CN211879151U - 一种用于直流高电压发生器的大尺度保护电阻 - Google Patents
一种用于直流高电压发生器的大尺度保护电阻 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种用于直流高电压发生器的大尺度保护电阻，包括长度不小于10米的环氧树脂绝缘筒，在环氧树脂绝缘筒绕有电阻丝，所述环氧树脂绝缘筒等距离至少分为三段，每一段环氧树脂绝缘筒两端分别设置有法兰接口，每一段环氧树脂绝缘筒上缠绕的电阻丝首尾端分别与两端法兰接口连接，所述三段环氧树脂绝缘筒之间通过法兰串接在一起，在每一段环氧树脂绝缘筒两端分别设置有均压环，在保护电阻上设置均压环可明显改善保护电阻沿表面的电位和电场分布，防止发生保护电阻外绝缘闪络，防止保护电阻表面发生外绝缘闪络，危害电力设备的安全运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于直流高电压发生器的大尺度保护电阻。
背景技术
在我国特高压交流工程系统调试过程中，预加存在的直流电压对气体间隙冲击放电特性的影响值得考虑。为研究残余直流电压与冲击电压叠加产生的对特高压GIS母线绝缘的影响，需要开展直流叠加冲击电压试验，因此，需要研究设计特高压电压等级的直流叠加冲击试验回路。
对于直流叠加冲击电压试验，要求两种电压同时施加到试品上，因此试验回路要进行特殊设计，为防止冲击电压对直流电压发生器产生影响，通常方法主要是在回路的直流电压发生器与试品之间增加保护电阻。由于实际电阻结构存在的剩余电感与寄生电容对电阻的电压分布均会产生影响，保护电阻在进行直流叠加冲击电压试验过程中，保护电阻表面可能发生外绝缘闪络，影响设备的安全运行。因此，传统的保护电阻显然不能满足特高压输电线路直流叠加冲击电压试验的需要，特别是±900 千伏直流叠加±2400 千伏雷电或±1800 千伏操作冲击电压试验的需要，因此，需要对保护电阻的结构进行优化设计，选取最优的保护电阻结构。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种用于直流高电压发生器的大尺度保护电阻，通过在保护电阻上设置均压环以及在保护电阻表面绕制无感线圈，提高了保护电阻表面电压分布均匀性，防止保护电阻表面发生外绝缘闪络，从而保证输电线路直流叠加冲击试验的安全可靠性。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：
一种用于直流高电压发生器的大尺度保护电阻，包括长度不小于10米的环氧树脂绝缘筒，在环氧树脂绝缘筒绕有电阻丝，所述环氧树脂绝缘筒等距离至少分为三段，每一段环氧树脂绝缘筒两端分别设置有法兰接口，每一段环氧树脂绝缘筒上缠绕的电阻丝首尾端分别与两端法兰接口连接，所述三段环氧树脂绝缘筒之间通过法兰串接在一起，在每一段环氧树脂绝缘筒两端分别设置有均压环，所述均压环包括由金属管环绕环氧树脂绝缘筒形成的金属环，金属环通过与环氧树脂绝缘筒两端法兰接口之间均匀设置的多个支撑辐条呈伞状支撑固定形成环罩，其中，三段环氧树脂绝缘筒中两侧段环氧树脂绝缘筒外侧设置的均压环大于三段环氧树脂绝缘筒中其余均压环，将其称之为大均压环，其余均压环称之为小均压环。
方案进一步是：所述大均压环与小均压环的金属管直径范围是150 mm至340mm，支撑辐条的长度形成的罩深范围是400 mm至1000mm，金属环直径范围是900 mm至3400mm，其中：小均压环的金属管直径、罩深以及金属环直径是上述范围中的最小值。
方案进一步是：所述每一段环氧树脂绝缘筒上缠绕的电阻丝是上下层对绕无感结构，层与层之间垫有聚丙乙烯薄膜。
方案进一步是：保护电阻承受的是直流高电压发生器±900千伏直流电压叠加±2400 千伏雷电冲击电压或±1800 千伏操作冲击电压。
方案进一步是：保护电阻的电阻值是800千欧姆。
本实用新型的有益效果是：
通过在保护电阻上设置均压环以及在保护电阻丝的无感绕制结构，可有效降低电阻的感抗值，提高了保护电阻表面电压分布均匀性，有效的减少直流发生器上承受的冲击电压，设置的均压环，可明显改善保护电阻沿表面的电位和电场分布，防止发生保护电阻外绝缘闪络，防止冲击电压会加到直流电压发生器上造成直流电压发生器的损坏，从而保证输电线路直流叠加冲击试验的安全可靠性。
