CN114973831A - 一种基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，包括断路器、模拟负载、放电间隙、电压互感器、触发控制单元；断路器、模拟负载与放电间隙依次相连；电压互感器并联接入断路器低压端和大地之间；触发控制单元通过信号线缆与高压导线分别与电压互感器和放电间隙中的等离子体射流喷射装置相连。利用喷射出的等离子体射流，在放电间隙中引燃真实的电弧过程；同时利用等离子体射流微秒级的可控性，配合模拟负载、断路器、电压互感器等部件，实现故障初始相角、过渡阻抗形式与阻值、电弧熄灭过程的精确可控。为电网真型试验领域，提供一种高可控性、高拟真性的电弧故障模拟技术，保障参试人员与设备的安全、提升试验效率。
Description
技术领域
本发明属于电网真型试验技术领域，具体涉及一种基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置。
背景技术
随着电力系统规模与技术水平的发展，越来越多的继电保护类、在线监测类设备部署于各电压等级的电力网络中，为电力系统运行安全、设备安全提供技术支持。相应的，如何客观评价技术路线、供应商众多的继电保护和在线监测类设备的实际效能，成为了亟待解决的问题。电网真型试验技术，相较于传统的实验室级继电保护测试仪、动模仿真等技术手段，能够产生更接近电网实际运行状态的故障特征信号；相较于真实运行的电力网络，又可以人为制造和复现各类故障工况，是检验、考核各类继电保护和在线监测设备的重要试验技术，受到业内的普遍重视。
在电网真型试验技术中，如何复现真实、可控的电弧故障，是一个长期存在的技术难点。在既有技术手段中，存在着电弧真实性、可控性的矛盾。目前一种经典的电弧故障模拟方法，是将接地极接入大地，实验人员利用绝缘杆将接地线搭接在待测线路上。这种试验方法，可以引燃真实的电弧，但是无法精确控制故障初始相角、过渡电阻阻值等参数变量，无法准确复现电网运行中各类真实故障工况，同时在实验的安全性、易操作性上也存在不足。另一种电弧故障模拟方法，是利用晶闸管、IGBT等半导体开关优秀的控制性能，控制试验支路在精确时刻的导通与断开，从而模拟真实的电弧过程。这类试验方法，虽然实现了故障初始相角、过渡电阻阻值等参数变量的精确控制，但由于试验支路中不存在真实的电弧过程，无法产生由于电弧等离子体本身的非线性过程引入的丰富暂态信号，制约了真型试验的拟真性。
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，提供一种基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，为电网真型试验领域，提供一种高可控性、高拟真性的电弧故障模拟技术，保障参试人员与设备的安全、提升试验效率。
本发明采用以下技术方案：
一种基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，包括用于控制整套电弧模拟装置投入、退出和灭弧的模拟负载Z，模拟负载Z的一端经断路器K与待测高压母线M连接，另一端经放电间隙C与大地G连接，放电间隙C内设置有等离子体射流喷射装置，断路器K的低压端和大地G之间并联连接电压互感器U，电压互感器U的信号输出端和等离子体射流喷射装置分别与触发控制单元P电连接。
具体的，模拟负载Z内并联设置有多个支路，每个支路包含串联连接的选通开关Si和大功率阻抗。
进一步的，大功率阻抗为金属性短接导体ZO，大功率电阻ZR，或者避雷器ZA。
更进一步的，大功率电阻ZR选用0.1～10000Ω的功率型电阻，避雷器ZA为不带串联间隙的避雷器。
具体的，放电间隙C包括高压电极CB和低压电极CA，高压电极CB与模拟负载Z连接，低压电极CA与大地G连接，等离子体射流喷射装置设置在低压电极CA内。
具体的，等离子体射流喷射装置包括低压电极DB和高压电极DA，低压电极DB和高压电极DA设置在熔蚀材料B内，低压电极DB的一端与喷嘴N连接，另一端经熔蚀腔Q与高压电极DA连接，熔蚀腔Q的侧面与贯穿熔蚀材料B的脉冲电极DC连接，高压电极DA、低压电极DB和脉冲电极DC分别与触发控制单元P内设置的等离子体触发器T电连接。
进一步的，高压电极DA和低压电极DB选用铜钨合金、黄铜或不锈钢材料制成，熔蚀材料B为高密度聚合物材料，包括高密度聚乙烯、聚四氟乙烯或聚碳酸酯。
进一步的，熔蚀腔Q的管径为1～5mm，管长为5～80mm。
进一步的，喷嘴N的开口为锥角结构，锥角结构的全角度为8°～30°。
