GIS设备及其VFTO抑制装置的制作方法

本发明涉及电力设备技术领域，具体涉及一种gis设备及其vfto抑制装置。

背景技术：

隔离开关在气体绝缘金属封闭开关设备(gis)中的每一次操作都发生数十次甚至数百次的复燃，触头间隙两端的电压在几个ns内突然跌落，电压陡波在gis内不断产生行波，发生复杂的折射、反射和叠加，产生特快速瞬态过电压(下称vfto)。vfto是一种特殊的过电压，其主要有三个特点：一是频带宽(从零到上百mhz)；二是陡度大(上升时间可低至数ns)；三是幅值高(可达3p.u.)。

vfto对gis设备、外部连接设备以及二次设备的安全运行有重要影响，且随着系统电压等级的提高，这种影响越来越显著，在特高压系统中尤为突出。因此，为了电力系统的安全稳定运行，必须采取可靠措施抑制特高压gis中的vfto。

在现有技术中，铁氧体磁环能够有效抑制vfto，在gis回路中安装高频磁环是解决vfto问题的一个经济、可靠的方法。但是，高频磁环的磁导率随着磁场强度的变化而变化，当铁氧体材料趋于饱和时，增量磁导率趋于零。即，在饱和情况下，铁氧体高频磁环抑制vfto的作用将消失。在实际工程中的gis内，vfto的行波电流能够达到数千安培，在如此大的行波电流下，会导致磁环严重饱和，失去抑制行波陡度和幅值的能力，因此需要采取有效措施，避免磁环严重饱和，保证vfto抑制的可靠性。

增加磁环用量能部分抵消饱和影响，但基于以下几个原因，实际工程中安装的磁环数量不可能无限多：一是增加磁环数量会增加设备成本，二是gis紧凑的结构限制了磁环的安装数量，因此，过度增加磁环数量并不是解决磁环饱和问题的好办法。

磁环抑制vfto的最大制约因素是饱和效应的影响。铁氧体磁环可近似等效成非线性电感和电阻并联的电气元件。vfto产生时，非线性电感降低行波的陡度，电阻降低行波的幅值。

随着行波电流的升高，磁性材料的磁导率将趋于饱和，磁导率减小，磁环的等效电感将减小，对vfto的抑制作用将减弱。对于饱和特性，可采用langevin函数模拟磁性材料的静态磁化曲线：

其中，ms是饱和磁化强度，μ0是真空磁导率，μi是起始相对磁导率。涡流特性，用电阻率ρ表征。例如型号为r2kb的铁氧体磁环，其饱和磁化强度为0.5t，起始磁导率为2500，电阻率是0.03ω·m，假设磁环厚度15mm，内径120mm，外径160mm。

以这种铁氧体磁环为例进行估算，在直流情况下，gis的导电杆中通入100a电流即达到临界饱和；在暂态电流下，由于涡流的去磁效应，要达到饱和所需的电流会有所增大。综合考虑磁环本身对脉冲行波电流也有一定衰减作用，估算vfto下铁氧体磁环的临界饱和电流在1ka数量级。

特高压gis波阻抗一般为70～100欧，按峰-峰值击穿电压1800kv估算，击穿后首次脉冲幅值900kv，产生脉冲电流幅值能达到10ka左右，如此高幅值的暂态电流下磁环很难工作在线性区内。

当磁环应用在特高压gis中，磁性材料的饱和不可避免。磁环饱和效应会大幅削弱抑制vfto的效果，在大行波电流下甚至丧失抑制vfto的能力，磁环抑制vfto的最大掣肘是饱和的影响，所以现在需要提出一种经济、有效、可靠的装置来降低通过磁环的行波电流，从而来限制甚至避免磁环的饱和效应，保证磁环抑制vfto的可靠性。

在2009年的特高压输电技术国际会议论文集中公开了一篇名为《高频磁环和阻尼电阻抑制特高压gis的vfto的仿真研究》的技术文献，在该技术文献中提出了用高频磁环和阻尼电阻来共同抑制vfto的方法，在gis的高压导电杆上设置有高频磁环串，再在磁环串外放置筒形的阻尼电阻，由此构成同轴结构，对于正常运行的工频电流，其频率较低，受高频磁环串和阻尼电阻的影响较小，电流主要通过导电杆，对于vfto，高频磁环显著增大了导电杆的电抗，使得高频电流渠道阻尼电阻，产生衰减，此方法原理类似于集肤效应损耗，高频磁环使得高频暂态更趋于导体表面，导体表面的电阻材料产生更大的高频损耗。高频磁环与阻尼电阻能够阻尼掉gis母线上行波的折射、反射，抑制vfto中的高频分量，减小vfto的幅值和陡度。

