抑制全封闭组合电器特快速暂态过电压的方法技术

本发明专利技术属于全封闭组合电器的特快速暂态过电压的研究领域，本方法是在全封闭组合电器内行波经过的导电杆上的一处或多处位置套上一个磁环或由多个磁环构成的磁环组，用以改变和阻尼行波的传播。较好的磁环材料是铁氧体，还可以包括硅钢、坡莫合金等。本发明专利技术不但实施简单，而且可有效地降低特快速暂态过电压的幅值和陡度。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于全封闭组合电器的特快速暂态过电压的研究领域，特别涉及抑制特快速暂态过电压的方法。全封闭组合电器的英文名称是Gas Insulated Substation，简称GIS，以下称GIS。GIS是大型变电站设备。其基本结构是把变电站母线、断路器、隔离开关、避雷器、互感器等电力设备密封在接地的金属管道内，充以高绝缘强度的六氟化硫气体，以显著减小绝缘距离，从而减小电力设备的体积和变电站的所占空间。GIS的金属管道为圆筒形，有三相分箱和三相共箱两种结构。三相分箱如附图说明图1所示，A、B、C三相高压导体11分别密封在各自的管道12内，金属管道内充以高绝缘强度的六氟化硫气体13，高压导体和接地管道为同轴结构。三相共箱如图2所示，A、B、C三相高压导体21密封在同一管道22内，金属管道内充以高绝缘强度的六氟化硫气体23，A、B、C三相为三角形布置。电压等级较高的GIS一般采用三相分箱的结构。GIS的特快速暂态过电压的英文名称是Very Fast Transient Overvoltage，简称VFTO或VFT，以下称VFTO。VFTO的产生机理是当GIS中的隔离开关或断路器切合空载母线(或空载线路)时，在切合过程中隔离开关或断路器的断口将发生反复击穿(即连续的击穿、熄灭、再击穿、再熄灭)，每一次击穿都产生一个非常陡的行波，在空载母线或空载线路上传播和来回折反射，形成特快速暂态电压。开关断口击穿时的击穿电压越高，行波幅值则越大，特快速暂态电压的幅值也越大。由于上述的特快速暂态电压通常超过GIS正常运行时的额定电压，因此称为特快速暂态过电压。对于三相分箱和三相共箱的GIS，VFTO的产生机理和过程相同。在一些场合，GIS的VFTO能够达到很高的幅值和陡度，例如，幅值能够达到GIS运行电压的数倍。GIS的VFTO对GIS自身的和毗邻设备的绝缘构成了严重的威胁。尤其是电压等级较高的变电站(例如500kV及以上)，设备绝缘裕度相对较低，VFTO的危害更大。测量和计算GIS的不同应用场合下的VFTO的大小，抑制VFTO的幅值和陡度，是GIS研究、制造和使用中广泛涉及的重要问题。在抑制VFTO的幅值和陡度方面，目前有以下方法1、使用避雷器，限制VFTO的幅值。避雷器可把VFTO的幅值限制到一定水平，但不能有效地限制其陡度，且有一定的保护范围。避雷器的成本较高。2、使用快速动作隔离开关，把隔离开关的切合时间减小到几个工频周波以内，从而减小反复击穿的次数。此方法不能完全消除VFTO的威胁。3、在隔离开关的断口两端并联电阻，减小断口两端的电压，从而减少反复击穿的次数和减小击穿电压。此方法能够有效抑制VFTO，但是，电阻不能固定并联在开关两端，当完成切合操作后，电阻必须撤离，这使得操动机构十分复杂，从而使得其实用性受到严重影响。本专利技术的目的是为克服已有方法的不足之处，提出一种，该方法不但实施简单，而且可有效地降低VFTO的幅值和陡度。本专利技术提出的一种，其特征在于，在全封闭组合电器的金属管道内行波经过的导电杆上的一处或多处位置套上一个或多个磁性材料做成的磁环，用以改变和阻尼行波的传播。较好的实施方法是在靠近隔离开关或断路器的导电杆上套上一组磁环。该磁环最好选择高频响应特性较好、磁导率较高和饱和磁感应强度较高的磁性材料，磁性材料包括铁氧体、硅钢、坡莫合金等，较好的磁环材料是铁氧体。铁氧体是一种磁性材料，具有较好的高频特性，广泛应用于高频电路。铁氧体材料有不同的磁导率、频率响应特性和饱和磁感应强度等参数，有现成的各种特性参数的铁氧体材料供选择。图3为显示本专利技术效果的一个模拟试验的电路。用一个3.5米长的同轴导体模拟三相分箱式的GIS的母线和外壳，其中模拟外壳31的内直径D为46毫米、模拟母线32的直径d为14毫米。