便携式快前沿紧凑型现场冲击试验

张洁,谭向宇,朱涛,伍阳阳,徐鹏,4,陈文雯,李蕊,4,徐雯,4

(1.华北电力大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217；2.华北电力大学,河北 保定 071003；3.云南电力调度控制中心,昆明 650011；4.昆明理工大学,昆明 650500)

便携式快前沿紧凑型现场冲击试验

张洁1,2,谭向宇1,朱涛3,伍阳阳1,2,徐鹏1,4,陈文雯1,2,李蕊1,4,徐雯1,4

(1.华北电力大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217；2.华北电力大学,河北 保定 071003；3.云南电力调度控制中心,昆明 650011；4.昆明理工大学,昆明 650500)

介绍一种便携式快前沿紧凑型现场冲击试验装置,该装置通过增加GIS母线长度来补偿回路固有电感的影响,通过控制陡化间隙的距离和波头电阻的大小,来产生雷电冲击、操作冲击电压以及VFTO多种冲击电压以满足现场冲击试验的需要,并可以通过控制陡化间隙的击穿电压来控制输出电压幅值,其电压波幅值可高达2 MV、主振频率为6 MHz的电压波,满足了特高压试验对特快速瞬态过电压以及雷电冲击电压模拟的要求。

特高压；GIS；VFTO；雷电冲击电压

0 前言

气体绝缘开关设备 (GIS)设备中的隔离开关操作时,因触头间击穿和多次重燃会产生一种特快速瞬态过电压 (very fast transient overvoltage, VFTO)[1],这种过电压上升时间极短 (3～100 ns)且幅值较高 (最高3 pu,基准值为系统最高相电压峰值)[2-3]。相关运行经验表明,在330 kV及以上高电压等级系统中,VFTO引发的绝缘击穿事故率超过了雷电过电压和操作过电压引起的绝缘击穿事故率[4-6],而迄今为止尚未确定VFTO作用下GIS绝缘特性和GIS绝缘击穿的原因。研究特快速瞬态过电压下GIS绝缘特性和放电机制比较重要。以下介绍一种集应用、检测、研发等多功能于一体的2 MV便携式快前沿紧凑型现场冲击试验装置。

1 试验装置设计

1.1 2 MV装置基本结构

2MV便携式快前沿紧凑型现场冲击试验装置,结构如图1所示,主要包含四个部分,分别是控制台、充电触发装置、Marx装置、GIS短母线 (陡化间隙和GIS罐体)。

其中Marx发生器、GIS短母线两者同轴连接起来,最终输出波形的测量采用锥形电压传感器,安装在试验腔体部分。本装置通过冲击电压发生器 (由充电触发装置和Marx组成),提供幅值最高可达2 MV的冲击电压波形,然后通过自击穿陡化间隙来进行陡化和实现电压控制,陡化得到的波形在回路电感电容的振荡及短母线的折反射作用下形成叠加在陡波上的高频振荡。基于上述原理,最终在试验腔体中形成符合要求的VFTO波形。若将陡化间隙短接,则通过前端的冲压装置来实现标准雷电波的输出。

图1 便携2 MV便携式快前沿紧凑型现场冲击试验

1.2 总控制台结构

总控制台执行整套装置的所有控制与调节,内含调压器、气阀、工控机等。该总控制台通过LABVIEW编制的控制面板来实现对整个装置的控制和调节,其主要由充电控制模块、气路控制模块和触发控制模块构成,结构如图2所示,总控制台主要是利用电路控制模块中冲击电压的幅值和气路控制模块中Marx开关气压的相互配合,来控制后级的充电触发装置使其对Marx发生器输出触发信号和正负直流高压充电信号。

图2 总控制台控制面板

1.3 冲击电压发生器结构

冲击电压发生器由充电触发装置和Marx组成,可提供幅值最高可达2 MV的冲击电压波形,图3为测得的冲击电压发生器输出波形,其输出雷电波击穿在陡化间隙时刻的幅值为1 760 kV；图4为电容传感器测得的该发生器经陡化间隙击穿后产生的VFTO波形,其上升时间约为50 ns,叠加的高频振荡频率约为8和35 MHz.

充电触发装置整体封装在装满变压油油箱中,包括充电回路和触发回路,分别用来产生下级Marx发生器所需的触发电压信号和充电信号。

触发回路原理如下图5所示,先由正负直流高压给所有电容器充电,然后来自控制台触发控制模块的触发信号使机械式触发开关迅速导通,从而向下级Marx发生器输出触发信号。充电回路为典型的双边充电电路,100 kV变压器输出交流高压经硅堆整流得到正负高压,此正负高压信号用来给下级Marx每级电容充电。充电回路采用典型的双边充电回路,通过操作总控制台的充电控制模块,使得充电触发装置中的100 kV变压器输出交流高压,并经硅堆整流得到正负直流高压,此正负直流高压信号用来给下级Marx发生器的每级储能电容充电。

