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CN113708356B - 一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置 - Google Patents

一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置 Download PDF

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CN113708356B CN202110671753.5A CN202110671753A CN113708356B CN 113708356 B CN113708356 B CN 113708356B CN 202110671753 A CN202110671753 A CN 202110671753A CN 113708356 B CN113708356 B CN 113708356B
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Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置，由触发间隙开关S、续流电容C和续流电阻R组成，包括：续流电容C和续流电阻R串联构成续流支路，所述续流支路与触发间隙开关S和可控避雷器受控部分并联；续流电容C通过可控避雷器固定部分泄漏电流充电，触发间隙开关S导通后与所述续流支路构成RC放电回路，触发间隙开关S触发后可产生指数衰减型续流电流。解决触发间隙开关刚触发时系统电流过小上升过缓时在熄弧和电流断续的难题。

Description

一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置
技术领域
本申请涉及高压开关领域，具体涉及一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置。
背景技术
SF6密封触发间隙开关具有高耐压、大通流、绝缘恢复快速、结构简单和价格经济等优势，具有极高的工程应用价值，作为快速旁路开关应用于白鹤滩—江苏±800kV特高压混合直流输电工程中可控自恢复消能装置中，可控自恢复消能装置采用可控避雷器方案，电路拓扑见图2，当系统出现短路故障引起的过电压时，控制用触发间隙开关(K间隙)在1ms内快速闭合将避雷器受控部分旁路，深度降低可控避雷器残压，大幅提高可控避雷器吸收冗余能量能力，直到K快速机械开关合闸(约5ms)后，间隙被旁路，快速熄弧恢复绝缘。 SF6密封触发间隙具有关合速度快、短时通流及绝缘恢复性能好的优点，具有极大的应用潜力。
触发间隙开关依靠电极间燃弧维持电流通路，但是工程系统仿真发现，由于母线电压上叠加谐波，在间隙触通后母线电压可能未到避雷器动作电压，此时避雷呈高阻特性，流过的可控避雷器固定部分泄漏电流很小甚至可能为零，间隙可能熄弧，导致间隙开关导通失败，无法实现泄能，为开关的可靠性带来极大的危害，因此成为亟待解决续流的难题。
发明内容
本申请提供一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置，由触发间隙开关S、续流电容C和续流电阻R组成，包括：
续流电容C和续流电阻R串联构成续流支路，所述续流支路与触发间隙开关S和可控避雷器受控部分并联；
续流电容C通过可控避雷器固定部分泄漏电流充电，触发间隙开关S导通后与所述续流支路构成RC放电回路，触发间隙开关S触发后可产生指数衰减型续流电流。
优选的，续流电容C和续流电阻R串联构成续流支路，所述续流支路在触发间隙开关S导通后注入安培级幅值，以及持续时间十毫秒量级的电流。
优选的，还包括：根据触发间隙开关S小电流下导通特性、系统续流要求及触发间隙开关两次动作最短时间间隔要求，确定续流电流C容值和续流电阻 R阻值。
优选的，根据触发间隙开关S小电流下导通特性、系统续流要求及触发间隙开关两次动作最短时间间隔要求，确定续流电流C容值和续流电阻R阻值，包括：
根据触发间隙开关S小电流下成功续流的必要条件，确定续流电阻R≥U/I1， U为间隙最低触发电压，I1为触发后间隙电流上升峰值下限；
确定续流电容C通过续流电阻R对触发间隙开关S的放电电流衰减至I2的时间不低于t1，可得
根据避雷器阀片伏安特性确定续流电容C充电过程中固定部分泄漏电流I3，触发间隙开关两次动作之间时间间隔上限t2，可得I3t2≥UC；
