高能故障电弧将气化并分解其周围的变压器油，于数毫秒内产生大量气体，并在油气相界面瞬间产生巨大压差，并以压力波形式在分接开关内部传播，将对换流变顶盖带来很大的破坏。
迄今为止，尚未有明确的关于换流变分接开关顶盖承压极限测试装置或方法的报道。
发明内容
为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置与方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置，包括换流变分接开关试验筒体、换流变分接开关顶盖、电弧试验高速同步测量采集系统、压力释放装置、电弧触发装置、灭火水喷淋系统和高速摄像系统；
换流变分接开关顶盖安装在换流变分接开关试验筒体顶部，电弧触发装置安装在换流变分接开关试验筒体中，压力释放装置安装在换流变分接开关顶盖上，电弧试验高速同步测量采集系统与压力释放装置、电弧触发装置、灭火水喷淋系统和高速摄像系统电连接。
本发明进一步的改进在于，所述电弧试验高速同步测量采集系统应具备至少500kHz的采样频率、10路同步采集通道、自动触发功能、GPS/北斗时钟、较强的抗强冲击能力。
本发明进一步的改进在于，所述压力释放装置包括压力释放阀、导流罩、油气分离罐和绝缘油收集罐，用于对分接开关内部剧增的油压进行定向释放，保证实验人员与试验设备的安全。
本发明进一步的改进在于，所述电弧触发装置包括35kV绝缘套管、厚度为40mm的导电铜排、直径为40mm的铜钨合金电极触头、直径为20mm的绝缘棒，绝缘棒用于固定电极两侧导电铜排，避免电弧试验中较大短路电动力导致铜排发生剧烈扭摆。
本发明进一步的改进在于，所述灭火水喷淋系统由超高速固态电磁阀控制，当所述电弧试验高速同步测量采集系统接收到压力释放装置发出的压力释放动作信号后，灭火水喷淋系统能够在100ms内快速启动，且灭火水喷淋系统的工作水压应不小于0.35MPa，水滴直径应不大于0.35mm，喷水时间应不少于120s。
本发明进一步的改进在于，为完整记录电弧故障冲击下分接开关顶盖表面暂态变化特征，所述高速摄像系统满幅分辨率不低于1280dpi×800dpi，满幅拍摄速率不低于7500帧每秒，满幅拍摄速时间不少于5s，具备较强的抗强冲击能力，具备短路电流自动触发功能。
一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试方法，基于上述之一的测试装置实现，包括如下步骤：
步骤1，制定电弧试验计划列表，从低能量电弧试验到高能电弧试验依次设定短路电弧电流有效值、峰值、对称性，故障持续时间，电极极间距；
步骤2，设置电源回路阻抗参数，在电极触头安装0.5mm～1mm直径引弧铜丝；
步骤3，选择合适合闸角度，依次闭合电源回路中隔离开关与断路器；
步骤4，电弧试验高速同步测量采集系统自动触发，针对短路电压、电流，分接开关顶盖应变以及保护开关量进行实时高速同步测量采集；
步骤5，高速摄像系统同步自动触发，试验全程记录分接开关顶盖状态；
步骤6，若压力释放阀动作，压力释放阀动作信号瞬时触发灭火水喷淋系统启动；
步骤7，若换流变分接开关顶盖的实时应变超过安全应变极限，应变启动信号触发灭火水喷淋系统启动；
步骤8：依据试验预设燃弧时间依次断开回路中断路器与隔离开关；
步骤9：电弧试验高速同步测量采集系统停止采集并进行数据存储，计算电弧试验故障功率、总电弧能量；
步骤10，拆卸换流变分接开关顶盖进行结构性检查，若顶盖未发生塑性形变或破裂，返回步骤2进行一下次电弧试验，若顶盖发生塑性形变或破裂，停止试验；
步骤11，绘制电弧功率、电弧总释放能量与顶盖状态的关系曲线，得到换流变分接开关顶盖承压极限。
本发明进一步的改进在于，在进行换流变分接开关级间短路电流计算时，需要考虑换流变调压绕组因短路而引起的漏磁变化，根据有限元法对短路后绕组阻抗参数进行重新计算。
本发明进一步的改进在于，引弧铜丝直径需要与电极触头距离匹配，以保证电弧稳定燃烧；当电弧极间距在0～20mm时，铜丝直径应采用0.5mm；当电弧极间距大于20mm时，铜丝直径应采用1mm。
本发明进一步的改进在于，所述安全应变极限为换流变分接开关顶盖的金属材料屈服应变的0.85倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置与方法，在保证实验人员人身安全与试验设备安全的前提下，实现了对分接开关内部真实电弧故障的模拟，获取了分接开关顶盖在故障油压冲击下的承压极限，为分接开关制造厂家与现场运行人员提供了顶盖承压试验装置与示范方法。
2、本发明具有构成简单、易于实现、可靠高效等优点。
3、本发明的实现和应用对于分接开关顶盖承压结构改进设计、提升分接开关、换流变安全运行水平具有重要的实用价值。
附图说明