下面结合附图和实施例对本实用新型作一详细描述。
附图说明
图1是本实用新型结构示意图；
图2是本实用新型仿真模型电路图；
图3为保护电阻在不同取值下的直流叠加操作冲击电压试验直流电压发生器输出侧仿真波形；
图4为保护电阻在不同取值下的直流叠加雷电冲击电压试验直流电压发生器输出侧仿真波形；
图5为保护电阻漆包金属线圈四种结构的电压分布图；
图6为加均压环在大均压环侧段保护电阻二维简化仿真模型；
图7为大均压环在不同环径下保护电阻沿面电位分布曲线图；
图8为大均压环在不同管径下保护电阻沿面电位分布曲线图；
图9为大均压环在不同罩深下保护电阻沿面电位分布曲线图；
图10为对比无均压环、均压环优化前和均压环优化后三种情况下保护电阻沿面电位分布曲线图；
图11为对比无均压环、均压环优化前和均压环优化后三种情况下保护电阻沿面电场分布曲线图。
具体实施方式
一种用于直流高电压发生器的大尺度保护电阻，如图1所示，大尺度保护电阻包括长度不小于10米的环氧树脂绝缘筒1，环氧树脂绝缘筒的直径是350mm，在环氧树脂绝缘筒绕有电阻丝4，所述环氧树脂绝缘筒等距离至少分为三段，每一段环氧树脂绝缘筒两端分别设置有法兰接口102，每一段环氧树脂绝缘筒上缠绕的电阻丝首尾端分别与两端法兰接口连接，所述三段环氧树脂绝缘筒之间通过法兰串接在一起形成保护电阻的电阻值，在每一段环氧树脂绝缘筒的两端分别设置有均压环，所述均压环包括由金属管201、301环绕环氧树脂绝缘筒形成的金属环202、302，金属环通过与环氧树脂绝缘筒两端法兰接口之间均匀设置的多个支撑辐条203、303呈伞状支撑固定形成环罩，其中，三段环氧树脂绝缘筒中两侧段环氧树脂绝缘筒外侧设置的均压环大于三段环氧树脂绝缘筒中的其余均压环，将其称之为大均压环2，其余均压环称之为小均压环3，设置均压环用于提高保护电阻表面电压分布的均匀性。
为保证电阻棒表面电场分布均匀，在三段环氧树脂绝缘筒中两侧段环氧树脂绝缘筒外侧设置大均压环，中间段与段连接处增设小均压环，均压环环外形尺寸制作成类似避雷器用屏蔽环，能够更有效的使电场分布均匀。均压环的三个参数如图1所示，图中D为环径，d为管径，H为罩深。其中：所述大均压环与小均压环的金属管直径范围是150 mm至340mm，支撑辐条的长度形成的罩深范围是400 mm至1000mm，金属环直径范围是900 mm至3400mm，其中：小均压环的金属管直径、罩深以及金属环直径是上述范围中的最小值。
其中：所述大均压环的金属管直径、罩深以及金属环直径是通过在所述范围内的多组数据进行电位分布仿真计算形成多组电位曲线分布图，选择多组电位曲线分布图中的最佳电位曲线分布图所对应的数据确定大均压环的金属管直径、罩深以及金属环直径。
假设保护电阻清洁干燥，同时又由于保护电阻是典型的轴对称结构，因此，仿真计算的仿真模型可简化为二维单根计算模型，一侧高压端加大均压环，另一侧低压端加小均压环。
实际保护电阻悬挂于特高压试验大厅顶部，是开域问题。本文为了简化计算和降低计算上的误差，选择直径约为该保护电阻长度10倍的圆形作为外部空气域，来模拟无限大边界。
均压环选择与高压侧和接地侧同种材质，介电常数同样为1×1012。施加边界条件的时候，高压侧均大压环上的电位需要保持与高压端相等，即＋2400千伏；接地侧小均压环上的电位需要保持与接地端相等，即0。采用自由三角形网格进行剖分，由于模型较为简单，因此，直接采用物理场控制网格，加均压环时保护电阻的二维简化仿真模型如图6所示。
对保护电阻高压侧大均压环结构进行优化设计
（1）取均压环管径240mm、罩深1000mm，将均压环环径D从1400mm逐渐提高至3400mm，每次取值间隔为500mm，电阻高压侧金具表面及均压环表面的场强最大值见表1，图7给出了不同环径下保护电阻沿面电位分布，D=3400mm对应的是最内侧的分布波形，依次、D=1400mm对应的是最外侧的分布波形。经分析，取大均压环环径为2400-2900mm较为合适。
表1 D取值不同时最大场强计算结果
