一种具有选频特性的多级串联放电间隙及其工作方法与流程

本发明属于空气间隙放电开关技术领域，具体涉及一种具有选频特性的多级串联放电间隙及其工作方法。

背景技术：

在特高压直流电力系统中，主要采用避雷器组对雷电过电压和操作过电压进行过电压防护。现有采用单一避雷器组的防护，对于避雷器组的要求较高，避雷器造价很高，且长期在操作过电压和雷电过电压作用下，避雷器损坏率较高。操作过电压与电力系统电压等级有关，电压等级越高则操作过电压越高，相比于雷电过电压，特高压直流电力系统下的操作过电压更高，危害更大。因此，对于操作过电压进行防护日趋重要，根据目前需求，需要设计一空气间隙，使其在较低的操作过电压下间隙击穿导通，且能耐受较高的直流电压和雷电压。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有选频特性的多级串联放电间隙及其工作方法，多级串联放电间隙的冲击击穿电压与频率的关系呈u型曲线，符合特高压直流电力系统下的需求，合理选择元件参数，可使该多级间隙能耐受较高的直流电压和雷电过电压，间隙不击穿；而在较低的操作过电压下各间隙能全部击穿。

本发明采用以下技术方案：

一种具有选频特性的多级串联放电间隙，包括依次串联的第1级放电间隙回路至第n级放电间隙回路，第n级放电间隙回路连接高压进线端hv，第1级放电间隙回路连接低压进线端lv，其中，各级放电间隙回路均包括依次连接的分压阻容元件、分压电感、串联分压电阻、回路分压电阻以及放电间隙，多级串联放电间隙的冲击击穿电压与频率呈u型曲线关系，在直流电压和雷电压下不动作，各间隙不击穿；在操作过电压下动作，间隙全部击穿。

具体的，第1级放电间隙回路包括：

放电间隙g1，低压进线端lv分别与放电间隙g1的一端和阻容元件的一端相连接，阻容元件的另一端与分压电感l1的一端连接，串联分压电阻r1的一端和分压电感l1的另一端相连接，串联分压电阻r1的另一端和回路分压电阻r1'的一端连接，放电间隙g1的另一端和回路分压电阻r1'的另一端相连接。

具体的，第2≤i≤n-1级放电间隙回路包括：

放电间隙gi，放电间隙gi的一端与回路分压电阻ri-1'的一端相连接，回路分压电阻ri'的一端与放电间隙gi的另一端相连接，串联分压电阻ri的一端与回路分压电阻ri'的另一端相连接，串联分压电阻ri的另一端与分压电感li的一端相连接，分压阻容元件的一端与回路分压电阻ri-1'的另一端相连接，分压电感li的另一端和分压阻容元件的另一端相连接。

具体的，第n级放电间隙回路包括：

放电间隙gn，高压进线端hv与回路分压电阻rn'的一端和放电间隙gn的一端相连接，回路分压电阻rn'的另一端与串联分压电阻rn的一端连接，分压电感ln的一端与串联分压电阻rn的另一端相连接，分压阻容元件的一端和分压电感ln的另一端连接，回路分压电阻rn-1'的一端与放电间隙gn的另一端相连接，分压阻容元件的另一端与回路分压电阻rn-1'的另一端相连接，串联分压电阻rn上并联高频滤波电容c0。

进一步的，分压阻容元件包括并联的电容cn和电阻rc。

进一步的，第n级串联分压电阻rn和其它间隙回路的n-1个回路分压电阻ri'的值相同，1≤i≤n-1；第n级回路分压电阻rn'和其它间隙回路的n-1个串联分压电阻ri的值相同，1≤i≤n-1；且有rn＝ri'＞＞rn'＝ri，1≤i≤n-1，且在高频f＞＞f0电压下的电感感抗值远大于分压电阻值；n个分压电感li的值相同，1≤i≤n；n个阻容元件中的电容ci的值相同，1≤i≤n；并联的电阻rc为mω级电阻。