具体的，触发控制单元P包括触发板F，触发板F通过通信线缆与工控机R连接，触发板F通过信号线缆与电压互感器U的信号输出端连接，触发板F通过控制光纤与等离子体触发器T的一端连接，等离子体触发器T的另一端通过高压导线L与等离子体射流喷射装置连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，通过断路器控制整套装置的投入与切除，可以保证电弧的分断与熄灭，保证真型试验安全、提升试验效率，利用喷射出的等离子体射流，在亚毫秒的时间内实现放电间隙的导通及电弧的引燃，通过与触发控制单元、电压互感器的配合，实现电弧初始故障相角的精确可控。
进一步的，模拟负载Z采用多路可选通的结构，可以在引入真实电弧的基础上，实现不同过渡电阻、以及金属性电弧、避雷器外电弧闪络等负载特性的模拟。
进一步的，属性短接导体ZO、大功率电阻ZR和避雷器ZA，基本可以覆盖配电网中常见的接地故障类型，分别对应金属性接地、过渡电阻接地和避雷器闪络。
进一步的，大功率电阻ZR选用0.1～10000Ω的阻值范围，可以基本覆盖绝缘失效、树枝搭接、断线等常见配电网故障的过渡电阻特征；避雷器ZA由于与放电间隙C的配合关系，为了使放电间隙C工作更加稳定，避雷器ZA选用不带串联间隙的避雷器。
进一步的，等离子体射流喷射装置设置在低压电极CA内，同时低压电极CA与大地G连接，这样做的好处是，在放电间隙C击穿前，整套等离子体射流喷射装置处于地电位，整个装置的高电位由高压电极CB承担，降低了绝缘设计的难度和成本。
进一步的，低压电极DB和高压电极DA设置在熔蚀材料B内，低压电极DB的一端与喷嘴N连接，另一端经熔蚀腔Q与高压电极DA连接，熔蚀腔Q的侧面与贯穿熔蚀材料B的脉冲电极DC连接，高压电极DA、低压电极DB和脉冲电极DC分别与触发控制单元P内设置的等离子体触发器T电连接；在脉冲电压的作用下，脉冲电极DC和高压电极DA首先产生绝缘沿面闪络，产生等离子体；等离子体进一步促进高压电极DA和低压电极DB之间产生放电通道，保证脉冲电流波的能量注入熔蚀腔Q；之后熔蚀腔Q的表面在脉冲电流的作用下消融并电离为等离子体；等离子体在熔蚀腔Q内由于毛细管效应，产生瞬间的极高压强，推动等离子体本身由喷嘴N射出，形成等离子体射流。
进一步的，高压电极电极DA、低压电极DB和脉冲电极DC选用铜钨合金、黄铜或不锈钢材料是综合考虑耐烧蚀能力和成本；熔蚀材料B选用高密度聚乙烯、聚四氟乙烯或聚碳酸酯等高密度聚合物材料是为了获得尽可能远的喷射距离和尽可能高的带电粒子密度。
进一步的，熔蚀腔Q设计成细长管状，是为了增强毛细管效应，实现更大的射流初速度和喷射距离。
进一步的，喷嘴N设计为开口锥角，是为了兼顾更大的喷射范围和更远的喷射距离。
进一步的，操作人员能够通过工控机R向触发板F设置故障初始相角，以及发送触发命令。触发板F收到触发命令后，进入触发流程，利用电压互感器U监测高压母线M实时电压，并与设置的故障初始相角参数相比较，待实时电压满足初始相角参数后，向等离子体触发器P发送触发命令。整个过程的时间精度优于1us，保证了故障初始相角的精确可调，等离子体射流喷射装置在等离子体触发器P产生的脉冲电压、脉冲电流下，自喷嘴形成等离子体射流，贯穿高压电极CA和低压电极CB，在放电间隙C中引燃电弧。整个过程的时间精度优于5us，保证了电弧引燃时刻的精确可调。
综上所述，本发明在引入真实电弧的基础上，形成故障初始相角、过渡电阻的精确可控，能够模拟金属性电弧接地、过渡电阻电弧接地、避雷器外电弧闪络等多种故障形式。兼顾了电网真型试验中电弧真实性和可控性，同时保证了试验安全、提升了试验效率。
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为本发明结构示意图；
图2为本发明一种实施例示意图。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，利用喷射出的等离子体射流，在放电间隙中引燃真实的电弧过程；同时利用等离子体射流微秒级的可控性，配合模拟负载、断路器、电压互感器等部件，实现故障初始相角、过渡阻抗形式与阻值、电弧熄灭过程的精确可控。
请参阅图1，本发明一种基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，包括断路器K、模拟负载Z、放电间隙C、电压互感器U、触发控制单元P。
断路器K的高压端连接待测高压母线M，断路器K的低压端连接模拟负载Z，用于控制整套电弧模拟装置的投入、退出和灭弧。
模拟负载Z的一端连接断路器K的低压端，另一端连接放电间隙C的高压电极CB，用于为电路故障试验接入可选择的过渡电阻；放电间隙C的低压电极CA与大地G连接，低压电极CA内安装1套等离子体射流喷射装置。
电压互感器U并联接入断路器K的低压端和大地G之间，信号输出端与触发控制单元P的触发板F连接，用于测量高压母线M的电压信号。
触发控制单元P包括工控机R、触发板F和等离子体触发器T，用于控制故障初始相角。
