CN1847864A - 光纤复合架空地线雷击试验源 - Google Patents
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Abstract
一种光纤复合架空地线雷击试验源，涉及电力系统通信技术领域。采用连续电流“C”电流的方案，其电路组成包括：晶闸管调压电路、主变压器、电压等级转换开关、二极管整流电路、滤波电感和滤波电容、同步电源、控制电路、限流转换开关、程序给定器等。其调压方式采用可控硅晶闸管原边调压，副方整流，雷击实验时间通过封锁解封锁来控制；同步电源用于隔离主电路三相电源，经降压引到控制电路用于形成脉冲；交流侧的延时保护控制在4s以内。本发明的试验方案比较简洁，电流回路和时间控制回路简单，对点火回路的要求低、可以节省仪器仪表的设备投资。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统通信技术领域，尤其是一种电力特种光缆光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源。
背景技术
光纤复合架空地线(OPGW)既有光纤通信的各种优点，又在输电线路中起地线作用。在电力光缆中，光纤复合架空地线(OPGW)以其先进的制造技术，较高的使用可靠性而倍受用户信任。
安装在架空输电线上部的架空地线可以作为避雷线保护导线免受雷击损坏，所以它较易受雷击。受到雷击的架空地线可能会发生部分股线断裂的情况，这就需要提高架空地线的耐雷水平，以便提高输电系统的可靠性。而光纤复合架空地线(OPGW)不仅具有地线的功能，而且兼备光通信的功能，因此它的可靠性显得越来越重要，必须通过耐雷击试验来考察OPGW的耐雷水平，即在年雷暴日多的地区采用通过耐雷击试验级别高的OPGW。
虽然光纤复合架空地线(OPGW)有诸多优点，但是，毕竟使用经验不足。近年来，运行中的OPGW遭雷击的事故时有出现，外层损坏多股后，内层钢管内的光纤也可能会损坏，最终威胁光信号的传输，甚至造成通讯中断，因此，光纤复合架空地线(OPGW)耐雷击性能的研究也日益受到广泛重视。
OPGW雷击试验源应尽可能地接近自然界中实际的雷电所发生的电流和电荷转移情况，并模拟实际雷电作用于光缆的破坏效果。通过模拟试验可以考察OPGW的耐雷击性能。
雷击试验源的研制主要依据以下基本原理：
1、雷击电流
IEC60794-4-1标准附录F中针对高压环境中的光纤复合架空地线(OPGW)，提出了自然界雷击波形由四部分构成。参见图1所示，这四部分包括：
(1)初始冲击电流：称为″A″电流。初始冲击模拟雷电的第一次放电。它的上升时间少于25μs，脉冲持续时间少于500μs，峰值为120kA±10％。
(2)中间电流：称为″B″电流。这是一个呈指数衰减的波形，其电流平均值为2kA，脉冲长度少于5ms。转移电荷为10C。
(3)连续电流：称为″C″电流。连续电流的持续时间长、电流幅值低。用户决定连续电流的幅值、持续时间和转移电荷量的大小。在大多数情况下，用户将持续时间指定为50～500ms，将电流幅值设定为100A～1kA，将转移电荷设定为20～200库仑。
(4)再冲击电流：称为″D″电流。再冲击是模拟雷电的二次闪击。其峰值为100kA±10％，持续时间少于500μs。
通过总结以前所进行的许多试验可以得出这样的结论：尽管IEC60794-4-1标准所描述的雷击波形比较完备，但在实验室条件下不可能模拟这种波形，在进行试验室模拟测试时，并没有必要采用IEC60794-4-1附录F标准所规定的“A”和“D”部分电流。研究认为：在四个电流量中，只有C部分电流对光缆的损伤最大，因此，在进行试验室测试时，C部分也是最重要的参数，在试验过程中起决定作用是转移电荷量。在试验中，应该重点关注“C”部分电流转移电荷的量。相反，极短时间的“B”部分电流对电缆损伤不起多大作用，在试验中可以仅用于触发电弧。在负极性测试的开始阶段会用到“B”部分电流，以保证快速触发电弧。然而，遗憾的是：当电极是正极性时，“B”部分电流会干扰电弧的稳定性。通过大量对比试验发现，当不能利用完整的雷击波源对光缆进行试验时，仅利用“C”部分电流就可以保证每次测试结果的正确性。
