便攜式快前沿緊湊型現(xiàn)場沖擊試驗

張潔,譚向宇,朱濤,伍陽陽,徐鵬,4,陳文雯,李蕊,4,徐雯,4

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217；2.華北電力大學(xué),河北 保定 071003；3.云南電力調(diào)度控制中心,昆明 650011；4.昆明理工大學(xué),昆明 650500)

便攜式快前沿緊湊型現(xiàn)場沖擊試驗

張潔1,2,譚向宇1,朱濤3,伍陽陽1,2,徐鵬1,4,陳文雯1,2,李蕊1,4,徐雯1,4

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217；2.華北電力大學(xué),河北 保定 071003；3.云南電力調(diào)度控制中心,昆明 650011；4.昆明理工大學(xué),昆明 650500)

介紹一種便攜式快前沿緊湊型現(xiàn)場沖擊試驗裝置,該裝置通過增加GIS母線長度來補償回路固有電感的影響,通過控制陡化間隙的距離和波頭電阻的大小,來產(chǎn)生雷電沖擊、操作沖擊電壓以及VFTO多種沖擊電壓以滿足現(xiàn)場沖擊試驗的需要,并可以通過控制陡化間隙的擊穿電壓來控制輸出電壓幅值,其電壓波幅值可高達2 MV、主振頻率為6 MHz的電壓波,滿足了特高壓試驗對特快速瞬態(tài)過電壓以及雷電沖擊電壓模擬的要求。

特高壓；GIS；VFTO；雷電沖擊電壓

0 前言

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備 (GIS)設(shè)備中的隔離開關(guān)操作時,因觸頭間擊穿和多次重燃會產(chǎn)生一種特快速瞬態(tài)過電壓 (very fast transient overvoltage, VFTO)[1],這種過電壓上升時間極短 (3～100 ns)且幅值較高 (最高3 pu,基準值為系統(tǒng)最高相電壓峰值)[2-3]。相關(guān)運行經(jīng)驗表明,在330 kV及以上高電壓等級系統(tǒng)中,VFTO引發(fā)的絕緣擊穿事故率超過了雷電過電壓和操作過電壓引起的絕緣擊穿事故率[4-6],而迄今為止尚未確定VFTO作用下GIS絕緣特性和GIS絕緣擊穿的原因。研究特快速瞬態(tài)過電壓下GIS絕緣特性和放電機制比較重要。以下介紹一種集應(yīng)用、檢測、研發(fā)等多功能于一體的2 MV便攜式快前沿緊湊型現(xiàn)場沖擊試驗裝置。

1 試驗裝置設(shè)計

1.1 2 MV裝置基本結(jié)構(gòu)

2MV便攜式快前沿緊湊型現(xiàn)場沖擊試驗裝置,結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包含四個部分,分別是控制臺、充電觸發(fā)裝置、Marx裝置、GIS短母線 (陡化間隙和GIS罐體)。

其中Marx發(fā)生器、GIS短母線兩者同軸連接起來,最終輸出波形的測量采用錐形電壓傳感器,安裝在試驗腔體部分。本裝置通過沖擊電壓發(fā)生器 (由充電觸發(fā)裝置和Marx組成),提供幅值最高可達2 MV的沖擊電壓波形,然后通過自擊穿陡化間隙來進行陡化和實現(xiàn)電壓控制,陡化得到的波形在回路電感電容的振蕩及短母線的折反射作用下形成疊加在陡波上的高頻振蕩。基于上述原理,最終在試驗腔體中形成符合要求的VFTO波形。若將陡化間隙短接,則通過前端的沖壓裝置來實現(xiàn)標準雷電波的輸出。

圖1 便攜2 MV便攜式快前沿緊湊型現(xiàn)場沖擊試驗

1.2 總控制臺結(jié)構(gòu)

總控制臺執(zhí)行整套裝置的所有控制與調(diào)節(jié),內(nèi)含調(diào)壓器、氣閥、工控機等。該總控制臺通過LABVIEW編制的控制面板來實現(xiàn)對整個裝置的控制和調(diào)節(jié),其主要由充電控制模塊、氣路控制模塊和觸發(fā)控制模塊構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖2所示,總控制臺主要是利用電路控制模塊中沖擊電壓的幅值和氣路控制模塊中Marx開關(guān)氣壓的相互配合,來控制后級的充電觸發(fā)裝置使其對Marx發(fā)生器輸出觸發(fā)信號和正負直流高壓充電信號。