图3 冲击电压发生器输出雷电波

图4 VFTO发生器输出VFTO电压波

Marx发生器采用10级双边充电回路,通过20个储能电容器10个三电极气体火花开关来实现电压的叠加,并且采用前3级开关同时触发的方式来实现整个Marx发生器的同步输出。每级电容耐受电压可达100 kV,电容值为200 nF。其中,波尾电阻兼作电阻分压器来实现对整个Marx最终输出电压的监测。Marx电路图如下图6所示。

图5 触发回路电路图

该Marx装置可通过操作总控制台的气路控制模块中N2、SF6或N2和SF6的混合气体的充放来改变三极开关中的气压,以使该开关能够耐受充电触发装置中经硅堆整流得到正负直流高压,并由充电触发装置发出的触发信号来控制该开关的开断,从而使20个电容器串联放电,得到所需幅值冲击电压。该气体开关气压的改变是通过对开关中气体的充放来实现的,而释放的气体是通过相应的管道释放到Marx发生器以外并被相应回收装置回收。

图6 Marx电路图

1.4 短母线

④工程亲水效果。治理后河道应具有良好的亲水效果，如河岸设置缓坡、沙滩，居民可以直接入水、戏水，可以进行水上活动等。

GIS母线包括陡化间隙和后接的GIS罐体,陡化间隙距离可调,可通过一螺旋手轮对其轴向位置进行调解,从而控制间隙距离的大小。

其中Marx发生器和GIS短母线之间采用一种特殊结构的新型绝缘子隔开,其为一种圆盘形结构的液气隔板,整体采用高强度MC尼龙材料,在圆盘中心设有导体过孔,将隔板圆盘两侧分别设置为隔离Marx发生器中变压器油的油侧与隔离陡化间隙SF6气体的气侧,在隔板圆盘油侧与气侧两侧分别设置有伞裙槽,两侧的伞裙槽呈错位布置,且两侧的槽深不同,油侧端的伞裙槽深度大于气侧端的伞裙槽深度,该液气隔板的结构如图7所示,满足了油气隔离时隔板两侧不同环境时的电气绝缘的要求,同时也满足了隔离时两边能承受较大的不同压力的机械强度要求。

图7 液气隔板结构示意图

2 测量系统的结构

2 MV便携式快前沿紧凑型现场冲击试验装置的测量系统由安装在GIS母线筒预留观察窗内的锥形电容传感器、双屏蔽电缆、同轴积分器和示波器构成。为了隔离实验时高频信号的干扰,测量系统在GIS外面的部分全部封装在5 mm厚的铝制箱子中,示波器采用锂电池逆变供电。测量结果通过示波器自带网线输出经光纤传送到离发生器较远的电脑进行波形观察和数据处理。为进一步抑制测量信号的失真和畸变,双屏蔽电缆与示波器相连位置加装同轴积分器。通过这些手段来保证测量的有效性和准确性。测量系统的核心是锥形电压传感器,其详细结构如下图8所示。

图8 锥形电容传感器结构示意图

图中高压臂电容由母线、锥形电容及其之间的气体组成,低压臂电容为同轴锥体电容器,采用聚酰亚胺薄膜做低压臂电容的介质,其相对介电常数为3.3。该锥形电容传感器具有以下特点：使用同轴锥体作为低压臂电容,使得在相同感应电极面积下,增大了低压臂电容值；由于整个低压臂电容采用的是同轴锥体结构,而同轴锥体到电缆接口处波阻抗是一个渐变的过程,低压臂电容上极板采集到的波形信号在锥体中传输不会发生剧烈的折反射,可减小波形传输中的畸变。此外,在电容传感器末端加装同轴积分器,改善了传感器的低频响应特性。

3 试验装置的控制方法

该2 MV试验装置的控制和调节主要由操作总控制台的充电控制模块、气路控制模块和触发控制模块来实现。利用总控制台电路控制模块中冲击电压的幅值和气路控制模块中Marx开关气压的相互配合,控制后级的充电触发装置使其对Marx发生器输出触发信号和正负直流高压充电信号。

该2 MV试验装置控制方法如下：系统刚启动时初次操作先通过总控制台的触发控制模块,给Marx发生器触发回路中储能电容充电,即给Marx发生器的触发回路加上7.5 kV触发电压。针对所需波形的VFTO或雷电波Uf,首先根据式(1)计算其相应的充电电压值U0；然后选择总制台的气路控制模块中充入气体的种类N2、SF6、N2和SF6的混合气体,并根据选择气体种类后图10给出的相应三电极开关的气压值ΔPgas,改变气体的气压；紧接着操作总控制台的充电控制模块,给定所需幅值VFTO或雷电波相应充电电压值U0；最后操作总控制台的触发控制模块,给出触发信号使得充电触发装置向下级Marx发生器发出触发信号。通过上述触发操作使得Marx发生器产生20倍的冲击电压,该冲击电压通过自击穿陡化间隙的陡化和电压控制以后,最终在GIS罐体实验腔体中形成所需幅值的VFTO或雷电波。总控制台的操作流程示意图如图9所示。