2、OPGW雷击试验源的方案
在满足转移电荷规定的前提下，为了尽量减小进行雷击试验的难度，不同的研究人员采用了不同的方法。综合各方的观点，大致有以下几种：
第一种方案：采用″ABCD″电流的全波形。也就是包括：初始冲击(″A″)；中间电流(″B″)；连续电流(″C″)；再冲击(″D″)。
这种方案的商业价值不大，仅仅可作为研究工作的参考。
第二种方案：采用″B″电流+″C″电流。也就是包括：中间电流(″B″)和连续电流(″C″)。
″B″电流+″C″电流方案是一个比较折衷的方案，它避免了开头和结尾处的首次冲击和二次冲击的几百千安以上的大电流，又保持了″B″电流对光缆的冲击作用。
第三种方案：采用″C″电流。也就是仅包括：连续电流(″C″)。
放电电极加到光缆上的电流只是持续电流和持续时间非常短的点火回路的电流(电压)，通常在微秒级。
第四种方案：采用短时″A″电流+″C″电流。也就是包括：初始冲击(″A″)和连续电流(″C″)。
这种方案可以充分利用现有冲击电流发生器设备进行试验，能够最大限度地模拟雷电的首次冲击和再次冲击对光缆的影响。
第五种方案：采用长时″B″电流。
采用这种方案的时候，输出的电流是一个直流方波。这种试验方案使用的电压高、电流大、时间长，所以用作电源的变压器和整流器非常昂贵，增大了试验的成本。
2003年以前，由于试验设备的原因，国内还不能进行合格的OPGW耐雷电冲击模拟试验，国内产品需要做该项试验时，通常只能将样品送到国外，支付高额的试验费，由国外试验室来完成该项目试验。
经过国电信息中心的电力科技查新，对国内外相关数据库及有关网站进行了联机检索，并对国电信息中心的馆藏最新相关期刊进行了手工检索，通过比较分析得出，国外一般实现方式是采用高压冲击源加高压大电流，或高压冲击源加低压大电流，具有本发明特点的OPGW雷击试验源在国内外未见报道。光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源的发明解决了上述问题，填补了国内空白。
发明内容
针对现有技术当中存在的问题，本发明提出了一种光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源的方案，采用了上述的第三种方案，即连续电流″C″电流的方案，并对前面提到的诸多问题进行了改进与完善，以完全符合模拟雷击试验的要求。
本发明的技术方案是：一种光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源，不用高压冲击源，仅采用低压小电流方式实现雷击波源，其雷击试验源采用连续电流“C”电流，电路组成包括：晶闸管调压电路、主变压器、电压等级转换开关、二极管整流电路、滤波电感和滤波电容、同步电源、控制电路、限流转换开关和程序给定器等。主电路由六相复式半波整流电路组成，主变压器接有阻容吸收电路和晶闸管换相阻容吸收电路。电路接通交流电源后，先经过主变压器，然后经过二极管整流电路、稳压电路、滤波电路和限流电路，再经过控制电路和程序给定器控制试验的时间以及输出的电流值，从而保证电流转移电荷量附合标准的要求。
本方案仅采用常规电子元器件实现了“C”电流雷击波源。调压方式采用可控硅晶闸管原边调压，副方整流，放电(雷击实验)时间通过封锁解封锁来控制，其时间控制曲线为方波。
雷击试验电源要求设备放电时间0～2500ms，雷击实验时间通过封锁解封锁来控制。
光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源应用于OPGW雷击试验系统中，为OPGW耐雷击试验提供模拟雷击“C”电流部分连续电流源，使试验达到规定的放电电荷量。它与控制部分和测量部分构成系统的电气部分，再结合机械部分和光学部分就组成了OPGW“C”电流雷击试验系统，用以评定OPGW承受规定雷电冲击时OPGW的性能和光纤的光学特性。
由于采用了上述的技术方案，本发明的优点在于：试验方案比较简洁，具体表现在电流回路简单、时间控制回路简单、对点火回路的要求低、可以大量地节省仪器仪表的设备投资。