圖2 總控制臺控制面板

1.3 沖擊電壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)

沖擊電壓發(fā)生器由充電觸發(fā)裝置和Marx組成,可提供幅值最高可達2 MV的沖擊電壓波形,圖3為測得的沖擊電壓發(fā)生器輸出波形,其輸出雷電波擊穿在陡化間隙時刻的幅值為1 760 kV；圖4為電容傳感器測得的該發(fā)生器經(jīng)陡化間隙擊穿后產(chǎn)生的VFTO波形,其上升時間約為50 ns,疊加的高頻振蕩頻率約為8和35 MHz.

充電觸發(fā)裝置整體封裝在裝滿變壓油油箱中,包括充電回路和觸發(fā)回路,分別用來產(chǎn)生下級Marx發(fā)生器所需的觸發(fā)電壓信號和充電信號。

觸發(fā)回路原理如下圖5所示,先由正負直流高壓給所有電容器充電,然后來自控制臺觸發(fā)控制模塊的觸發(fā)信號使機械式觸發(fā)開關(guān)迅速導(dǎo)通,從而向下級Marx發(fā)生器輸出觸發(fā)信號。充電回路為典型的雙邊充電電路,100 kV變壓器輸出交流高壓經(jīng)硅堆整流得到正負高壓,此正負高壓信號用來給下級Marx每級電容充電。充電回路采用典型的雙邊充電回路,通過操作總控制臺的充電控制模塊,使得充電觸發(fā)裝置中的100 kV變壓器輸出交流高壓,并經(jīng)硅堆整流得到正負直流高壓,此正負直流高壓信號用來給下級Marx發(fā)生器的每級儲能電容充電。

圖3 沖擊電壓發(fā)生器輸出雷電波

圖4 VFTO發(fā)生器輸出VFTO電壓波

Marx發(fā)生器采用10級雙邊充電回路,通過20個儲能電容器10個三電極氣體火花開關(guān)來實現(xiàn)電壓的疊加,并且采用前3級開關(guān)同時觸發(fā)的方式來實現(xiàn)整個Marx發(fā)生器的同步輸出。每級電容耐受電壓可達100 kV,電容值為200 nF。其中,波尾電阻兼作電阻分壓器來實現(xiàn)對整個Marx最終輸出電壓的監(jiān)測。Marx電路圖如下圖6所示。

圖5 觸發(fā)回路電路圖

該Marx裝置可通過操作總控制臺的氣路控制模塊中N2、SF6或N2和SF6的混合氣體的充放來改變?nèi)龢O開關(guān)中的氣壓,以使該開關(guān)能夠耐受充電觸發(fā)裝置中經(jīng)硅堆整流得到正負直流高壓,并由充電觸發(fā)裝置發(fā)出的觸發(fā)信號來控制該開關(guān)的開斷,從而使20個電容器串聯(lián)放電,得到所需幅值沖擊電壓。該氣體開關(guān)氣壓的改變是通過對開關(guān)中氣體的充放來實現(xiàn)的,而釋放的氣體是通過相應(yīng)的管道釋放到Marx發(fā)生器以外并被相應(yīng)回收裝置回收。

圖6 Marx電路圖

1.4 短母線

④工程親水效果。治理后河道應(yīng)具有良好的親水效果，如河岸設(shè)置緩坡、沙灘，居民可以直接入水、戲水，可以進行水上活動等。

GIS母線包括陡化間隙和后接的GIS罐體,陡化間隙距離可調(diào),可通過一螺旋手輪對其軸向位置進行調(diào)解,從而控制間隙距離的大小。

其中Marx發(fā)生器和GIS短母線之間采用一種特殊結(jié)構(gòu)的新型絕緣子隔開,其為一種圓盤形結(jié)構(gòu)的液氣隔板,整體采用高強度MC尼龍材料,在圓盤中心設(shè)有導(dǎo)體過孔,將隔板圓盤兩側(cè)分別設(shè)置為隔離Marx發(fā)生器中變壓器油的油側(cè)與隔離陡化間隙SF6氣體的氣側(cè),在隔板圓盤油側(cè)與氣側(cè)兩側(cè)分別設(shè)置有傘裙槽,兩側(cè)的傘裙槽呈錯位布置,且兩側(cè)的槽深不同,油側(cè)端的傘裙槽深度大于氣側(cè)端的傘裙槽深度,該液氣隔板的結(jié)構(gòu)如圖7所示,滿足了油氣隔離時隔板兩側(cè)不同環(huán)境時的電氣絕緣的要求,同時也滿足了隔離時兩邊能承受較大的不同壓力的機械強度要求。

