一种可控避雷器控制回路的设计方法与流程

1.本发明涉及避雷器技术领域，尤其涉及一种可控避雷器控制回路的设计方法。


背景技术：

2.过电压是电力系统防护最为关键的问题之一，它的产生会对电气设备的绝缘造成严重损害，给国民经济造成巨大损失，因此过电压保护是整个电力系统安全运行的重要保障。避雷器作为过电压保护装置是电力系统保护当中最为重要的装置，其中氧化锌避雷器因为拥有优良的保护特性和优异的能量吸收能力等优点已经逐渐取代其它避雷器，作为限制雷电过电压与操作过电压的主要设备。但当电压等级升高时，过电压对电气设备绝缘水平的影响更大，而在特高压电力系统中，操作过电压是决定电力设备绝缘水平的关键因素，需要深度降低操作过电压水平来有利于系统绝缘配合和降低输变电设备制造难度。虽然氧化锌避雷器在防止过电压方面效果良好，但就经济性和可靠性而言，仍然存在着一些不足之处。国家的特高压输电系统中，避雷器最好满足低残压的要求，但这会使避雷器的运行荷电率升高，另外，由于避雷器的高度较高，会影响电网对地的杂散电容，进一步增加电阻电压分布不均的问题，从而增加了电阻的工作荷电率，降低了氧化锌避雷器的可靠性。国家目前在1000kv线路等级采用的最多的降低操作过电压倍数的措施，是采用金属氧化物避雷器配合带合闸电阻的断路器，但这种方法在经济性和安全性存在诸多不足，加装带合闸电阻的断路器，造价非常高昂，还会增加结构和控制的复杂性，带有合闸电阻的断路器爆炸现象也时有发生。因此，传统的降低操作过电压的方法，已经无法满足目前国家特高压电压等级关于限制操作过电压的需求，故而对现有避雷器技术进行改造和升级，对特高压输电系统的安全运行有着至关重要的意义。
3.操作过电压柔性限制法中的特高压可控避雷器技术为限制操作过电压提供了新的思路。特高压可控避雷器是一种不同于传统避雷器的新型装置，它可以通过动态改变金属氧化物避雷器的伏安特性来限制过电压。目前，可控避雷器技术路线有：间隙型可控避雷器，其以密闭或非密闭气体间隙作为控制元件，间隙一般采用强制触发型间隙，通过注入等离子体实现触发导通，其响应速度快，为微秒量级，可用于限制系统中出现的各种操作过电压。间隙型开关的动作特性非常容易受气候条件的影响，导致开关的动作不稳定，当间隙暴露在大气条件下，空气中的杂质以及飞禽等容易导致间隙的异常击穿。此外，大气条件下球隙开关的灭弧能力很弱，这将会导致间隙击穿以后的工频续流电流无法消除，这将导致在操作过电压、雷电过电压过后，可控避雷器的状态无法自动恢复到正常态，结果有可能严重降低可控避雷器固定部分的实际使用寿命。因此，现有技术缺少设计合理的间隙结构。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种可控避雷器控制回路的设计方法，以解决现有技术缺少设计合理的间隙结构的问题。
5.本发明实施例包括如下的技术方案：
6.一种可控避雷器控制回路的设计方法，所述串联球间隙为触发型真空多级串联球间隙，并连接在可控避雷器触发回路中，所述方法包括：
7.根据避雷器的额定电压，预设大小的直流对应的所述避雷器的参考电压，以及，所述避雷器可控部分的额定电压与所述避雷器可控部分和固定部分的额定电压之和的比值，确定每级球间隙的工作电压满足的不等式条件；
8.对所述触发型真空多级串联球间隙进行多次击穿试验，确定所述球间隙的工作电压与所述球间隙的间隙距离的第一对应关系等式；
9.按照从小到大的顺序，依次预设球间隙的级数，根据所述不等式条件，计算得到所述预设球间隙的级数对应的所述球间隙的工作电压的范围；
10.根据所述球间隙的工作电压的范围，通过所述第一对应关系等式，计算得到所述球间隙的间隙距离的范围；
11.若所述球间隙的间隙距离的范围位于所述球间隙的间隙距离的预设范围内，则确定当前的所述预设球间隙的级数为所述触发型真空多级串联球间隙的级数。
12.这样，本发明实施例，可设计得到结构简单的触发型真空多级串联球间隙，可完成对可控避雷器可控部分的有效开断控制，实现降低避雷器正常工作时荷电率、过电压出现时操作过电压水平的功能。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1是本发明实施例的可控避雷器控制回路的设计方法的流程图；