（2）取大均压环环径2400mm、管径240mm，将均压环深H从400mm逐渐提高至1600mm，每次取值间隔为300mm，电阻高压侧金具表面及均压环表面的场强最大值见表2，图8给出了不同罩深下保护电阻沿面电位分布。H=400mm对应的是最内侧的分布波形，依次、H=1600mm对应的是最外侧的分布波形。经分析，取大均压环深为400-700mm较为合适。
表2 H取值不同时最大场强计算结果
（3）取均压环环径2400mm、罩深1000mm，将均压环管径d从140mm逐渐提高至340mm，每次取值间隔为50mm，电阻高压侧金具表面及均压环表面的场强最大值见表3，图9给出了不同管径下保护电阻沿面电位分布。d=340mm对应的是最内侧的分布波形，依次、d=140mm对应的是最外侧的分布波形。经分析，取均压环管径为240-290mm较为合适。
表3 d取值不同时最大场强计算结果
（4）通过以上均压环配置参数的优化计算，综合考虑，取环径2700mm、罩深500mm、管径250mm作为大均压环的优化尺寸。对比无均压环、均压环优化前和均压环优化后三种情况，分别计算电阻高压侧金具表面及均压环表面的场强最大值见表4，图10和图11分别为三种情况下电阻沿面电位和电场分布。整体而言，优化后的均压环优化电位分布的作用更加优秀，更能保证保护电阻的安全运行。
表4 三种情况下最大场强计算结果
从表4中看出：高压侧无均压环时场强值很高，而加了均压环后明显场强有所下降，而优化后，即相对于另一端增大尺寸会进一步降低场强。
实施例中：所述每一段环氧树脂绝缘筒上缠绕的电阻丝是上下层对绕无感结构，两层反方向绕制首尾相接线圈结构，层与层之间垫有聚丙乙烯薄膜。
其中：所述两层反方向绕制首尾相接线圈结构是通过对二种绕线方式分别进行电阻表面电压分布仿真计算后进行对比确定的，所述二种绕线方式分别是：单线密绕有感结构和双线对绕无感结构。
综合考虑以下四种情况：
1，电阻丝为单线密绕有感结构且寄生电容分布不均匀；
2，电阻丝为单线密绕有感结构且寄生电容分布较均匀；
3，电阻丝为双线对绕无感结构且寄生电容分布不均匀；
4，电阻丝为双线对绕无感结构且寄生电容分布较均匀。
为探讨上述四种情况对输出波形的影响，采用电力电磁暂态仿真技术，电力电磁暂态仿真技术是广泛使用的已知技术，利用电力电磁暂态仿真技术对电阻承受电压进行建模分析，简化模型中有主电容、波头电阻和波尾电阻。主电容短暂的充放电可以产生标准雷电冲击波形。
饶有电阻丝的环氧树脂绝缘筒共分为三段，分析计算时将其中每一段细化为10小段，分析电压分布情况，如图5所示，得到a、b、c、d四种情况下电压分布图，选取1段、3段、5段、7段、9段，这5小段电压进行对比，从图5中可以看出由于剩余电感会构成高频振荡回路，导致输出波形畸变，因此，为使电阻的剩余电感尽可能减小，电阻丝采用双线对绕无感绕制方法，层与层之间包垫聚丙乙烯薄膜增加绝缘，电阻丝外表喷涂耐污性能良好的RTV材料进行保护。
实施例中：所述保护电阻选择承受的是直流高电压发生器±900千伏直流电压叠加±2400 千伏雷电冲击电压或±1800 千伏操作冲击电压。
在上述承受电压状态下，所述保护电阻的电阻值是通过下述步骤确定：
第一步：在一个确定的阻值范围内选择多个不同阻值的电阻；
第二步：对不同阻值的两组电阻在仿真模型中分别进行正负极性中任意一种极性的900千伏直流电压叠加1800千伏操作冲击电压仿真、以及900千伏直流电压叠加2400千伏雷电冲击电压两组仿真计算，并输出两组仿真计算中对应不同阻值的直流电压发生器侧最大输出电压值的电压波形图；
第三步：从两组电压波形图中选择直流电压发生器输出电压波形变化最小所对应的电阻值为保护电阻值。
仿真模型电路如图2所示：图中示出了直流电压发生器5、冲击电压发生器6、保护电阻Rd、隔直电容Cd以及试品等值电容7、分压器8，冲击电压发生器用模拟雷电冲击电压和操作过电压，所述确定的阻值范围是通过如下公式1实现的；
公式1：
公式1是直流叠加操作冲击试验所用公式，是公知技术，其中：Rd为保护电阻值；Cd为仿真模型冲击电压试验电路中滤波电容，通常取值50 nF； Um为试验施加的冲击电压峰值；Uk为试验施加的直流电压发生器直流电压；T2分别为试验施加的雷电冲击电压半峰值时间和操作过电压半峰值时间。
其中：保护电阻的阻值选择还应满足远小于1200 兆欧姆分压器电阻和远大于冲击电压发生器32千欧姆波头电阻。（注：1200 兆欧姆和32千欧姆是现场试验设备的参数）。通过公式1计算结果可得出保护电阻的阻值范围为37.5千欧姆≤Rd<<1200兆欧姆。