如图1所示，为该技术文献公开的高频磁环和阻尼电阻与导电杆配合的结构示意图，导电杆101的形状为长杆状，在导电杆101的外周面上开设有环绕导电杆的轴线布置的装配环槽，在环槽内由内到外依次设置有磁环串组102，在磁环串组102的外周面上套设有筒形的阻尼电阻即电阻筒103，阻尼电阻与装配环槽的沿着导电杆101长度方向的两槽壁抵靠在一起，实现导电杆101与电阻筒103的导通。但其中存在的问题是：在导电杆上101加工出装配环槽较为复杂，不便于导电杆101与电阻筒103进行装配。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种vfto抑制装置，能够解决现有技术中将导电杆与电阻加工、装配复杂的问题；本发明另外的目的在于提供一种使用该vfto抑制装置的gis设备。

为实现上述目的，本发明中的vfto抑制装置采用如下的第一种技术方案：

一种vfto抑制装置，包括导电杆，所述导电杆的外周面上套设有磁环串组，磁环串组的两端设有与对应磁环挡止配合以将磁环串组定位的过渡环，磁环串组及过渡环的外侧面上套设有电阻筒，所述过渡环的内环面与导电杆固定且接触导通形成电连接，过渡环的表面与电阻筒固定且接触导通形成电连接。

其有益效果在于：使用过渡环来实现导通电阻筒与导电杆导通，结构简单。过渡环的内环面与导电杆接触能够保证可靠的电接触，过渡环的侧面能够对磁环串组进行定位，减少磁环串组的振动及噪声。在装配时仅需要将过渡环夹紧磁环串组后，分别与电阻筒及导电杆对应导通即可，不需要对原有的结构进行过多的改进。

进一步的，所述电阻筒与过渡环通过沿过渡环径向布置的螺栓实现固定连接。

其有益效果在于：使用沿过渡环径向布置的螺栓来保证电阻筒与过渡环的固定连接，结构简单，其而连接可靠，螺栓沿径向布置能够视多个螺栓的同时使用，进一步提高稳定性、可靠性。

进一步的，所述螺栓由导电材料制成。

其有益效果在于：螺栓由导电材料制成，起到了辅助导电的作用。

进一步的，所述导电杆与过渡环通过沿过渡环径向布置的螺栓实现固定连接。

其有益效果在于：使用沿过渡环径向布置的螺栓来保证导电杆与过渡环的固定连接，结构简单，其而连接可靠，螺栓沿径向布置能够视多个螺栓的同时使用，进一步提高稳定性、可靠性。

进一步的，所述螺栓由导电材料制成。

其有益效果在于：螺栓由导电材料制成，起到了辅助导电的作用。

为实现上述目的，本发明中的gis设备采用如下的第一种技术方案：

gis设备，包括母线和连接在母线之间的vfto抑制装置，vfto抑制装置包括导电杆，所述导电杆的外周面上套设有磁环串组，磁环串组的两端设有与对应磁环挡止配合以将磁环串组定位的过渡环，磁环串组及过渡环的外侧面上套设有电阻筒，所述过渡环的内环面与导电杆固定且接触导通形成电连接，过渡环的表面与电阻筒固定且接触导通形成电连接。

其有益效果在于：使用过渡环来实现导通电阻筒与导电杆导通，结构简单。过渡环的内环面与导电杆接触能够保证可靠的电接触，过渡环的侧面能够对磁环串组进行定位，减少磁环串组的振动及噪声。在装配时仅需要将过渡环夹紧磁环串组后，分别与电阻筒及导电杆对应导通即可，不需要对原有的结构进行过多的改进。

进一步的，所述电阻筒与过渡环通过沿过渡环径向布置的螺栓实现固定连接。

其有益效果在于：使用沿过渡环径向布置的螺栓来保证电阻筒与过渡环的固定连接，结构简单，其而连接可靠，螺栓沿径向布置能够视多个螺栓的同时使用，进一步提高稳定性、可靠性。