15.图2是本发明实施例的可控避雷器触发回路的示意图；
16.图3是本发明一具体实施例的对触发型真空多级串联球间隙进行多次击穿试验的试验结果图；
17.图4是本发明一具体实施例得到的触发型真空多级串联球间隙的示意图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.本发明实施例的串联球间隙采用触发型真空多级串联球间隙。该触发型真空多级串联球间隙连接在可控避雷器触发回路中。如图2所示，该触发回路包括如下的结构：避雷器、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c0、取能电阻r、全桥整流回路br、触发二极管sk、脉冲升压变压器tr和触发型真空多级串联球间隙g。避雷器由串联的避雷器的固定部分moa1和避雷器的可控部分moa2组成。触发型真空多级串联球间隙g由依次串联的第一级触发型真空球间隙g1～第n级真空球间隙gn组成。第一电容c1并联在避雷器的固定部分moa1的两
端，第一电容c1作为避雷器的固定部分moa1的均压电容。第二电容c2并联在避雷器的可控部分moa2的两端，第二电容c2作为避雷器的可控部分moa2的均压电容。取能电阻r与第二电容c2串联，并且取能电阻r并联在全桥整流回路br的两端，取能电阻r作为工频电压和脉冲电压的取能电阻，全桥整流回路br对回路电流进行全桥整流。第三电容c0并联在全桥整流回路br的输出端，第三电容c0起到储能作用。触发二极管sk的两端分别与第三电容c0和脉冲升压变压器tr的低压侧串联。脉冲升压变压器tr的高压侧与触发型真空多级串联球间隙g的第一级球间隙g1的触发电极连接。触发型真空多级串联球间隙g的最后一级球间隙gn与全桥整流回路br连接。
20.与大气条件相比，本发明实施例的球间隙采用真空环境。真空球间隙下的电弧更易熄灭，且真空环境下的放电间隙可以克服大气环境下球间隙开关存在的种种问题。
21.此外，由于真空下，间隙击穿电压与间隙距离关系的特殊性，真空间隙的绝缘强度随着间隙距离增加到一定值后不再随其线性变化，因此一般单个真空间隙耐受电压等级比较低，而采用多个真空短间隙串联，可以在提高绝缘强度的同时，减少结构设计的尺寸。因此，本发明实施例采用的是真空多级串联的间隙。
22.再者，本发明实施例的电极形式采用球电极。因为球球电极之间的电场为稍不均匀电场，采用这种设计的可控避雷器受控部分短路开关的工频击穿电压、操作冲击击穿电压和雷电冲击击穿电压相差不大，为正常工作的工频电压下开关的可靠性提供了很大的裕度，从而可以减少误动现象的发生。本发明实施例为保证各串联真空间隙能够同期击穿，从而减少开关动作时间，将各球间隙的间距大小设计为相等。
23.本发明实施例的触发型真空多级串联球间隙为触发型开关。触发型开关原理就是在可控避雷器处在系统正常工作，即工频稳态电压下，储能单元进行储能，并且不会达到触发单元中所设定的触发值，故而受控间隙不动作；当过电压来临时，储能单元所储能量增加，达到触发单元设定的触发值，使受控间隙动作，完成对可控避雷器受控部分的短接，从而达到降低过电压的目的。这种方式具有宽的工作电压范围、大的通流能力、高的转移库伦量、灵活的触发系统、高的触发可靠性、快速介质恢复、长寿命、以及低噪音等优点。
24.本发明实施例的可控避雷器触发回路的工作原理如下：
25.当系统正常运行时，无脉冲电压，触发型真空多级串联球间隙g断开。避雷器的固定部分moa1和避雷器的可控部分moa2一起承受工作电压。同时，在系统额定工频电压作用下，取能电阻r上的电压经全桥整流后为第三电容c0充电，使第三电容c0上的直流电压逐渐升高并最终稳定在取能电阻r上电压的峰值。如果触发二极管sk的动作电压高于第三电容c0上最后达到的稳定直流电压，在系统正常运行时，触发二极管sk就不会动作，脉冲升压变压器tr也就不会有高压脉冲输出，因此触发型真空多级串联球间隙g就一直保持开路状态，从而避雷器的固定部分moa1和避雷器的可控部分moa2串联起来共同承担系统的工作电压，使整个可控避雷器的荷电率比较低，保证了可控避雷器的可靠性和长寿命。
