CN113782287A - 一种具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器 - Google Patents

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Abstract

一种具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，包括氧化锌避雷器和具有场畸变结构的触发型过电压控制开关，所述的氧化锌避雷器包括串联连接的固定避雷器和可控避雷器，可控避雷器与具有场畸变结构的触发型过电压控制开关并联；所述的固定避雷器的上电极与被保护电力设备的上端相连，所述的可控避雷器的下电极与被保护电力设备的下端相连。当输配电网中出现的雷电过电压或操作过电压超过一定的阈值时，场畸变触发型过电压控制开关自动导通，从而将避雷器中的可控部分短路，达到限制整个避雷器两端过电压幅值的目的。

Description

一种具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器
技术领域
本发明涉及一种电力、高速信息化铁路输电等领域的过电压控制开关的触发型可控避雷器，特别涉及一种具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器。
背景技术
过电压防护是电力系统安全运行的重要保障。随着输配电电网电压等级的提高，过电压水平将直接影响到电力设备的选型、制造技术和工程费用，其中，操作过电压更是电力系统绝缘水平的决定性因素。同时，由于雷电过电压的保护水平也是避雷器的主要性能评价指标，对电力设备的绝缘水平同样起着决定性的作用。由于受到氧化锌避雷器技术性能的制约，在现有特高压线路中通常通过常规避雷器和断路器加装合闸电阻的联合作用了限制系统操作过电压的水平，但是，由于断路器加装合闸电阻存在结构负载、运行可靠性不高以及经济性差等缺陷。因此，诸多研究者提出了基于开关的可控避雷器的概念，并在电力领域获得了较为广泛的工程应用。
复合避雷器中的控制间隙最早采用不可控的间隙，可控部分依靠并联间隙的自击穿来实现，但由于自击穿间隙工作的分散性，存在不能限制雷电或超过过电压的知名缺陷；20世纪90年代，美国研究人员提出将晶闸管开关引入的可控避雷器中，通过多只晶闸管的串联组合实现高压耐受，晶闸管的可控关断解决了可控避雷器工作的快速响应、准确控制的技术难题，原理上可以实现避雷器伏安特性的精确控制。但是存在以下两个方面的严重缺陷：①由于晶闸管电压的限制，高压情况下需要许多个晶闸管的串联连接，同步触发的技术难题需要解决；②由于晶闸管受到其电压变化率dU/dt和电流变化率dI/dt的限制，因而需要附加的电压和电流限制措施对其保护，增加了过电压保护的复杂性，同时还会对避雷器的电压分布造成比较大的影响。随着电力、高速信息化铁路等的发展需求，对可控避雷器提出了更高的要求，主要包括要求：(1)控制间隙具有较高的直流/交流耐压，确保在正常情况下不影响避雷器的工作状态，但须具有较低的脉冲击穿电压，确保在雷电或操作过电压情况下，能尽快导通，从而将避雷器可控部分短路，改善整个避雷器的伏安特性。(2)控制间隙的触发控制电路需要自动耦合雷电感应操作过电压的能量，且雷电或操作过电压的能量不至于引起触发型过电压控制开关的自动能量耦合触发电路的损坏和破坏。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种由具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器。这种可控避雷器的触发型过电压控制开关不仅具有较高的交/直流耐受电压和较低的冲击击穿电压，以及与整个避雷器具有良好配合等显著特点，可以显著改善整个避雷器的伏安特性，显著提升避雷器雷电和操作过电压的电压保护水平；同时，由于触发型过电压控制开关还具有场畸变触发机构，因而使得可控避雷器具有极快的响应时间。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
包括氧化锌避雷器和具有场畸变结构的触发型过电压控制开关，所述的氧化锌避雷器包括串联连接的固定避雷器和可控避雷器，可控避雷器与具有场畸变结构的触发型过电压控制开关并联；所述的固定避雷器的上电极与被保护电力设备的上端相连，所述的可控避雷器的下电极与被保护电力设备的下端相连；
所述的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关包括上、下绝缘外壳及设置在上、下绝缘外壳两端的上、下端法兰构成的气压为100～103或104～105Pa量级的密闭壳体、或真空度为10-1～10-5Pa量级的密闭壳体，在上、下绝缘外壳内的上、下端法兰上设置有上、下导流杆，上、下导流杆上安装有端面为圆台型的上、下电极，上、下电极之间构成主放电间隙，在上、下绝缘壳体之间安装有环状场畸变触发电极，环状场畸变触发电极一端伸出绝缘外壳、位于绝缘外壳内的一端设置有“斜Z”字型的端面，环状场畸变触发电极的“斜Z”字型端面具有两个与上电极的圆台型侧平面平行的上金属端面，以及与下电极的圆台型侧平面相对的下金属尖端面，同时在上、下端法兰上位于上、下导流杆周围靠近上、下绝缘外壳内壁上安装有上、下屏蔽罩；