进一步的，所述螺栓由导电材料制成。

其有益效果在于：螺栓由导电材料制成，起到了辅助导电的作用。

进一步的，所述导电杆与过渡环通过沿过渡环径向布置的螺栓实现固定连接。

其有益效果在于：使用沿过渡环径向布置的螺栓来保证导电杆与过渡环的固定连接，结构简单，其而连接可靠，螺栓沿径向布置能够视多个螺栓的同时使用，进一步提高稳定性、可靠性。

进一步的，所述螺栓由导电材料制成。

其有益效果在于：螺栓由导电材料制成，起到了辅助导电的作用。

为实现上述目的，本发明中的vfto抑制装置采用如下的第二种技术方案：

一种vfto抑制装置，包括沿自身轴向间隔布置的导电杆，导电杆之间并联布置有至少两支以上的分支导体，各分支导体的外周面上套设有磁环串组，磁环串组的两端设有与对应磁环挡止配合以将磁环串组定位的过渡环，磁环串组及过渡环的外侧面上套设有电阻筒，所述过渡环的内环面与分支导体固定且接触导通，过渡环的表面与电阻筒固定且接触导通。

其有益效果在于：通过在导电杆之间设置有两支以上的分支导体，使通过导电杆的电流同时取道分支导体，通过分支导体的行波电流减小，在分支导体上套设有磁环串组，行波电流较小无法使磁环达到饱和，从而保证了磁环能够稳定地抑制vfto；并且多支并联布置的分支导体在通入电流时，电流方向相同，能够在各分支导体内产生寄生电感，能够进一步减少电流，保证通过磁环的行波电流不会使磁环达到饱和，也能够保证磁环不受饱和效应的影响，保证磁环抑制vfto的可靠性。

使用过渡环来实现导通电阻筒与分支导体导通，结构简单。过渡环的内环面与分支导体接触能够保证可靠的电接触，过渡环的侧面能够对磁环串组进行定位，减少磁环串组的振动及噪声。在装配时仅需要将过渡环夹紧磁环串组后，分别与电阻筒及导电杆对应导通即可，不需要对原有的结构进行过多的改进。

进一步的，所述电阻筒与过渡环通过沿过渡环径向布置的螺栓实现固定连接。

其有益效果在于：使用沿过渡环径向布置的螺栓来保证电阻筒与过渡环的固定连接，结构简单，其而连接可靠，螺栓沿径向布置能够视多个螺栓的同时使用，进一步提高稳定性、可靠性。

进一步的，所述螺栓由导电材料制成。

其有益效果在于：螺栓由导电材料制成，起到了辅助导电的作用。

进一步的，所述分支导体与过渡环通过沿过渡环径向布置的螺栓实现固定连接。

其有益效果在于：使用沿过渡环径向布置的螺栓来保证分支导体与过渡环的固定连接，结构简单，其而连接可靠，螺栓沿径向布置能够视多个螺栓的同时使用，进一步提高稳定性、可靠性。

进一步的，所述螺栓由导电材料制成。

其有益效果在于：螺栓由导电材料制成，起到了辅助导电的作用。

进一步的，所述分支导体平行布置在两导电杆之间。

其有益效果在于：将分支导体平行布置，能够使通过导电杆的电流尽可能均匀地分布在分支导体上，并且平行布置的分支导体之间所产生的寄生电感强度更高。

进一步的，所述导电杆包括沿着导电杆的径向向外凸出的以用于与分支导体连接的过渡盘，所述分支导体均布在过渡盘上。

其有益效果在于：在导电杆上设置有过渡盘，分支导体连接在过渡盘上时具有更大的布置空间，便于技术人员将磁环串组套装在分支导体上，并且设置过渡盘能够增加导电杆与分支导体之间的接触面积，使分支导体能够承担更大的电流。

进一步的，所述分支导体的横截面积之和大于导电杆的横截面积。

其有益效果在于：分支导体的横截面积之和大于导电杆的横截面积，能够保证分支导体能够承载由导电杆传递来的分配电流。

为实现上述目的，本发明中的gis设备采用如下的第二种技术方案：

gis设备，包括母线和连接在母线之间的vfto抑制装置，vfto抑制装置包括沿自身轴向间隔布置的导电杆，导电杆之间并联布置有至少两支以上的分支导体，各分支导体的外周面上套设有磁环串组，磁环串组的两端设有与对应磁环挡止配合以将磁环串组定位的过渡环，磁环串组及过渡环的外侧面上套设有电阻筒，所述过渡环的内环面与分支导体固定且接触导通，过渡环的表面与电阻筒固定且接触导通。