在此范围内，一个具体的实施例是：根据常用电阻，选择保护电阻Rd为50千欧姆、100千欧姆、300千欧姆、500千欧姆和800千欧姆，分别放在操作过电压半峰值时间取值2500微妙的直流叠加操作冲击试验回路以及雷电冲击电压半峰值时间取值50 微妙的直流叠加雷电冲击电压试验回路中进行仿真计算，比较不同电阻值的保护电阻的保护直流电压发生器的作用，在每个工况中选出较为合适的电阻值，最后综合两种工况下，选出最优电阻。其中：雷电冲击电压半峰值时间取值应对±900千伏直流电压叠加±2400千伏雷电冲击电压仿真计算；操作过电压半峰值时间取值应对±900千伏直流电压叠加±1800千伏操作冲击电压仿真计算。
其中：
仿真回路简化模型如图2所示。设隔直电容为0.03 微法，试品等值电容约为0.007微法。针对试品不闪络时进行仿真。
1，图3是保护电阻在50千欧姆、100千欧姆、300千欧姆、500千欧姆和800千欧姆的不同阻值下，进行＋900千伏直流电压叠加＋1800千伏操作冲击电压仿真，直流电压发生器输出侧仿真波形，如图3所示，仿真结果表明：当保护电阻为50 千欧姆和100 千欧姆时，直流电压发生器输出侧电压幅值高于1200 千伏，会对直流电压发生器造成损坏，当Rd ≥300千欧姆时可以满足保护直流电压发生器的要求，选择800 千欧姆的保护电阻保护直流电压发生器的效果更好。
2，图4是保护电阻在50千欧姆、100千欧姆、300千欧姆、500千欧姆和800千欧姆的不同阻值下，进行＋900千伏直流电压叠加＋2400千伏雷电冲击电压仿真，直流电压发生器输出侧仿真波形，如图4所示，仿真结果表明：电阻在300 千欧姆至800 千欧姆之间，电压波形整体趋于＋900 千伏，很大程度上滤去了冲击电压分量对直流电压发生器的影响，均能起到保护直流电压发生器的作用。
综合直流叠加操作冲击与雷电冲击仿真计算结果，保护电阻应选择800 千欧姆较合适。
Claims (5)
1.一种用于直流高电压发生器的大尺度保护电阻，包括长度不小于10米的环氧树脂绝缘筒，在环氧树脂绝缘筒绕有电阻丝，其特征在于，所述环氧树脂绝缘筒等距离至少分为三段，每一段环氧树脂绝缘筒两端分别设置有法兰接口，每一段环氧树脂绝缘筒上缠绕的电阻丝首尾端分别与两端法兰接口连接，所述三段环氧树脂绝缘筒之间通过法兰串接在一起，在每一段环氧树脂绝缘筒两端分别设置有均压环，所述均压环包括由金属管环绕环氧树脂绝缘筒形成的金属环，金属环通过与环氧树脂绝缘筒两端法兰接口之间均匀设置的多个支撑辐条呈伞状支撑固定形成环罩，其中，三段环氧树脂绝缘筒中两侧段环氧树脂绝缘筒外侧设置的均压环大于三段环氧树脂绝缘筒中其余均压环，将其称之为大均压环，其余均压环称之为小均压环。
2.根据权利要求1所述的大尺度保护电阻，其特征在于，所述大均压环与小均压环的金属管直径范围是150 mm至340mm，支撑辐条的长度形成的罩深范围是400 mm至1000mm，金属环直径范围是900 mm至3400mm，其中：小均压环的金属管直径、罩深以及金属环直径是上述范围中的最小值。
3.根据权利要求1所述的大尺度保护电阻，其特征在于，所述每一段环氧树脂绝缘筒上缠绕的电阻丝是上下层对绕无感结构，层与层之间垫有聚丙乙烯薄膜。
4.根据权利要求1所述的大尺度保护电阻，其特征在于，保护电阻承受的是直流高电压发生器±900千伏直流电压叠加±2400 千伏雷电冲击电压或±1800 千伏操作冲击电压。
5.根据权利要求4所述的大尺度保护电阻，其特征在于，保护电阻的电阻值是800千欧姆。
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Cited By (1)
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| CN113959488A (zh) * | 2021-10-09 | 2022-01-21 | 国网天津市电力公司 | 一种高压输电线路在线监测方法 |
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