用一个汞燃开关33的关合模拟GIS内开关断口的击穿，汞燃开关具有比较快的类似击穿的关合特性，能够产生陡的行波。用一个电容C模拟GIS的电源。对电容充以正的直流电压后，关合汞燃开关，则产生一个正的行波从母线首端A向母线终端B传播。在母线终端B，母线对地开路，波阻抗无穷大，对行波产生正的全反射，从而产生一个正的行波从母线终端B传回母线首端A，并叠加在已有的行波上。在母线首端A，电容的高频阻抗为零，对传回的行波产生负的全反射，从而又产生一个负的行波从母线首端A传向母线终端B，这个负行波也叠加在已有的行波上。依此反复，在母线上产生一个振荡的特快速暂态电压，其最大幅值是电容充电电压的两倍。图4所示为上述模拟试验没有任何磁环时，试验测得的母线终端位置B处的特快速暂态电压的示波图，图中，电压10V/div；时间20ns/div。由于行波的来回折反射，特快速暂态电压是一个振荡过程，其振荡频率取决于行波传播速度(空气介质中行波的传播速度是光速)和传播一个来回的距离，振荡电压的幅值接近于电容充电电压的两倍。进一步的试验是在母线首端位置A安放铁氧体磁环34，磁环的尺寸为内直径20毫米、外直径35毫米，轴向长度80毫米，磁环材料的相对磁导率为1000，响应频率高于10兆赫兹。图5所示是有磁环时在母线终端位置B处测量到的特快速暂态电压的示波图，此时电压的振荡几乎消失，电压最大值接近于电容的充电电压。由此可见，铁氧体磁环有效地限制和阻尼了特快速暂态电压。GIS的VFTO的产生过程和上述模拟试验相同，在GIS内采用铁氧体磁环也将能够有类似的抑制VFTO的效果。磁环抑制VFTO的机理有以下几个方面1、磁环套在导电杆上，增大了局部导电杆的电感。当磁环套在开关断口处的导电杆上，相当于在开关断口和空载母线间串联了一个电感，限制了行波波头的幅值和陡度，从而减小了VFTO。2、磁环能够改变所放位置处的导电杆的波阻抗，行波在传播到该位置时，由于波阻抗的改变，将发生折反射。因此，磁环能够影响行波的能量分布和行波的叠加过程，从而影响VFTO。3、磁环能够耦合行波的能量，并产生损耗，从而能够减小行波的能量，阻尼VFTO。磁环抑制GIS的VFTO的效果与磁环的安放位置、磁环的材料和磁环的几何尺寸有关，以下是对这些问题的说明。1、磁环的安放位置。在任何行波经过的地方安放磁环，都有抑制VFTO的作用。然而，不同的安放位置，具有不同的抑制效果。使磁环尽量靠近开关断口，能够抑制整个母线上的行波幅值和陡度，具有最好的抑制效果。2、磁环材料的选择。磁环材料具有频率响应特性、磁导率和饱和磁感应强度等参数的差别。用磁环抑制GIS的VFTO，应该尽量选择高频响应特性较好、磁导率较高和饱和磁感应强度较高的材料。在实际应用中，可选择现成的铁氧体材料。3、磁环的结构尺寸。在实际应用中，磁环的尺寸受空间和绝缘的限制，不能设计的很大，以能够有效抑制VFTO为宜。磁环的结构尺寸可按如下方法选择(1)磁环可以处在高电位位置，紧密地套在GIS的导电杆上，即磁环的内半径和导电杆的半径相同。(2)磁环还可以处在地电位上，即磁环的外半径和GIS的金属管道的内半径相同。(3)磁环的内外半径之差、也就是磁环的壁厚的选择以能够合理地实现绝缘设计为宜。(4)单个磁环的轴向尺寸可设计的比较小，选择在几十毫米左右即可。根据具体需要选择磁环叠放个数，可以灵活地改变磁环的轴向长度。(5)磁环材料一般为导体，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制全封闭组合电器特快速暂态过电压的方法，其特征在于，在全封闭组合电器内行波经过的导电杆上的一处或多处位置套上一个磁环或由多个磁环构成的磁环组，用以改变和阻尼行波的传播。

【技术特征摘要】
1.一种抑制全封闭组合电器特快速暂态过电压的方法，其特征在于，在全封闭组合电器内行波经过的导电杆上的一处或多处位置套上一个磁环或由多个磁环构成的磁环组，用以改变和阻尼行波的传播。2.如权利要求1所述的抑...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卫东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]