26.当操作过电压或雷电过电压来临时，过电压可以在取能电阻r上产生很高的脉冲电压，此脉冲电压经整流后继续为第三电容c0充电，使第三电容c0上的电压快速升高，当第三电容c0上的电压超过触发二极管sk的动作电压时，触发二极管sk就会突然从截止(开路)状态突变到完全导通(短路)状态，将第三电容c0上的能量传输到脉冲升压变压器tr的低压侧，从而在脉冲升压变压器tr的高压侧产生脉冲高压，此脉冲高电压作用在第一级触发型
真空球间隙g1的触发电极上，使第一级触发型真空球间隙g1的阴阳极之间产生电弧放电击穿，剩下的多级球间隙串联承压。由于各级球间隙各自分得的均压电压大于各级球间隙对应的真空击穿电压大小，触发型真空多级串联球间隙g均被有效击穿，从而将可控避雷器的可控部分moa2对地短路，留下可控避雷器的固定部分moa1独自受到操作冲击或雷电冲击电压的作用而泄能，并产生比可控避雷器整体的残压低的残压，达到降低系统过电压水平的目的。
27.当过电压消失后，第一级触发型真空球间隙g1中将会流过一个数值很小的工频续流，由于触发型真空多级串联球间隙g的优越的灭弧能力，该工频续流将会很快开断，使触发型真空多级串联球间隙g在很短的时间内恢复其间隙的绝缘强度，使整个可控避雷器回归到过电压作用之前的状态。
28.基于上述的可控避雷器触发回路的工作原理，如图1所示，本发明实施例公开了一种可控避雷器控制回路的设计方法。该方法包括如下的步骤：
29.步骤s1：根据避雷器的额定电压，预设大小的直流对应的避雷器的参考电压，以及，避雷器可控部分的额定电压与避雷器可控部分和固定部分的额定电压之和的比值，确定每级球间隙的工作电压满足的不等式条件。
30.具体的，该步骤包括如下的过程：
31.(1)根据避雷器的额定电压，避雷器的预设大小的直流对应的参考电压，以及，避雷器可控部分的额定电压与避雷器可控部分和固定部分的额定电压之和的比值，确定球间隙的工作电压满足的第一条件为1.15kur《ud《0.95kui。
32.其中，ur表示避雷器的额定电压，ui表示避雷器的预设大小为i的直流对应的参考电压，ud表示球间隙的工作电压，k表示避雷器可控部分的额定电压与避雷器可控部分和固定部分的额定电压之和的比值。
33.在现有的特高压避雷器本体型式试验中，可控避雷器的工频电压耐受为1.15ur；此外，应留有一定的裕度，避免击穿，因此，ui乘以0.95。
34.基于前述的触发回路的工作原理可知：当系统正常运行时，触发型真空多级串联球间隙需能保持开断状态而不被击穿；当过电压产生时，触发型真空多级串联球间隙须受到有效触发后先于避雷器的可控部分击穿，从而短接可控避雷器的可控部分。为留有一定的裕度，触发型真空多级串联球间隙的工作电压(真空间隙击穿电压)大小应满足前述的第一条件1.15kur《ud《0.95kui。
35.(2)当避雷器出现过电压时，在触发回路作用下，通过第一条件确定球间隙的工作电压满足的第二条件为
36.其中，u
t
表示触发型真空多级串联球间隙的触发电压，n表示串联的球间隙的级数。
37.由前述触发回路的工作原理可知，当第三电容上的电压超过触发二极管的动作电压时。触发二极管会从截止(开路)状态突变到完全导通(短路)状态，将第三电容上的能量传输给脉冲升压变压器的低压侧，脉冲升压变压器的高压侧产生脉冲高压，该脉冲高压即为施加于第一级球间隙的触发电极的触发电压u
t
。
38.当系统出现过电压，触发型真空多级串联球间隙需在触发回路的触发下击穿导
通，在触发电压u
t
的作用下，球间隙的工作电压ud将有所提高。为保证各级球间隙击穿的同期性，各级球间隙的间隙距离应保持一致，即各级球间隙的工作电压ud相等。因此在承受过电压时，串联的各级球间隙将承受相同大小的电压。基于第一条件，此时在脉冲触发回路作用下，各级球间隙的工作电压ud满足第二条件
39.(3)当避雷器处于正常工作状态时，通过第一条件确定球间隙的工作电压满足的第三条件为
40.由前述的触发回路的工作原理可知，当系统处于正常工作状态时，触发型真空多级串联球间隙需保持开断状态，避雷器的固定部分与可控部分共同承受系统电压，以降低避雷器工作荷电率，延长使用寿命。由于系统正常工作时触发回路不工作，因此各级球间隙串联分压。基于第一条件，此时根据放电范围可以得到各级球间隙的工作电压ud满足第三条件