通过上述步骤获得续流电流C容值和续流电阻R阻值。
优选的，根据触发间隙开关S小电流下成功续流的必要条件，所述必要条件为，触发后间隙电流上升时间小于0.1ms、峰值下限I1、续流期间内电流值下限I2、系统要求间隙最低触发电压U下续流时间下限t1。
优选的，所述续流电容C，采用低泄漏型金属化膜电容器，其直流泄漏阻抗不低于1000MΩ。
优选的，所述续流电容C和续流电阻R使用复合绝缘筒封装，所述复合绝缘筒内充干燥空气；所述触发间隙开关S、续流电容C和续流电阻R均为圆柱形结构，采用倒U型布置。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置的电路拓扑图；
图2是本申请实施例涉及的可控避雷器电路拓扑图；
图3是本申请实施例涉及的一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置的倒U型结构示意图；
图4是本申请实施例续流支路充电过程及对避雷器可控部分分压比影响仿真模型示意图；
图5是本申请实施例涉及的续流试验波形图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
本申请提供一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置，其电路拓扑如图1所示。该装置由触发间隙开关S、续流电容C和续流电阻R组成，续流电容C和续流电阻R串联构成续流支路，所述续流支路与触发间隙开关S和可控避雷器受控部分并联；续流电容C通过可控避雷器固定部分泄漏电流充电，触发间隙开关S导通后与所述续流支路构成RC放电回路，触发间隙开关S触发后可产生指数衰减型续流电流。
续流支路在触发间隙开关S导通后注入安培级幅值，以及持续时间十毫秒量级的电流，以维持间隙导通。从而解决系统电流幅值小或上升率缓慢时SF6 密封触发间隙开关存在熄弧和电流断续的问题。
根据触发间隙开关S小电流下导通特性、系统续流要求及触发间隙开关两次动作最短时间间隔要求，确定续流电流C容值和续流电阻R阻值。首先，开展试验获得触发间隙开关S小电流下成功续流的必要条件为：触发后间隙电流上升时间小于0.1ms、峰值下限I1、续流期间内电流值下限I2、系统要求间隙最低触发电压U下续流时间下限t1。因此，若要求触发间隙在最低触发电压U 下触发后可靠续流，要求续流电阻R≥U/I1，并且续流电容C通过续流电阻R 对触发间隙开关S的放电电流衰减至I2的时间不低于t1，即同时由于续流电容C通过可控避雷器固定部分泄漏电流充电，其充电速度决定了触发间隙开关两次动作之间的最低时间间隔，需根据避雷器阀片伏安特性确定续流电容C充电过程中固定部分泄漏电流I3，系统要求触发间隙开关两次动作之间时间间隔上限t2，即I3t2≥UC。综合上述三个公式即可确定R和C的参数。
由于续流支路与可控避雷器受控部分并联，其泄漏电阻将降低受控部分分压比，提高固定部分长期运行下荷电率。为了尽量降低续流支路对可控避雷器的影响，需要续流电容采用低泄漏型金属化膜电容器，其直流泄漏阻抗不低于 1000MΩ。触发间隙开关S、续流电容C和续流电阻R均为圆柱形结构，采用“倒U”型布置，结构紧凑，大幅减小占地面积，如图3所示。
对于本发明而言，所述SF6密封触发间隙开关的小电流续流装置通过引入 RC续流回路，在间隙开关导通后为其提供一维持电弧通道的续流电流，可以实现可控避雷器SF6绝缘型80kV触发间隙开关在慢电流注入条件下的稳定、可靠导通，解决了开关存在熄弧和电流断续的难题。
下面结合案例对本申请提供的一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置的技术方案进行详细阐述。
将本发明应用于白鹤滩-江苏±800kV混合级联直流输电工程可控自恢复消能装置中，实现控制开关用K间隙在触发后可靠续流。可控避雷器按照图1 电路拓扑，安装在400kV柔直母线与中性线之间，工程系统仿真发现，400kV 柔直母线电压上叠加3kHz谐波，最大分量可达100kV，母线电压波动最低 300kV，K间隙在触通后流过的可控避雷器固定部分泄漏电流很小甚至可能为零，间隙可能熄弧，需要设法续流。
采用本发明提出的并联RC续流支路的方案，电路拓扑如图2所示，间隙触通后C通过R向间隙放电，即使无系统能量注入也可提供小电流维持间隙电弧燃烧，直至并联的快速机械开关闭合。前期试验研究获得触发后间隙电流上升时间小于0.1ms、峰值下限1A、续流期间内电流值下限0.2A、系统要求间隙最低可触发电压50kV下续流时间5ms以上。选择续流支路参数为R＝20～40k Ω、C＝0.1～0.5μF，可以续流5ms～50ms。搭建模型仿真分析续流支路电容充电过程及对避雷器分压比的影响，并开展试验验证续流效果，具体如下。