图1为换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置示意图。
图2为本发明试验方法逻辑流程图。
附图标记说明：1-换流变分接开关试验筒体；2-换流变分接开关顶盖；3-电弧试验高速同步测量采集系统；4-压力释放装置；5-电弧触发装置；6-灭火水喷淋系统；7-高速摄像系统。
具体实施方式
下面将结合本实施例中的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
参见图1，一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置，主要包括换流变分接开关试验筒体1、换流变分接开关顶盖2、电弧试验高速同步测量采集系统3、压力释放装置4、电弧触发装置5、灭火水喷淋系统6和高速摄像系统7。
其中，换流变分接开关顶盖2安装在换流变分接开关试验筒体1顶部，电弧触发装置5安装在换流变分接开关试验筒体1中，压力释放装置3安装在换流变分接开关顶盖2上，灭火水喷淋系统6的喷淋口位于换流变分接开关顶盖2正上方，高速摄像系统7位于换流变分接开关顶盖2旁侧，电弧试验高速同步测量采集系统3与压力释放装置4、电弧触发装置5、灭火水喷淋系统6和高速摄像系统7电连接。
电弧试验高速同步测量采集系统3对电弧触发装置5的短路电压、电流，换流变分接开关顶盖2应变以及其他保护开关量进行实时高速同步测量采集，并根据压力释放装置4动作信号，启动灭火水喷淋系统6。高速摄像系统7同步自动触发，试验全程记录换流变分接开关顶盖2状态。
进一步的，电弧试验高速同步测量采集系统3应具备至少500kHz的采样频率、10路同步采集通道、自动触发功能、GPS/北斗时钟、较强的抗强冲击能力。
进一步的，压力释放装置4由压力释放阀、导流罩、油气分离罐、绝缘油收集罐组成，实现对分接开关内部剧增的油压进行定向释放，保证实验人员与试验设备的安全。
进一步的，电弧触发装置5包括35kV绝缘套管、厚度为40mm的导电铜排、直径为40mm的铜钨合金电极触头、直径为20mm的绝缘棒。绝缘棒固定电极两侧导电铜排，避免电弧试验中较大短路电动力导致铜排发生剧烈扭摆。
进一步的，灭火水喷淋系统6由超高速固态电磁阀控制，当接收到压力释放动作信号或应变启动信号后，实现灭火水喷淋系统能够在120ms内快速启动。工作水压应不小于0.35MPa，水滴直径应不大于0.35mm，喷水时间应不少于120s。
进一步的，为完整记录电弧故障冲击下分接开关顶盖表面暂态变化特征，高速摄像系统满幅分辨率不低于1280dpi×800dpi，满幅拍摄速率不低于7500帧每秒，满幅拍摄速时间不少于5s，具备较强的抗强冲击能力，具备短路电流自动触发功能。
实施例2
参见图2，一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试方法，基于实施例1的测试装置实现，包括如下步骤：
步骤1，制定电弧试验计划列表，从低能量电弧试验到高能电弧试验，依次设定短路电弧电流有效值、峰值、对称性，故障持续时间，电极极间距等；
步骤2，设置电源回路阻抗参数，在电极触头安装0.5mm～1mm直径引弧铜丝；
步骤3，选择合适合闸角度，依次闭合电源回路中隔离开关与断路器；
步骤4，高速同步测量采集系统自动触发，针对短路电压、电流，分接开关内部油压、顶盖应变以及保护开关量等特征进行实时高速同步测量采集；
步骤5，高速摄像系统同步自动触发，试验全程记录分接开关顶盖状态；
步骤6，若压力释放阀动作，压力释放阀动作信号需瞬时触发灭火水喷淋系统启动；
步骤7，若顶盖实时应变ε(t)超过安全应变极限εth，应变启动信号触发灭火水喷淋系统启动；
步骤8：依据试验预设燃弧时间依次断开回路中断路器与隔离开关；
步骤9：高速同步测量采集系统停止采集并进行数据存储，计算电弧试验故障功率、总电弧能量；
步骤10，拆卸分接开关顶盖进行结构性检查；若顶盖未发生塑性形变或破裂，返回步骤2进行一下次电弧试验；若顶盖发生塑性形变或破裂，停止试验；
步骤11，绘制电弧功率、电弧总释放能量与顶盖状态的关系曲线，得到分接开关顶盖承压极限。
进一步的，进行换流变分接开关级间短路电流计算时，需要考虑换流变调压绕组因短路而引起的漏磁变化，根据有限元法对短路后绕组阻抗参数进行重新计算。
进一步的，引弧铜丝直径需要与电极触头距离匹配，以保证电弧稳定燃烧。当电弧极间距在0～20mm时，铜丝直径应采用0.5mm；当电弧极间距大于20mm时，铜丝直径应采用1mm。
进一步的，安全应变极限εth为调压开关顶盖的金属材料屈服应变的0.85倍。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置，其特征在于：包括换流变分接开关试验筒体、换流变分接开关顶盖、电弧试验高速同步测量采集系统、压力释放装置、电弧触发装置、灭火水喷淋系统和高速摄像系统；