41.(4)根据第二条件和第三条件，确定球间隙的工作电压有解需满足的不等式条件。
42.各级球间隙的工作电压需同时满足过电压脉冲产生时以及正常工作电压下的不等式范围，即第二条件的不等式和第三条件的不等式需要有交集。此时，若要求各级球间隙的工作电压ud有解，则如下的不等式条件成立：
[0043][0044]
通过上式可知，当串联的球间隙的级数n以及触发电压u
t
的取值不同，球间隙的工作电压ud的取值范围随之改变。
[0045]
以现有的1000kv特高压输电线路首段所安装的可控避雷器作为示例，进一步说明本步骤。根据1000kv电压等级的避雷器基本技术参数，设定操作过电压和雷电过电压的峰值1620kv，整流二极管采用in4007，其输出电流为1a，正向浪涌电流30a，最大正向压降1v，反向峰值电压1000v，充电电容为4.4uf，放电保护电阻选取1mω。
[0046]
为限制系统操作过电压，特高压可控避雷器的额定电压ur均为828kv。避雷器的预设大小的直流一般选择8ma直流。避雷器的8ma直流对应的参考电压(拐点动作电压)一般为1114kv。
[0047]
代入前述的具体数值，则此时该具体实施例的第一条件为：952.2k《ud《1058.3k，第二条件为第三条件为不等式条件为
[0048]
避雷器可控部分的额定电压与避雷器可控部分和固定部分的额定电压之和(避雷器本体电压)的比值k(可控比)，一般为10％～20％，具体取值大小与线路实际长度有关，可根据实际情况确定。由于截止到目前为止，完成建设的特高压线路中，线路长度低于250km的线路占了58％，因此当可控避雷器的可控比k为15％时即可有效降低系统过电压倍数至1.4p.u左右，满足标准控制要求，基于此，本发明的具体实施例选择可控避雷器的可控比k为15％，即可控避雷器的可控部分承受电压为避雷器本体承受电压的15％，代入952.2k《ud《1058.3k得到球间隙的工作电压ud具体范围，即第一条件为142.83《ud《158.74，单位为kv，则第二条件为第三条件为不等式条件为
[0049]
步骤s2：对触发型真空多级串联球间隙进行多次击穿试验，确定球间隙的工作电压与球间隙的间隙距离的第一对应关系等式。
[0050]
具体的，该步骤包括如下的过程：
[0051]
(1)对触发型真空多级串联球间隙进行多次击穿试验，得到预设击穿电压雷击概率下的多个球间隙的工作电压和对应的多个球间隙的间隙距离。
[0052]
(2)根据得到的多个球间隙的工作电压和对应的多个球间隙的间隙距离，拟合得到第一对应关系等式的第一系数和第二系数。
[0053]
具体的，第一对应关系等式为：ud＝md
α
。m表示第一系数，α表示第二系数。其中α的取值范围一般在0.5～1之间，是分散的，具体数值视球间隙的距离而异。球间隙的距离短，则α数值偏大，从第一对应关系等式的结果可知，在小间隙时击穿电场强度较大。当球间隙增大到一定程度后，击穿电场强度逐渐减小。长间隙的击穿电场强度与短间隙的击穿电场强度的差别主要是由于短间隙多半是场致发射引起击穿，而长间隙主要是由于微粒撞击造成击穿。
[0054]
通过本步骤可以得到第一系数和第二系数的具体数值，从而得到第一对应关系等式的具体形式。
[0055]
在一具体实施例中，对触发型真空多级串联球间隙进行多次击穿试验，得到如图3所示的统计数据结果。取击穿概率f为95％的试验结果，拟合出真空条件下，均匀电场中，球间隙的距离与其工作电压(即击穿电压)的第一对应关系等式的具体形式为：ud＝38.07d
0.68
。
[0056]
步骤s3：按照从小到大的顺序，依次预设球间隙的级数，根据不等式条件，计算得到预设球间隙的级数对应的球间隙的工作电压的范围。
[0057]
球间隙的级数n从1开始，每次加1。
[0058]
例如，基于前述具体实施例的数据，根据得到：
[0059]
当球间隙的级数n＝1，即只有一级真空球间隙时，此时触发电压u
t
的范围为0～16kv，球间隙的工作电压ud的范围为142.83～158.74kv。
[0060]
当球间隙的级数n＝2，即两级真空球间隙串联分压时，此时触发电压u
t
的范围为0～7.95kv，球间隙的工作电压ud的范围为71.415～79.83kv。