本装置除满足国际或国家或行业相关标准规定的电流、电荷量指标外，能在0～2500ms内灵活设定时间，从而灵活设定实验的电荷转移量。测量动态范围大，最大可达到1000库仑，不仅满足现在雷击实验的要求，还可满足今后更苛刻雷击环境对OPGW或常规地线的雷击实验要求。
附图说明
图1是IEC60794标准规定的OPGW雷击测试电流示意图。
图2-1是本发明的一种光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源的系统组成方框图。图2-2是雷击试验源的电气原理图。
图3是本发明的一种光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源的200C试验雷击连续电流波形图。
图4是本发明的一种光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源的150C试验雷击连续电流波形图。
图5是本发明的一种光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源的100C试验雷击连续电流波形图。
图6是本发明的一种光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源的50C试验雷击连续电流波形图。
图7是本发明的一种光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源的100C试验弧电压(115V)波形图。
图8是本发明的一种光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源的时间控制运行曲线图。
具体实施方式
参见附图2-1和图2-2：
本发明的主电路由六相复式半波整流电路组成，主变压器接有阻容吸收和晶闸管换相阻容吸收。电路接通交流电源后，先经过主变压器，然后经过二极管整流电路、稳压电路、滤波电路和限流电路，再经过控制电路和程序给定器控制试验的时间以及输出的电流值，从而保证电流转移电荷量附合标准的要求。
其中：
空气开关：用于三相进线与外进线隔离作用，可方便维修；
保险(熔断器)：保护设备内的主要器件(如可控硅、整流二极管等)；
同步电源：用于隔离主电路三相电源、经降压引到控制电路板用于脉冲形成；
接触器：用于三相进线与后部分主电路隔离作用，可起到双重保护作用；
晶闸管(可控硅)调压：通过控制电路及时间控制来控制可控硅的导通角，达到原边调压(交流电压)的目的；
主变压器：起到交流进线、电磁隔离、电压变换的作用；
电压等级转换开关：考虑到纹波要求，直流输出电压所需值(DC800V、DC700V、DC600V)不同在变压器初级设三个抽头，通过开关转换初级匝数来改变次级电压；
二极管整流电路：将变压器次级交流电压整流成300Hz的直流电；
滤波电感电路和滤波电容电路：降低整流后电压的纹波系数；
交流电流取样电路：用于在放电过程中控制电路出现故障时(如脉冲封锁不好或意外短路等情况)，控制整个设备在4秒后停机。
本发明的光纤复合架空地线(OPGW)雷击试验源的主要技术参数如下：
1)设备输入三相四线380V、50Hz允许±10％变化；
2)输出直流电压(空载时为三档：800V、700V、600V，通过改变变压器初级抽头达到此目的)，600V和700V用闸刀切换。启动波形90ms以内完成且直流电压可调，90ms以后直流容量不超过550V×400A(弧电压不超过200V)；
3)直流电流限流值分四档：100A、200A、300A、400A；
4)放电工作时(即0.1s～2.5s)的纹波系数不大于5％；
5)交流侧的延时保护控制在4s以内；
6)控制晶闸管的开通时间0.1s～2.5s可调，并有时间显示(单位毫秒)；
7)直流电源及开关部分装有各种操作过电压的保护；
8)主变压器容量按200KVA设计；
9)整个设备的噪声不大于75dB(用A级噪音机在距离柜中部四周离柜1米处测试)；
10)设备防护等级为IP20；