在可控避雷器与具有场畸变结构的触发型过电压控制开关之间连接有自动能量耦合电路；所述的自动能量耦合电路为二端口网络电路，其输入端口的上、下端分别与可控避雷器、具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的上、下电极连接，其输出端口与具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的环状场畸变触发电极连接。
所述的密闭壳体内的介质为空气、氮气、氩气或其混合气体。
所述的上、下电极的圆台型角度θ1、θ2为15°～60°。
所述的环状场畸变触发电极“斜Z”字型端面的上金属端面与上电极圆台型侧平面相对应的面积大于环状场畸变触发电极“斜Z”字型端面的下金属尖端面与下电极圆台型侧面相对应的面积。
所述的环状场畸变触发电极“斜Z”字型端面的上金属端平面与上电极圆台型侧面之间的距离不小于环状场畸变触发电极“斜Z”字型端面的下金属尖端面与下电极圆台型侧面之间的距离。
所述的环状场畸变触发电极的上金属端平面采用环宽为5-10mm的圆环状结构，环宽与上电极的圆台型侧面宽度相等。
所述的环状场畸变触发电极的下金属尖端面采用环宽为1-3mm圆环状结构。
所述的固定避雷器与可控避雷器均由多个氧化锌非线性电阻片串联而成，通过绝缘填充胶固定安装在绝缘套中，在串联的电阻片上、下端均设置有通过避雷器上、下法兰与串联的电阻片电连接的避雷器上、下电极，串联的电阻片外侧安装有外绝缘伞裙，且可控避雷器的电阻片的数量少于固定避雷器的电阻片数量。
所述的可控避雷器中氧化锌电阻片的数量为固定避雷器中氧化锌电阻片数量的15-30％。
所述的自动能量耦合触发电路包括由两个耦合电容组成的能量耦合单元，其中一个耦合电容并联有升压脉冲变压器，升压脉冲变压器与其并联的耦合电容间设置有隔离间隙。
本发明将具有场畸变结构的触发型过电压控制开关与氧化锌避雷器组成触发型可控避雷器。触发型过电压控制开关的上、下电极以及环状场畸变触发电极密闭在气体或真空环境下，由于触发型过电压控制开关的环状场畸变触发电极的尖端面与下电极之间率先放电，产生的带电等离子体进入上电极与下电极之间的间隙中，致使触发型过电压控制开关的上电极和下电极发生击穿放电，使得场畸变触发型过电压控制开关在不影响交/直流耐受电压的同时，可以大幅度降低过电压控制开关的脉冲击穿电压且具有极快的过电压响应特性；同时，特别重要的是，由于触发型过电压控制开关具有直流击穿电压高、脉冲击穿电压低的显著特征，可以确保正常工作条件下，可控避雷器正常承受的工频/直流电压不受影响，正常运行的交/直流电压由避雷器的固定部分和可控部分共同承担，整个避雷器工作的荷电率较低、泄漏电流很小，不会因正常运行的长期泄漏电流产生的发热而引起性能的劣化；在当雷电或操作过电压条件下，触发型过电压控制开关快速导通，避雷器可控部分短路连接，整个避雷器的伏安特性得到显著的改善，有效限制了雷电过电压和操作过电压。
附图说明
图1是本发明的整体结构原理示意图。
图2是本发明具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的结构示意图。
图3是本发明具有场畸变结构的环状触发电极的控制开关的结构示意图。
图4为本发明氧化锌避雷器单元的结构示意图。
图5为本发明场畸变结构触发型过电压控制开关的自动能量耦合触发电路的原理图
图中，1、上绝缘外壳，2、下绝缘外壳，3、上电极，4、下电极，5、上导流杆5，6、下导流杆6，7、上端法兰，8、下端法兰，9、环状场畸变触发电极，10、上金属端面，11、下金属端面，12、上屏蔽罩，13、下屏蔽罩，16多个氧化锌非线性电阻片，17绝缘填充胶，19、20避雷器上、下法兰，14、18避雷器上、下电极，15、外绝缘伞裙。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1、图2、图3、图4和图5。本发明的一种具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，由具有场畸变结构的触发型过电压控制开关和氧化锌避雷器组合而成。其中，具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的结构如图2、或图3所示，氧化锌避雷器的结构如图4所示。氧化锌避雷器由固定避雷器与可控避雷器串联组成，具有场畸变结构的触发型过电压控制开关与氧化锌避雷器的可控避雷器并联连接。固定避雷器的上电极与被保护电力设备的上端相连，可控避雷器的下电极与被保护电力设备的下端相连。在可控避雷器与具有场畸变结构的触发型过电压控制开关之间连接有自动能量耦合电路；所述的自动能量耦合电路为二端口网络电路，其输入端口的上、下端分别与可控避雷器、具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的上、下电极连接，其输出端口与具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的环状场畸变触发电极9连接。