具体的，所述n级放电间隙回路包括依次串联的第1级放电间隙回路至第3级放电间隙回路。

进一步的，第3级串联分压电阻r3和其它间隙回路的回路分压电阻r1'，r2'的值相同，第3级回路分压电阻r3'和其它间隙回路的串联分压电阻r1，r2的值相同；分压电感l1、l2、l3的值相同；阻容元件中的电容c1、c2、c3的值相同。

更进一步的，分压电阻值有r1'＝r2'＝r3＞＞r1＝r2＝r3'，且电感感抗值远大于分压电阻值，并联的电阻rc为mω级电阻。

本发明的另一个技术方案是，一种具有选频特性的多级串联放电间隙的工作方法，当工作电压频率低于f＜＜f0时，f0为相应谐振，各级间隙电压由相同阻容元件均匀分配，多级串联间隙的击穿电压高，各级间隙不击穿；

当工作电压频率高于f＞＞f0时，高频冲击电压作用于高压进线端hv，高频冲击电压下的电感感抗值远大于分压电阻值，各级间隙电压由各级等值电感分配，各级间隙均压，多级串联放电间隙的击穿电压高，各级间隙不击穿；

当工作电压频率在谐振f0附近处时，电感和电容接近谐振，各级间隙电压由各级分压电阻比重确定，第n级串联分压电阻rn值远大于其余n-1个串联分压电阻值，电压加在第n级放电间隙gn上，放电间隙gn首先发生击穿，之后其余各级回路分压电阻ri'依次串入相应回路中，1≤i≤n-1，其余各级放电间隙电压重新分配，放电间隙从第n级开始依次击穿，在第n级放电间隙击穿之后，第n-1级回路分压电阻开始串入整个放电间隙回路中，电压重新分配，此时电压幅值加在第n-1级放电间隙上，第n-1级放电间隙击穿，并以此类推，在第n级放电间隙击穿后，其余各级放电间隙依次击穿。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种具有选频特性的多级串联放电间隙，其分压电感的感抗和分压阻容元件的容抗与频率有关，则各级阻抗与频率有关和各级分压也与频率有关，进而使该多级串联放电间隙具有选频特性。

进一步的，各级放电间隙回路阻抗与频率有关，各级放电间隙分压大小与各级回路阻抗成正比，则各级放电间隙分压与频率有关。

进一步的，在工作电压频率很低时，各级放电间隙阻抗主要由分压阻容元件决定，各级阻容元件相同，此时各级间隙均压，使多级串联放电间隙的击穿电压较高。

进一步的，在工作电压频率在谐振f0附近时，各级放电间隙阻抗主要由各级分压电阻决定，此时各级分压电阻的不同使各级间隙分压不均，以致各级间隙依次击穿。

本发明还公开了具有选频特性的多级串联放电间隙的工作方法，在具体操作时，其在工作电压频率很低或很高时，具有较高的击穿电压；当工作电压频率很低时，各级间隙电压由相同阻容元件均匀分配，使得多级串联间隙的击穿电压较高，各级间隙不击穿；当工作电压频率很高时，高频冲击电压作用于高压进线端(hv)，又在高频冲击电压下的电感感抗值远大于分压电阻值，此时各级间隙电压分配主要由各级等值电感分配，各级间隙近似均压，使得多级串联放电间隙的击穿电压较高，各级间隙不击穿；当工作电压频率在谐振f0附近f1≤f0≤f2处时，各级电感和电容接近谐振，各级间隙电压主要由各级分压电阻比重决定，由于第n级串联分压电阻(rn)值远大于其余n-1个串联分压电阻值，则电压大部分加在第n级放电间隙(gn)上，放电间隙(gn)首先发生击穿，之后其余各级回路分压电阻(ri'，1≤i≤n-1)依次串入相应回路中，其余各级放电间隙电压重新分配，放电间隙从第n级开始依次击穿，在第n级放电间隙击穿之后，第n-1级回路分压电阻开始串入整个放电间隙回路中，电压又重新分配，此时电压幅值绝大部分加在第n-1级放电间隙上，第n-1级放电间隙击穿，并以此类推，在第n级放电间隙击穿后，其余各级放电间隙依次击穿。由上述多级串联放电间隙的结构特点知，其冲击击穿电压与频率的关系呈一u型曲线，能耐受频率很低和频率很高的冲击电压；而在较低的频率为谐振频率f0附近的冲击电压幅值下，间隙全部击穿导通。