11)机柜尺寸：1400×1000×2200(宽×深×高)(包括厨头60)。
其中，连续电流测试结果见表1。
表1连续电流测试结果
| 试验级别 | 连续电流 | 持续时间 | 转移电荷量 |
| 200C | 400A | 572ms | 200.8As |
| 150C | 300A | 572ms | 152.1As |
| 100C | 200A | 560ms | 103.2As |
| 50C | 100A | 604ms | 47.73As |
连续电流波形图见图3-图6，弧电压波形见图7。
第一个曲线为运行控制端，在a1时刻取实验按钮按下时的上升沿，以后(只要停止按钮未按下)为高电平。第二个曲线为脉冲封锁控制端的输出曲线，在a1时刻实验按钮按下时的上升沿开始控制电路板进行t1时间段的延时(为电压环和电流环的电位作调整)在t2时间段未到之前一直保持高电平来封锁脉冲；t2为工作时间(即解封锁时间)这段时间为低电平，t2结束后转为高电平封锁脉冲设备无输出。印刷电路板(或系统)调整时间t1(0～2000ms可设定，建议设定为1200ms)，工作时间t2(0～2500ms可设定)。
Claims (5)
1、一种光纤复合架空地线雷击试验源，其特征在于：雷击试验源采用连续电流“C”电流，采用低压小电流方式实现雷击波源，其电路组成包括：晶闸管调压电路、主变压器、电压等级转换开关、二极管整流电路、滤波电感和滤波电容、同步电源、控制电路、限流转换开关、程序给定器；
主电路由六相复式半波整流电路组成，主变压器接有阻容吸收电路和晶闸管换相阻容吸收电路；电路接通交流电源后，先经过主变压器，然后经过二极管整流电路、稳压电路、滤波电路和限流电路，再经过控制电路和程序给定器控制试验的时间以及输出的电流值，从而保证电流转移电荷量附合标准的要求；
其调压方式采用可控硅晶闸管原边调压，副方整流；雷击实验放电时间通过封锁解封锁来控制；其时间控制曲线为方波；
同步电源：用于隔离主电路三相电源，经降压引到控制电路用于形成脉冲；
电压等级转换开关：为适应纹波的要求，在变压器初级设若干抽头，通过开关转换初级匝数来改变次级电压；
主变压器：起到交流进线、电磁隔离、电压变换的作用；
二极管整流电路：将变压器次级交流电压整流成直流电；
滤波电感电路和滤波电容电路：降低整流后电压的纹波系数；
2、根据权利要求1所述的一种光纤复合架空地线雷击试验源，其特征在于：通过改变变压器初级抽头，使得输出直流电压空载时为三档：800V、700V、600V；其中600V和700V用闸刀切换；
启动波形90ms以内完成且直流电压可调，90ms以后直流容量不超过550V×400A；弧电压不超过200V；
直流电流限流值分四档：100A、200A、300A、400A；
0.1s～2.5s放电工作时的纹波系数不大于5％；
交流侧的延时保护控制在4秒以内；交流电流取样电路用于在放电过程中控制电路出现故障时，控制整个设备在4秒后停机；
控制晶闸管的开通时间0.1s～2.5s可调，并有以毫秒为单位的时间显示；
直流电源及开关部分装有各种操作过电压的保护。
3、根据权利要求1或2所述的一种光纤复合架空地线雷击试验源，其特征在于：时间控制的运行曲线是：第一个曲线为运行控制端，在a1时刻取“实验”按钮按下时的上升沿，此后实验曲线为高电平，当按下“停止”按钮后，曲线变为低电平；
第二个曲线为脉冲封锁控制端的输出曲线，在a1时刻实验按钮按下时的上升沿开始控制电路板进行t1时间段的延时，为电压环和电流环的电位作调整，在t2时间段未到之前一直保持高电平来封锁脉冲；t2为工作时间，即解封锁时间，这段时间为低电平，t2结束后转为高电平封锁脉冲设备无输出。
4、根据权利要求3所述的一种光纤复合架空地线雷击试验源，其特征在于：印刷电路板或系统的调整时间t1在0~2000ms之间设定，工作时间t2在0~2500ms之间设定。
5、根据权利要求4所述的一种光纤复合架空地线雷击试验源，其特征在于：印刷电路板或系统的调整时间t1设定为1200ms。
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