在触发控制单元P中，工控机R通过通信线缆与触发板F连接，触发板F通过信号线缆与电压互感器U的信号输出端连接；触发板F通过控制光纤与等离子体触发器T连接，通过等离子体触发器T对等离子体射流喷射装置进行控制。
触发板F首先收到工控机R发送的相角参数，之后利用电压互感器U实时监测高压母线M的电压相位；触发板F在收到工控机R发送的触发命令后，待下一个工频周期里、高压母线M的电压相位与预设相角参数相同的时刻，向等离子体触发器T发送触发命令。
放电间隙C包括高压电极CB和低压电极CA，低压电极CA内安装1套等离子体射流喷射装置，低压电极CA与大地G相连。
其中，离子体射流喷射装置包括高压电极DA、低压电极DB、脉冲电极DC、熔蚀材料B、熔蚀腔Q和喷嘴N，高压电极DA和低压电极DB设置在熔蚀材料B内，喷嘴N与低压电极DB连接，高压电极DA和低压电极DB之间通过熔蚀腔Q连接，高压电极DA、低压电极DB和脉冲电极DC分别通过高压导线LA与等离子体触发器T连接。
熔蚀材料B包含一个通孔，该通孔为熔蚀腔Q；高压电极DA和低压电极DB分别与熔蚀腔Q的两端相连；脉冲电极DC穿过熔蚀材料B与熔蚀腔Q侧面相连；喷嘴N与熔蚀腔Q相通。
高压电极DA通过高压导线LA与等离子体触发器T的高压端连接；低压电极DB通过高压导线LA与等离子体触发器T的低压端连接；脉冲电极DC通过高压导线LA与等离子体触发器T的脉冲端连接。
优选的，高压电极DA和低压电极DB选用铜钨合金、黄铜或不锈钢材料。
优选的，熔蚀材料B为高密度聚乙烯、聚四氟乙烯或聚碳酸酯等高密度聚合物材料。
优选的，熔蚀腔Q的管径为1～5mm，管长为5～80mm。
优选的，喷嘴N为一扩张的锥角，锥角全角度为8°～30°。
优选的，等离子体触发器T通过高压导线L与等离子体射流喷射装置相连，在收到触发板F的触发命令后，等离子体触发器T先输出10～100kV脉冲电压，然后输出峰值2～20kA、脉宽10～100μs的脉冲电流，用于激发等离子体射流喷射装置产生等离子体射流。
在模拟负载Z中，包含了若干个并联连接的支路。
优选的，每个支路包含串联连接的选通开关Si和大功率阻抗。
优选的，选通开关Si为机械开关，可人为控制开合，当某个支路的选通开关Si闭合，其他开关断开时，选通开关Si所在支路的阻抗被接入试验回路。
大功率阻抗为金属性短接导体ZO，或者大功率电阻ZR，或者避雷器ZA；大功率电阻ZR阻值选用0.1～10000Ω的功率型电阻。
避雷器ZA选用不带串联间隙的避雷器，其电压等级与待测高压母线M的电压等级相匹配。
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。基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，高压导线M电压等级为10kV。模拟负载Z共包含4个支路，其中支路1为金属性短接导体ZO，支路2为10kV无间隙避雷器ZA，支路3为1000Ω大功率电阻ZR3，支路4为10Ω大功率电阻ZR4。高压电极DA、低压电极DB和脉冲电极DC选用黄铜材料；熔蚀材料B选用聚四氟乙烯；熔蚀腔Q管径1mm，管长为5mm；喷嘴N是一扩张的锥角，锥角全角度为30°；所述等离子体触发器T能先输出10kV脉冲电压，之后输出峰值2kA、脉宽10us的脉冲电流
请参阅图2，本发明基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置在电网真型试验中的应用，包括以下步骤。
S1、将断路器K连接至待测的高压母线M，电压互感器U的低压端以及低压电极CA连接至大地G；
S2、闭合某个选通开关Si，打开其他的选通开关，将金属性短接导体ZO、某个阻值的大功率电阻ZRi、或避雷器ZA接入测试回路；
S3、操作人员在工控机R上配置故障初始相角；闭合断路器K，将高压母线M上的电压加载到电弧模拟装置上；
S4、操作人员在工控机R上下达触发命令。在触发板F收到触发命令后，利用电压互感器U测量的高压母线M的电压，与预设的故障初始相角进行实时比较，待实时电压达到预设故障相角是，向等离子体触发器T下达触发命令；
S5、等离子体触发器T在收到触发命令后，通过高压导线LA向等离子体射流喷射装置先后输出10kV脉冲电压和2kA、10us脉冲电流；10kV脉冲电压首先在高压电极DA和脉冲电极DC之间造成绝缘沿面闪络，产生等离子体；等离子体进一步促进高压电极DA和低压电极DB之间产生放电通道，之后等离子体触发器T将2kA、10us的脉冲电流波通过放电通道注入熔蚀腔Q，将熔蚀材料B的表面消融并电离为等离子体；等离子体在熔蚀腔Q内由于毛细管效应，产生瞬间的极高压强，推动等离子体本身由喷嘴N射出，形成等离子体射流；等离子体射流贯穿高压电极CA和低压电极CB，在放电间隙C中引燃电弧；