综上所述，本发明的多级串联放电间隙具有选频特性，其冲击击穿电压与频率的关系呈一u型曲线，能耐受频率很低和频率很高的冲击电压；而在较低的频率为谐振频率f0附近的冲击电压幅值下，间隙全部击穿导通。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为实施例原理图，其中，(a)为三级串联间隙原理图，(b)为多级串联间隙的击穿电压与频率的关系曲线。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种具有选频特性的多级串联放电间隙，包括高压进线端、低压进线端、一个高频滤波用电容c0、n个分压阻容元件(电阻和电容并联)、n个分压电感、n个串联分压电阻、n个回路分压电阻以及n个等间距放电间隙。该多级串联放电间隙的冲击击穿电压与频率的关系呈u型曲线，在频率f0(f0为各级电感和电容的谐振频率)附近f1≤f0≤f2处时，多级串联放电间隙的击穿电压很低；而在频率很高(f＞＞f0)或频率很低(f＜＜f0)时，多级串联放电间隙的击穿电压较高。

请参阅图1，本发明一种具有选频特性的多级串联放电间隙，包括高压进线端hv、低压进线端lv、一个起高频滤波作用的电容c0、n个分压阻容元件(电阻rc；电容ci，1≤i≤n)、n个分压电感(li，1≤i≤n)、n个串联分压电阻(ri，1≤i≤n)、n个回路分压电阻(ri'，1≤i≤n)以及n个等间距放电间隙(gi，1≤i≤n)；各级放电间隙回路均包括分压阻容元件、分压电感、串联分压电阻、回路分压电阻以及放电间隙。

第1级放电间隙回路包括：

低压进线端lv，低压进线端lv与放电间隙g1的一端和阻容元件(c1和电阻rc并联)一端相连接，阻容元件(c1和电阻rc并联)的另一端与分压电感l1的一端连接，串联分压电阻r1的一端和分压电感l1的另一端相连接，串联分压电阻r1的另一端和回路分压电阻r1'的一端连接，放电间隙g1的另一端和回路分压电阻r1'的另一端相连接。

第2≤i≤n-1级放电间隙回路包括：

放电间隙gi，放电间隙gi的一端与回路分压电阻ri-1'的一端相连接，回路分压电阻ri'的一端与放电间隙gi的另一端相连接，串联分压电阻ri的一端与回路分压电阻ri'的另一端相连接，串联分压电阻ri的另一端与分压电感li的一端相连接，分压阻容元件(ci和电阻rc并联)的一端与回路分压电阻ri-1'的另一端相连接，分压电感li的另一端和分压阻容元件(ci和电阻rc并联)的另一端相连接。

第n级放电间隙回路包括：

高压进线端hv，高压进线端hv与回路分压电阻rn'的一端和放电间隙gn的一端相连接，回路分压电阻rn'的另一端与串联分压电阻rn的一端连接，分压电感ln的一端与串联分压电阻rn的另一端相连接，阻容元件(cn和rc并联)的一端和分压电感ln的另一端连接，回路分压电阻rn-1'的一端与放电间隙gn的另一端相连接，阻容元件(cn和rc并联)的另一端与回路分压电阻rn-1'的另一端相连接，此外串联分压电阻rn上并联一高频滤波电容c0。

本发明具有选频特性的多级串联放电间隙在工作电压频率很低或很高时，具有较高的击穿电压。

当工作电压频率很低时，各级间隙电压由相同阻容元件均匀分配，使得多级串联间隙的击穿电压较高，各级间隙不击穿；

当工作电压频率很高时，高频冲击电压作用于高压进线端hv，又在高频冲击电压下的电感感抗值远大于分压电阻值，此时各级间隙电压分配主要由各级等值电感分配，各级间隙近似均压，使得多级串联放电间隙的击穿电压较高，各级间隙不击穿；