1)仿真模型如图4所示。避雷器采用廊坊平高东芝避雷器有限公司(PTA) 产品设计，固定部分为88片串联、136柱并联，可控部分为19片串联、136 柱并联，设计分压比17.75％。避雷器采用伏安特性及并联的固定部分和可控部分阀片电容C1、C2来模拟，阀片单片电容约为1.4nF，C1、C2分别为2.1nF 和10nF。续流电阻R为30kΩ、续流电容C为0.1μF、续流电容泄漏电阻为不低于2000MΩ。K间隙断口电容预估10pF。快速机械开关参数由思源提供，为两断口串联、断口电容预估15pF，阻容均压支路电阻150Ω、电容10nF。慢速机械开关为双断口，预估断口电容15pF。
①续流电容充电过程
电源设定为母线额定电压DC 400kV，0s时投入。经2.16s充至50kV，充电过程中，避雷器固定部分吸收能量为6.7kJ，续流电阻吸收能量为18J。续流回路充电速度比较快，充电过程中避雷器和续流电阻吸收能量可以忽略。
②续流回路对避雷器分压比影响
母线额定电压DC 400kV下：续流电容充满电后固定部分和可控部分电压分别为331.9kV和68.1kV，分压比17.25％，比设计值相对降低了2.8％。
母线电压分别叠加40kV和100kV 3kHz谐波：避雷器固定部分和可控部分最高电压及分压比变化如表1所示。
表1母线叠加谐波下避雷器各部分电压及分压比
雷电冲击电压下：给避雷器注入68kA标准雷电流，波形参数1.2/50μs，避雷器残压695kV下，固定部分和可控部分最高电压分别为-571.7kV和 -123.4kV，分压比17.75％，与原设计值相同。
可见受续流回路影响避雷器分压比变化很小，可以忽略。
2)选择续流电阻R＝40kΩ、续流电容C＝0.5μF开展续流性能试验验证，典型波形如图5所示，黄色为储能电容电压，紫色为主间隙电压，蓝色为间隙电流。间隙触通后，自续流回路为间隙提供峰值约1.2A的缓慢衰减的放电电流，持续约45ms后跌落至零，熄弧电流0.22A，熄弧电压6.2kV，续流性能满足工程要求。
本发明公开了一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置，通过在触发间隙开关两端并联低泄漏的阻容支路，在触发间隙开关导通后注入安培级幅值、持续时间十毫秒量级的电流，从而解决触发间隙开关刚触发时系统电流过小上升过缓时在熄弧和电流断续的难题，并且不影响可控避雷器分压。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种直流可控避雷器控制用触发间隙开关小电流续流装置，由触发间隙开关S、续流电容C和续流电阻R组成，其特征在于，包括：
续流电容C和续流电阻R串联构成续流支路，所述续流支路在触发间隙开关S导通后注入安培级幅值，以及持续时间十毫秒量级的电流；所述续流支路与触发间隙开关S和可控避雷器受控部分并联；根据触发间隙开关S小电流下导通特性、系统续流要求及触发间隙开关两次动作最短时间间隔要求，确定续流电流C容值和续流电阻R阻值，包括：
根据触发间隙开关S小电流下成功续流的必要条件，确定续流电阻R≥U/I1，U为间隙最低触发电压，I1为触发后间隙电流上升峰值下限；
确定续流电容C通过续流电阻R对触发间隙开关S的放电电流衰减至I2的时间不低于t1，可得
根据避雷器阀片伏安特性确定续流电容C充电过程中固定部分泄漏电流I3，触发间隙开关两次动作之间时间间隔上限t2，可得I3t2≥UC；
通过上述步骤获得续流电流C容值和续流电阻R阻值；
续流电容C通过可控避雷器固定部分泄漏电流充电，触发间隙开关S导通后与所述续流支路构成RC放电回路，可产生指数衰减型续流电流。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述续流电容C，采用低泄漏型金属化膜电容器，其直流泄漏阻抗不低于1000MΩ。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述续流电容C和续流电阻R使用复合绝缘筒封装，所述复合绝缘筒内充干燥空气；所述触发间隙开关S、续流电容C和续流电阻R均为圆柱形结构，采用倒U型布置。
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