S6、若电弧在试验过程中自熄灭，断开断路器K，将可控电弧模拟装置退出运行，重复开始步骤S2进行下一发次试验；若电弧在试验过程中持续燃烧，待试验项目顺利结束后，可断开断路器K，强制电弧熄灭，待绝缘恢复后方可重复开始步骤S2进行下一发次试验。
从上述实施例中可以看出，放电间隙C实现了在配电网故障模拟装置中引入真实电弧。利用互感器U、触发控制单元P、等离子体射流喷射装置的配合关系，实现了故障初始相角的精确可控。利用模拟负载Z实现了故障过渡电阻的精确可控。利用断路器K保障了电弧可靠熄灭与试验安全。因而，本发明给配电网真型试验技术领域提供了一种高可控性、高拟真性的电弧故障模拟技术，保障参试人员与设备的安全、提升试验效率。
综上所述，本发明一种基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，在引入真实电弧的基础上，形成故障初始相角、过渡电阻的精确可控，能够模拟金属性电弧接地、过渡电阻电弧接地、避雷器外电弧闪络等多种故障形式。兼顾了电网真型试验中电弧真实性和可控性，同时保证了试验安全、提升了试验效率。
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 (10)
1.一种基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，其特征在于，包括用于控制整套电弧模拟装置投入、退出和灭弧的模拟负载Z，模拟负载Z的一端经断路器K与待测高压母线M连接，另一端经放电间隙C与大地G连接，放电间隙C内设置有等离子体射流喷射装置，断路器K的低压端和大地G之间并联连接电压互感器U，电压互感器U的信号输出端和等离子体射流喷射装置分别与触发控制单元P电连接。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，其特征在于，模拟负载Z内并联设置有多个支路，每个支路包含串联连接的选通开关Si和大功率阻抗。
3.根据权利要求2所述的基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，其特征在于，大功率阻抗为金属性短接导体ZO，大功率电阻ZR，或者避雷器ZA。
4.根据权利要求3所述的基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，其特征在于，大功率电阻ZR选用0.1～10000Ω的功率型电阻，避雷器ZA为不带串联间隙的避雷器。
5.根据权利要求1所述的基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，其特征在于，放电间隙C包括高压电极CB和低压电极CA，高压电极CB与模拟负载Z连接，低压电极CA与大地G连接，等离子体射流喷射装置设置在低压电极CA内。
6.根据权利要求1或5所述的基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，其特征在于，等离子体射流喷射装置包括低压电极DB和高压电极DA，低压电极DB和高压电极DA设置在熔蚀材料B内，低压电极DB的一端与喷嘴N连接，另一端经熔蚀腔Q与高压电极DA连接，熔蚀腔Q的侧面与贯穿熔蚀材料B的脉冲电极DC连接，高压电极DA、低压电极DB和脉冲电极DC分别与触发控制单元P内设置的等离子体触发器T电连接。
7.根据权利要求6所述的基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，其特征在于，高压电极DA和低压电极DB选用铜钨合金、黄铜或不锈钢材料制成，熔蚀材料B为高密度聚合物材料，包括高密度聚乙烯、聚四氟乙烯或聚碳酸酯。
8.根据权利要求6所述的基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，其特征在于，熔蚀腔Q的管径为1～5mm，管长为5～80mm。
9.根据权利要求6所述的基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，其特征在于，喷嘴N的开口为锥角结构，锥角结构的全角度为8°～30°。
10.根据权利要求1所述的基于等离子体射流触发的可控电弧故障模拟装置，其特征在于，触发控制单元P包括触发板F，触发板F通过通信线缆与工控机R连接，触发板F通过信号线缆与电压互感器U的信号输出端连接，触发板F通过控制光纤与等离子体触发器T的一端连接，等离子体触发器T的另一端通过高压导线L与等离子体射流喷射装置连接。
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