[0061]
以此类推，可以计算不同级数的球间隙的工作电压ud的范围。
[0062]
步骤s4：根据球间隙的工作电压的范围，通过第一对应关系等式，计算得到球间隙的间隙距离的范围。
[0063]
基于前述的数据，当球间隙的级数n＝1，根据ud＝38.07d
0.68
计算得到该真空球间隙的间隙距离d为7～8.2mm。
[0064]
基于前述的数据，当球间隙的级数n＝2，根据ud＝38.07d
0.68
计算得到各级真空球间隙的间隙距离d为1.6～3mm。
[0065]
步骤s5：若球间隙的间隙距离的范围是否位于球间隙的间隙距离的预设范围内，则确定当前的预设球间隙的级数为触发型真空多级串联球间隙的级数。
[0066]
预设范围一般是球间隙的间隙距离的最佳范围。在本发明一具体的实施例中，预设范围为2～5mm，该预设范围为最佳范围。
[0067]
基于前述的数据，当球间隙的级数n＝1，间隙距离d为7～8.2mm，该间隙距离过大，不在预设范围内。
[0068]
基于前述的数据，当球间隙的级数n＝2，间隙距离d为1.6～3mm，该间隙距离在预设范围内。
[0069]
因此，该具体实施例确定触发型真空多级串联球间隙的级数为2。当确定了满足预设范围的级数后，则无需再增加级数进行判断，以便减少串联的数量，使结构更加简单。
[0070]
进一步的，本发明实施例的方法还包括如下的步骤：
[0071]
将确定的触发型真空多级串联球间隙的级数对应的球间隙的工作电压范围和触发型真空多级串联球间隙的触发电压范围确定为所需的参数。
[0072]
上述具体实施例中，n＝2，则触发电压u
t
的范围为0～7.95kv，球间隙的工作电压ud的范围为71.415～79.83kv。
[0073]
实际操作时，根据具体情况，一般可将球间隙的工作电压ud范围区间的中点作为球间隙的工作电压的值。
[0074]
进一步的，本发明实施例的方法还包括如下的步骤：
[0075]
(1)根据球间隙的间隙距离的预设值和球间隙的电场不均匀系数的预设值，通过第二对应关系等式，计算得到球间隙的球直径的初值；
[0076]
(2)将球间隙的球直径的初值乘以预设倍数，得到球间隙的球直径。
[0077]
其中，第二对应关系等式为：f＝0.9(1+d
p
/d)，f表示球间隙的电场不均匀系数的预设值，d
p
表示球间隙的间隙距离的预设值，球间隙的间隙距离的预设值位于球间隙的间隙距离的预设范围内，d表示球间隙的球直径的初值。
[0078]
如前所述的具体实施例，球间隙的间隙距离的预设范围为2～5mm，一般选择球间隙的间隙距离的预设值d
p
为2.5mm。电场不均匀系数在1到2之间是稍不均匀电场，因此，选择球间隙的电场不均匀系数的预设值为1.2，以便在留有裕度的情况下尽量均匀。通过上述数值计算得到的球间隙的球直径的初值d＝7.57，预设倍数为1.5，则最终得到的球间隙的
球直径为11.355mm。实际操作时，为便于实施，可以对球直径取整。例如球直径为11mm。通过上述参数得到的电场如图4所示，该电场更加均匀，更有利于放电稳定性。
[0079]
本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施例所述的可控避雷器控制回路的设计方法。
[0080]
本发明实施例还公开了一种可控避雷器控制回路的设计系统，包括：如上述实施例所述的计算机可读存储介质。
[0081]
综上，本发明实施例，可设计得到结构简单的触发型真空多级串联球间隙，相较于大气间隙，真空间隙放电不会受到外界环境影响，开关动作稳定；真空间隙下的电弧更易熄灭，操作过电压、雷电过电压过后，可控避雷器的状态可自动恢复到正常态；触发型的放电方式能够在提高经济性的同时保证放电过程容易控制且放电更加可靠；球球电极所提供的稍不均匀电场，工频击穿电压、操作冲击击穿电压和雷电冲击击穿电压相差不大，为正常工作的工频电压下开关的可靠性提供了很大的裕度，从而可以减少误动现象的发生；多级间距相等的间隙串联的开关方式能够为保证各真空间隙同期击穿，减少开关动作时间。
[0082]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。