圖7 液氣隔板結(jié)構(gòu)示意圖

2 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 MV便攜式快前沿緊湊型現(xiàn)場沖擊試驗裝置的測量系統(tǒng)由安裝在GIS母線筒預(yù)留觀察窗內(nèi)的錐形電容傳感器、雙屏蔽電纜、同軸積分器和示波器構(gòu)成。為了隔離實驗時高頻信號的干擾,測量系統(tǒng)在GIS外面的部分全部封裝在5 mm厚的鋁制箱子中,示波器采用鋰電池逆變供電。測量結(jié)果通過示波器自帶網(wǎng)線輸出經(jīng)光纖傳送到離發(fā)生器較遠的電腦進行波形觀察和數(shù)據(jù)處理。為進一步抑制測量信號的失真和畸變,雙屏蔽電纜與示波器相連位置加裝同軸積分器。通過這些手段來保證測量的有效性和準確性。測量系統(tǒng)的核心是錐形電壓傳感器,其詳細結(jié)構(gòu)如下圖8所示。

圖8 錐形電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖中高壓臂電容由母線、錐形電容及其之間的氣體組成,低壓臂電容為同軸錐體電容器,采用聚酰亞胺薄膜做低壓臂電容的介質(zhì),其相對介電常數(shù)為3.3。該錐形電容傳感器具有以下特點：使用同軸錐體作為低壓臂電容,使得在相同感應(yīng)電極面積下,增大了低壓臂電容值；由于整個低壓臂電容采用的是同軸錐體結(jié)構(gòu),而同軸錐體到電纜接口處波阻抗是一個漸變的過程,低壓臂電容上極板采集到的波形信號在錐體中傳輸不會發(fā)生劇烈的折反射,可減小波形傳輸中的畸變。此外,在電容傳感器末端加裝同軸積分器,改善了傳感器的低頻響應(yīng)特性。

3 試驗裝置的控制方法

該2 MV試驗裝置的控制和調(diào)節(jié)主要由操作總控制臺的充電控制模塊、氣路控制模塊和觸發(fā)控制模塊來實現(xiàn)。利用總控制臺電路控制模塊中沖擊電壓的幅值和氣路控制模塊中Marx開關(guān)氣壓的相互配合,控制后級的充電觸發(fā)裝置使其對Marx發(fā)生器輸出觸發(fā)信號和正負直流高壓充電信號。

該2 MV試驗裝置控制方法如下：系統(tǒng)剛啟動時初次操作先通過總控制臺的觸發(fā)控制模塊,給Marx發(fā)生器觸發(fā)回路中儲能電容充電,即給Marx發(fā)生器的觸發(fā)回路加上7.5 kV觸發(fā)電壓。針對所需波形的VFTO或雷電波Uf,首先根據(jù)式(1)計算其相應(yīng)的充電電壓值U0；然后選擇總制臺的氣路控制模塊中充入氣體的種類N2、SF6、N2和SF6的混合氣體,并根據(jù)選擇氣體種類后圖10給出的相應(yīng)三電極開關(guān)的氣壓值ΔPgas,改變氣體的氣壓；緊接著操作總控制臺的充電控制模塊,給定所需幅值VFTO或雷電波相應(yīng)充電電壓值U0；最后操作總控制臺的觸發(fā)控制模塊,給出觸發(fā)信號使得充電觸發(fā)裝置向下級Marx發(fā)生器發(fā)出觸發(fā)信號。通過上述觸發(fā)操作使得Marx發(fā)生器產(chǎn)生20倍的沖擊電壓,該沖擊電壓通過自擊穿陡化間隙的陡化和電壓控制以后,最終在GIS罐體實驗腔體中形成所需幅值的VFTO或雷電波。總控制臺的操作流程示意圖如圖9所示。