图2，3，本发明具有场畸变结构的触发型过电压控制开关包括上、下绝缘外壳1、2及设置在上、下绝缘外壳1、2两端的上、下端法兰7、8构成的气压为100～103或104～105Pa量级的密闭壳体(密闭壳体内的介质为空气、氮气、氩气或其混合气体)、或真空度为10-1～10-5Pa量级的密闭壳体，在上、下绝缘外壳1、2内的上、下端法兰7、8上设置有上、下导流杆5、6，上、下导流杆5、6上安装有端面为圆台型的上、下电极3、4，上、下电极3、4之间构成主放电间隙，在上、下绝缘壳体1、2之间安装有环状场畸变触发电极9，环状场畸变触发电极9一端伸出绝缘外壳、位于绝缘外壳内的一端设置有“斜Z”字型的端面，环状场畸变触发电极9的“斜Z”字型端面具有两个与上电极3的圆台型侧平面平行的上金属端面10，以及与下电极4的圆台型侧平面相对的下金属尖端面11，同时在上、下端法兰7、8上位于上、下导流杆5、6周围靠近上、下绝缘外壳1、2内壁上安装有上、下屏蔽罩12、13；上、下电极(3、4)的圆台型角度θ1、θ2为15°～60°，环状场畸变触发电极9“斜Z”字型端面的上金属端面10与上电极3圆台型侧平面相对应的面积大于环状场畸变触发电极9“斜Z”字型端面的下金属尖端面11与下电极4圆台型侧面相对应的面积，所述的环状场畸变触发电极9“斜Z”字型端面的上金属端平面10与上电极3圆台型侧面之间的距离不小于环状场畸变触发电极9“斜Z”字型端面的下金属尖端面11与下电极4圆台型侧面之间的距离；所述的环状场畸变触发电极9的上金属端平面10采用环宽为5-10mm的圆环状结构，环宽与上电极3的圆台型侧面宽度相等；所述的环状场畸变触发电极9的下金属尖端面11采用环宽为1-3mm圆环状结构。
参见图4，本发明氧化锌避雷器的固定避雷器与可控避雷器均由多个氧化锌非线性电阻片16串联而成，通过绝缘填充胶17固定安装在绝缘套中，在串联的电阻片16上、下端均设置有通过避雷器上、下法兰19、20与串联的电阻片16电连接的避雷器上、下电极14、18，串联的电阻片外侧安装有外绝缘伞裙15，且可控避雷器中氧化锌电阻片的数量为固定避雷器中氧化锌电阻片数量的15-30％。
参见图5，本发明的触发型过电压控制开关的自动能量耦合触发电路，包括：由耦合电容C1、耦合电容C2组成的雷电过电压或操作过电压能量耦合单元，在雷电过电压或操作过电压作用下，耦合电容C2上的电压使得隔离间隙导通，在脉冲变压器T的原边中由于脉冲电流通过而在两端感应出脉冲电压，经脉冲变压器T(升压变压器)放大后给触发过电压控制开关提供足够的触发电压，加速了触发型过电压控制开关的导通速度，从而使得触发型过电压控制开关具有比被动型(无触发电极)两极放电间隙更优良的过电压保护性能，触发型过电压控制开关的脉冲击穿电压与直流击穿电压的比值可以调控到接近1甚至小于1。
触发型过电压控制开关的交流或直流击穿电压Ugap明显高于避雷器可控部分的参考电压Ucref，两者的比值Ugap/Ucref控制在1.5～2.0倍甚至2.0～3.0，触发型过电压控制开关的冲击击穿电压与直流击穿电压之比(压比)控制在1.0-1.5甚至0.8-1.2的范围内。正常工作状态下，触发型过电压控制开关不会对避雷器可控部分的工作状态造成影响，当对操作过电压和雷电过电压时，场畸变触发型过电压控制开关迅速导通，短路避雷器的可控部分，有效改善了避雷器的伏安特性，显著提升了避雷器雷电和操作过电压的电压保护水平。
本发明不同于现有可控避雷器的最显著特点是：(1)采用基于气体环境或真空的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关，因而具有在不降低现有间隙避雷器交流/直流耐受电压或者直流击穿电压的情况下，可以显著降低带触发型过电压控制开关避雷器的脉冲击穿电压、缩短响应时间的显著特点。(2)本申请专利的具有“Z”字结构的环状场畸变触发电极的触发机构，由于触发型过电压控制开关的环状场畸变触发电极的尖端面与下电极之间率先放电，产生的带电等离子体进入上电极与下电极之间的间隙中，致使过电压控制开关的上电极和下电极发生击穿放电，使得场畸变触发型过电压控制开关在不影响交/直流耐受电压的同时，可以大幅度降低过电压控制开关的脉冲击穿电压且具有极快的过电压响应特性。总之，本发明的具有场畸变结构的触发型可控避雷器具有高直流击穿电压、快速过电压响应时间的能力，可以有效改善可控避雷器的伏安特性，限制雷电过电压和操作过电压的水平，该结构的可控避雷器可以用于电力输配电及类似应用场合的雷电过电压和操作过电压的防护。

Claims (10)

1.一种具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，其特征在于：包括氧化锌避雷器和具有场畸变结构的触发型过电压控制开关，所述的氧化锌避雷器包括串联连接的固定避雷器和可控避雷器，可控避雷器与具有场畸变结构的触发型过电压控制开关并联；所述的固定避雷器的上电极与被保护电力设备的上端相连，所述的可控避雷器的下电极与被保护电力设备的下端相连；