图9 总控制台的操作流程示意图

根据需要的VFTO或者雷电波的幅值Uf计算需要的充电电压值U0,其计算过程根据现场试验结果得出,如下：

根据现场试验结果,若三电极开关中充入的气体为N2,可知该2 MV装置的充电电压和三电极开关中N2充放量存在如图8所示对应关系,经分析其误差较小,为1.21%。通过输入的VFTO或者雷电波的幅值Uf计算出充电电压值U0,则可根据该示意图给出三极开关应充气体气压值ΔPN2。

图10 充电电压和三极开关中N2充放量的对应关系

4 试验装置现场试验

现场试验主要针对GIS和避雷器进行试验。其对GIS试验存在着由于电压等级和生产厂家的不同而使得GIS的口径不同的问题,因此,可通过变阻抗转接头实现与现场GIS的对接。另外,由于现场试验地形多变,可通过变阻抗转接头和液压升降平板车相互配合使装置与现场GIS的中轴线高度一致。变阻抗转接头分为水平和错位两种形式,其具体结构可根据实际情况设计。其中,图9(a)所示结构用于水平对接,适用于只通过液压升降平板车即可调节到合适高度的情况；图9(b)(c)所示结构用于错位对接,其需要两者相互配合调节高度。对GIS试验示意图如图9所示,对避雷器进行试验的示意图如图10所示。

图11 对GIS试验示意图

图12 对避雷器试验示意图

5 结束语

该2 MV便携式快前沿紧凑型现场冲击试验装置,具有以下特点：

1)该装置由控制台、充电触发装置、Marx装置、GIS短母线 (陡化间隙和GIS罐体)构成,可产生输出幅值达2 MV、上升时间小于50 ns、主振频率为为6 MHz的VFTO电压波形,也可输出幅值达2 MV标准雷电波的VFTO模拟装置,能满足特高压GIS在VFTO作用下绝缘特性研究的需要。

2)Marx发生器和GIS短母线之间采用一种新型的圆盘形液气隔板,将Marx发生器中变压器油的油侧与陡化间隙SF6气体的气侧隔离开来,满足了油气隔离时隔板两侧不同环境时的电气绝缘的要求,同时其隔板圆盘油侧与气测伞裙槽的错位布置以及两侧不同槽深,也满足了隔离时两边能承受较大的不同压力的机械强度要求。

3)该设备测量系统由锥形电容传感器、双屏蔽电缆、同轴积分器和示波器构成,能满足VFTO波形测量的要求,保证了测量的有效性和准确性

4)该装置可通过变阻抗转接头和液压升降平板车相互配合,实现与实际GIS的对接试验,连续可调转换产生VFTO和标准雷电冲击波,保证了现场试验的顺利进行。

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Research on On-site Impulse Test Device of the Portable and Compact 2 MV Very Fast Transient Overvoltage Generator

ZHANG Jie1,2,TAN Xiangyu1,ZHU Tao3,WU Yangyang1,2,XU Peng1,4, CHEN Wenwen1,2,LI Rui1,4,XU Wen1,4
(1.Graduate Workstation of North China Electric Power University and Yunnan Power Research Institute,Kunming 650217,China；2.North China Electric Power University,Baoding,Hebei 071003,China；3.Yunnan Electric Power Dispatching Control Center,Kunming 650217,China；4.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

In the above background,the on-site impulse test device of the portable and compact 2 MV very fast transient overvoltage generator was developed,which has the function of application,testing,research and development.The device generates variety of impulse voltage,like lightning impulse,switching impulse voltage and very fast transient overvoltage to meet the needs of field impact test,by increasing bus length to compensate the effects of inherent loop inductance,by controlling the distance of the peaking gap and the size of the wave front resistance.Meanwhile it can change the output voltage amplitude by control breakdown voltage of the peaking gap,the voltage amplitude being as high as 2 MV and the main vibration frequency reaching to 6MHZ,meeting the simulation requirements of VFTO and LI.The device provided the scientific basis for the maintenance and operation of the GIS.

ultra high voltage；GIS；VFTO；lightning impulse voltage

TM73

B

1006-7345(2015)01-0078-05

2013-12-16

张洁 (1989),女,硕士研究生,华北电力大学云南电网公司研究生工作站,从事电力系统运行、分析与控制研究工作 (email)43657016＠qq.com。

谭向宇 (1981),男,博士后,云南电网公司与西安交通大学联合培养博士后工作站,从事高电压与绝缘技术方面研究工作(e-mail)89579253＠qq.com。

朱涛 (1978),男,博士,云南电力调度控制中心,从事电力系统运行、分析与控制方面研究工作 (e-mail)taozh78＠163.com。