当工作电压频率在谐振f0附近f1≤f0≤f2处时，各级电感和电容接近谐振，各级间隙电压主要由各级分压电阻比重决定，由于第n级串联分压电阻rn值远大于其余n-1个串联分压电阻值，则电压大部分加在第n级放电间隙gn上，放电间隙gn首先发生击穿，之后其余各级回路分压电阻(ri'，1≤i≤n-1)依次串入相应回路中，其余各级放电间隙电压重新分配，放电间隙从第n级开始依次击穿，在第n级放电间隙击穿之后，第n-1级回路分压电阻开始串入整个放电间隙回路中，电压又重新分配，此时电压幅值绝大部分加在第n-1级放电间隙上，第n-1级放电间隙击穿，并以此类推，在第n级放电间隙击穿后，其余各级放电间隙依次击穿。

此外，第n级串联分压电阻rn和其它间隙回路的n-1个回路分压电阻(ri'，1≤i≤n-1)的值相同，第n级回路分压电阻rn'和其它间隙回路的n-1个串联分压电阻(ri，1≤i≤n-1)的值相同，保证前者电阻值要远大于后者电阻值且在高频冲击电压下的电感感抗值大于分压电阻值；n个分压电感(li，1≤i≤n)的值相同；n个阻容元件中的电容(ci，1≤i≤n)的值相同；其并联的电阻rc取值要大，可选mω级电阻，应用于特高压直流电力系统中时，并联电阻rc可用氧化锌避雷器代替，氧化锌避雷器自身绝缘电阻在mω级。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例为三级串联放电间隙，如图2所示。

图中阻容元件相同，取c1＝c2＝c3＝1uf和rc＝10mω，分压电感取值为l1＝l2＝l3＝100mh，且分压电阻取值为r1'＝r2'＝r3＝10kω和r3'＝r2＝r1＝1kω，电阻r3上的并联电容c0＝10nf。

当操作过电压作用于三级串联放电间隙时，由各级分压电阻分压，放电间隙g3分得操作过电压幅值的85％左右，g3击穿导通，g3击穿后r2'接入后续两级放电回路中，此时操作过电压重新分配，放电间隙g2又分得操作过电压幅值的85％左右，g2又击穿导通，同理，随后放电间隙g1导通，间隙全部击穿。

因此可以看出，相比于r1＝r2＝r3'的电阻值，r1'＝r2'＝r3的电阻值越大，各级放电间隙在击穿前分得的操作过电压就越高，从而使三级串联放电间隙可以在较低的操作过电压下可靠导通，可靠性高。

实施例2

本实施例中为三级串联放电间隙，如图2所示。

图中阻容元件相同，取c1＝c2＝c3＝10uf和rc＝10mω，分压电感取值为l1＝l2＝l3＝10mh，且分压电阻取值为r1'＝r2'＝r3＝1kω和r3'＝r2＝r1＝100ω，电阻r3上的并联电容c0＝90nf。

当操作过电压作用于三级串联放电间隙时，由各级分压电阻分压，放电间隙g3分得操作过电压幅值的80％左右，g3击穿导通，g3击穿后r2'接入放电回路中，此时操作过电压重新分配，放电间隙g2又分得操作过电压幅值的80％左右，g2又击穿导通，同理，随后放电间隙g1导通。

因此可以看出，在前一级放电间隙击穿时，后一级回路的回路分压电阻才起作用，操作过电压又重新分配，该级放电间隙击穿后，下一级放电间隙击穿原理与前述相同。

合理选择各级分压电阻的值可以使多级串联放电间隙装置在较低的操作过电压下可靠导通。

结合特高压直流电力系统下的应用背景，本发明多级串联放电间隙在直流电压和雷电压下不动作，各间隙不击穿；而在较低的操作过电压下动作，间隙全部击穿。其击穿电压与频率的关系曲线呈u型，如图2(b)所示，在操作过电压频率范围f1≤f≤f2，击穿电压低，多级间隙串联装置在较低的操作过电压下间隙全部击穿。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。