换流变分接开关顶盖安装在换流变分接开关试验筒体顶部，电弧触发装置安装在换流变分接开关试验筒体中，压力释放装置安装在换流变分接开关顶盖上，电弧试验高速同步测量采集系统与压力释放装置、电弧触发装置、灭火水喷淋系统和高速摄像系统电连接。
2.根据权利要求1所述的一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置，其特征在于：所述电弧试验高速同步测量采集系统应具备至少500kHz的采样频率、10路同步采集通道、自动触发功能、GPS/北斗时钟、较强的抗强冲击能力。
3.根据权利要求1所述的一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置，其特征在于：所述压力释放装置包括压力释放阀、导流罩、油气分离罐和绝缘油收集罐，用于对分接开关内部剧增的油压进行定向释放。
4.根据权利要求1所述的一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置，其特征在于：所述电弧触发装置包括35kV绝缘套管、厚度为40mm的导电铜排、直径为40mm的铜钨合金电极触头、直径为20mm的绝缘棒，绝缘棒用于固定电极两侧导电铜排，避免电弧试验中较大短路电动力导致铜排发生剧烈扭摆。
5.根据权利要求1所述的一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置，其特征在于：所述灭火水喷淋系统由超高速固态电磁阀控制，当所述电弧试验高速同步测量采集系统接收到压力释放装置发出的压力释放动作信号后，灭火水喷淋系统能够在100ms内快速启动，且灭火水喷淋系统的工作水压应不小于0.35MPa，水滴直径应不大于0.35mm，喷水时间应不少于120s。
6.根据权利要求1所述的换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试装置，其特征在于，所述高速摄像系统满幅分辨率不低于1280dpi×800dpi，满幅拍摄速率不低于7500帧每秒，满幅拍摄速时间不少于5s，具备较强的抗强冲击能力，具备短路电流自动触发功能。
7.一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试方法，基于权利要求1至6任一所述测试装置实现，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制定电弧试验计划列表，从低能量电弧试验到高能电弧试验依次设定短路电弧电流有效值、峰值、对称性，故障持续时间，电极极间距；
步骤2，设置电源回路阻抗参数，在电极触头安装0.5mm～1mm直径引弧铜丝；
步骤3，选择合适合闸角度，依次闭合电源回路中隔离开关与断路器；
步骤4，电弧试验高速同步测量采集系统自动触发，针对短路电压、电流，分接开关顶盖应变以及保护开关量进行实时高速同步测量采集；
步骤5，高速摄像系统同步自动触发，试验全程记录分接开关顶盖状态；
步骤6，若压力释放阀动作，压力释放阀动作信号瞬时触发灭火水喷淋系统启动；
步骤7，若换流变分接开关顶盖的实时应变超过安全应变极限，应变启动信号触发灭火水喷淋系统启动；
步骤8：依据试验预设燃弧时间依次断开回路中断路器与隔离开关；
步骤9：电弧试验高速同步测量采集系统停止采集并进行数据存储，计算电弧试验故障功率、总电弧能量；
步骤10，拆卸换流变分接开关顶盖进行结构性检查，若顶盖未发生塑性形变或破裂，返回步骤2进行一下次电弧试验，若顶盖发生塑性形变或破裂，停止试验；
步骤11，绘制电弧功率、电弧总释放能量与顶盖状态的关系曲线，得到换流变分接开关顶盖承压极限。
8.根据权利要求7所述的一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试方法，其特征在于：在进行换流变分接开关级间短路电流计算时，需要考虑换流变调压绕组因短路而引起的漏磁变化，根据有限元法对短路后绕组阻抗参数进行重新计算。
9.根据权利要求7所述的一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试方法，其特征在于：引弧铜丝直径需要与电极触头距离匹配，以保证电弧稳定燃烧；当电弧极间距在0～20mm时，铜丝直径应采用0.5mm；当电弧极间距大于20mm时，铜丝直径应采用1mm。
10.根据权利要求7所述的一种换流变分接开关顶盖承压极限电弧试验测试方法，其特征在于：所述安全应变极限为换流变分接开关顶盖的金属材料屈服应变的0.85倍。
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