所述的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关包括上、下绝缘外壳(1、2)及设置在上、下绝缘外壳(1、2)两端的上、下端法兰(7、8)构成的气压为100～103或104～105Pa量级的密闭壳体、或真空度为10-1～10-5Pa量级的密闭壳体，在上、下绝缘外壳(1、2)内的上、下端法兰(7、8)上设置有上、下导流杆(5、6)，上、下导流杆(5、6)上安装有端面为圆台型的上、下电极(3、4)，上、下电极(3、4)之间构成主放电间隙，在上、下绝缘壳体(1、2)之间安装有环状场畸变触发电极(9)，环状场畸变触发电极(9)一端伸出绝缘外壳、位于绝缘外壳内的一端设置有“斜Z”字型的端面，环状场畸变触发电极(9)的“斜Z”字型端面具有两个与上电极(3)的圆台型侧平面平行的上金属端面(10)，以及与下电极(4)的圆台型侧平面相对的下金属尖端面(11)，同时在上、下端法兰(7、8)上位于上、下导流杆(5、6)周围靠近上、下绝缘外壳(1、2)内壁上安装有上、下屏蔽罩(12、13)；
在可控避雷器与具有场畸变结构的触发型过电压控制开关之间连接有自动能量耦合电路；所述的自动能量耦合电路为二端口网络电路，其输入端口的上、下端分别与可控避雷器、具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的上、下电极连接，其输出端口与具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的环状场畸变触发电极(9)连接。
2.根据权利要求1所述的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，其特征在于：所述的密闭壳体内的介质为空气、氮气、氩气或其混合气体。
3.根据权利要求1所述的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，其特征在于：所述的上、下电极(3、4)的圆台型角度θ1、θ2为15°～60°。
4.根据权利要求1、2或3所述的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，其特征在于：所述的环状场畸变触发电极(9)“斜Z”字型端面的上金属端面(10)与上电极(3)圆台型侧平面相对应的面积大于环状场畸变触发电极(9)“斜Z”字型端面的下金属尖端面(11)与下电极(4)圆台型侧面相对应的面积。
5.根据权利要求4所述的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，其特征在于：所述的环状场畸变触发电极(9)“斜Z”字型端面的上金属端平面(10)与上电极(3)圆台型侧面之间的距离不小于环状场畸变触发电极(9)“斜Z”字型端面的下金属尖端面(11)与下电极(4)圆台型侧面之间的距离。
6.根据权利要求4所述的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，其特征在于：所述的环状场畸变触发电极(9)的上金属端平面(10)采用环宽为5-10mm的圆环状结构，环宽与上电极(3)的圆台型侧面宽度相等。
7.根据权利要求4所述的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，其特征在于：所述的环状场畸变触发电极(9)的下金属尖端面(11)采用环宽为1-3mm圆环状结构。
8.如权利要求1所述的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，其特征在于，所述的固定避雷器与可控避雷器均由多个氧化锌非线性电阻片(16)串联而成，通过绝缘填充胶(17)固定安装在绝缘套中，在串联的电阻片(16)上、下端均设置有通过避雷器上、下法兰(19、20)与串联的电阻片(16)电连接的避雷器上、下电极(14、18)，串联的电阻片外侧安装有外绝缘伞裙(15)，且可控避雷器的电阻片的数量少于固定避雷器的电阻片数量。
9.如权利要求8所述的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，其特征在于，所述的可控避雷器中氧化锌电阻片的数量为固定避雷器中氧化锌电阻片数量的15-30％。
10.如权利要求1所述的具有场畸变结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器，其特征在于，所述的自动能量耦合触发电路包括由两个耦合电容组成的能量耦合单元，其中一个耦合电容并联有升压脉冲变压器，升压脉冲变压器与其并联的耦合电容间设置有隔离间隙。
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