圖9 總控制臺的操作流程示意圖

根據(jù)需要的VFTO或者雷電波的幅值Uf計算需要的充電電壓值U0,其計算過程根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果得出,如下：

根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果,若三電極開關(guān)中充入的氣體為N2,可知該2 MV裝置的充電電壓和三電極開關(guān)中N2充放量存在如圖8所示對應(yīng)關(guān)系,經(jīng)分析其誤差較小,為1.21%。通過輸入的VFTO或者雷電波的幅值Uf計算出充電電壓值U0,則可根據(jù)該示意圖給出三極開關(guān)應(yīng)充氣體氣壓值ΔPN2。

圖10 充電電壓和三極開關(guān)中N2充放量的對應(yīng)關(guān)系

4 試驗裝置現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗主要針對GIS和避雷器進行試驗。其對GIS試驗存在著由于電壓等級和生產(chǎn)廠家的不同而使得GIS的口徑不同的問題,因此,可通過變阻抗轉(zhuǎn)接頭實現(xiàn)與現(xiàn)場GIS的對接。另外,由于現(xiàn)場試驗地形多變,可通過變阻抗轉(zhuǎn)接頭和液壓升降平板車相互配合使裝置與現(xiàn)場GIS的中軸線高度一致。變阻抗轉(zhuǎn)接頭分為水平和錯位兩種形式,其具體結(jié)構(gòu)可根據(jù)實際情況設(shè)計。其中,圖9(a)所示結(jié)構(gòu)用于水平對接,適用于只通過液壓升降平板車即可調(diào)節(jié)到合適高度的情況；圖9(b)(c)所示結(jié)構(gòu)用于錯位對接,其需要兩者相互配合調(diào)節(jié)高度。對GIS試驗示意圖如圖9所示,對避雷器進行試驗的示意圖如圖10所示。

圖11 對GIS試驗示意圖

圖12 對避雷器試驗示意圖

5 結(jié)束語

該2 MV便攜式快前沿緊湊型現(xiàn)場沖擊試驗裝置,具有以下特點：

1)該裝置由控制臺、充電觸發(fā)裝置、Marx裝置、GIS短母線 (陡化間隙和GIS罐體)構(gòu)成,可產(chǎn)生輸出幅值達2 MV、上升時間小于50 ns、主振頻率為為6 MHz的VFTO電壓波形,也可輸出幅值達2 MV標準雷電波的VFTO模擬裝置,能滿足特高壓GIS在VFTO作用下絕緣特性研究的需要。

2)Marx發(fā)生器和GIS短母線之間采用一種新型的圓盤形液氣隔板,將Marx發(fā)生器中變壓器油的油側(cè)與陡化間隙SF6氣體的氣側(cè)隔離開來,滿足了油氣隔離時隔板兩側(cè)不同環(huán)境時的電氣絕緣的要求,同時其隔板圓盤油側(cè)與氣測傘裙槽的錯位布置以及兩側(cè)不同槽深,也滿足了隔離時兩邊能承受較大的不同壓力的機械強度要求。

3)該設(shè)備測量系統(tǒng)由錐形電容傳感器、雙屏蔽電纜、同軸積分器和示波器構(gòu)成,能滿足VFTO波形測量的要求,保證了測量的有效性和準確性

4)該裝置可通過變阻抗轉(zhuǎn)接頭和液壓升降平板車相互配合,實現(xiàn)與實際GIS的對接試驗,連續(xù)可調(diào)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生VFTO和標準雷電沖擊波,保證了現(xiàn)場試驗的順利進行。

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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

張潔 (1989),女,碩士研究生,華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,從事電力系統(tǒng)運行、分析與控制研究工作 (email)43657016＠qq.com。

譚向宇 (1981),男,博士后,云南電網(wǎng)公司與西安交通大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后工作站,從事高電壓與絕緣技術(shù)方面研究工作(e-mail)89579253＠qq.com。

朱濤 (1978),男,博士,云南電力調(diào)度控制中心,從事電力系統(tǒng)運行、分析與控制方面研究工作 (e-mail)taozh78＠163.com。