其有益效果在于：通过在导电杆之间设置有两支以上的分支导体，使通过导电杆的电流同时取道分支导体，通过分支导体的行波电流减小，在分支导体上套设有磁环串组，行波电流较小无法使磁环达到饱和，从而保证了磁环能够稳定地抑制vfto；并且多支并联布置的分支导体在通入电流时，电流方向相同，能够在各分支导体内产生寄生电感，能够进一步减少电流，保证通过磁环的行波电流不会使磁环达到饱和，也能够保证磁环不受饱和效应的影响，保证磁环抑制vfto的可靠性。

使用过渡环来实现导通电阻筒与分支导体导通，结构简单。过渡环的内环面与分支导体接触能够保证可靠的电接触，过渡环的侧面能够对磁环串组进行定位，减少磁环串组的振动及噪声。在装配时仅需要将过渡环夹紧磁环串组后，分别与电阻筒及导电杆对应导通即可，不需要对原有的结构进行过多的改进。

进一步的，所述电阻筒与过渡环通过沿过渡环径向布置的螺栓实现固定连接。

其有益效果在于：使用沿过渡环径向布置的螺栓来保证电阻筒与过渡环的固定连接，结构简单，其而连接可靠，螺栓沿径向布置能够视多个螺栓的同时使用，进一步提高稳定性、可靠性。

进一步的，所述螺栓由导电材料制成。

其有益效果在于：螺栓由导电材料制成，起到了辅助导电的作用。

进一步的，所述分支导体与过渡环通过沿过渡环径向布置的螺栓实现固定连接。

其有益效果在于：使用沿过渡环径向布置的螺栓来保证分支导体与过渡环的固定连接，结构简单，其而连接可靠，螺栓沿径向布置能够视多个螺栓的同时使用，进一步提高稳定性、可靠性。

进一步的，所述螺栓由导电材料制成。

其有益效果在于：螺栓由导电材料制成，起到了辅助导电的作用。

进一步的，所述分支导体平行布置在两导电杆之间。

其有益效果在于：将分支导体平行布置，能够使通过导电杆的电流尽可能均匀地分布在分支导体上，并且平行布置的分支导体之间所产生的寄生电感强度更高。

进一步的，所述导电杆包括沿着导电杆的径向向外凸出的以用于与分支导体连接的过渡盘，所述分支导体均布在过渡盘上。

其有益效果在于：在导电杆上设置有过渡盘，分支导体连接在过渡盘上时具有更大的布置空间，便于技术人员将磁环串组套装在分支导体上，并且设置过渡盘能够增加导电杆与分支导体之间的接触面积，使分支导体能够承担更大的电流。

进一步的，所述分支导体的横截面积之和大于导电杆的横截面积。

其有益效果在于：分支导体的横截面积之和大于导电杆的横截面积，能够保证分支导体能够承载由导电杆传递来的分配电流。

附图说明

图1为现有技术中高频磁环与阻尼电阻配合关系示意图；

图2为本发明中vfto抑制装置的实施例1的结构示意图；

图3为图2中分支导体部位的局部放大图；

图4为沿图3中a-a线的剖视图；

图5为本发明中vfto抑制装置的实施例2的结构示意图。

图中：101.导电杆；102.磁环串组；103.电阻筒；201.导电杆；202.磁环串组；203.电阻筒；204.分接盘；205.分支导体；206.外螺栓；207.过渡环；208.绝缘层；209.内螺栓；301.螺栓。

具体实施方式

现结合附图来对本发明的具体实施方式进行说明，如图2所示，为本发明中vfto抑制装置的实施例1：vfto抑制装置包括两沿自身轴向间隔布置的导电杆201，导电杆201连接在电路中能够起到导通电路的作用。在两导电杆201之间设置有多支平行布置的分支导体205，分支导体205分别连接在两导电杆201之间，在导电杆201之间形成了并联布置的结构。分支导体205能够对通过导电杆201的电流进行分流，在各分支导体205的外周面上套设有磁环串组202及设置在磁环串组202两端的，与位于端部的磁环挡止配合的过渡环207，过渡环207将磁环串组202夹紧，磁环串组202及过渡环207的外周面上套设有电阻筒203。分支导体205与磁环串组202之间设置有绝缘层208。通过分支导体205的分流，能够使磁环串组202中通过的行波电流减小，从而减少饱和对磁环串组202的影响，磁环串组202能够对vfto产生有效地抑制。

如图2及图3所示，过渡环207表面中的柱面与电阻筒203的内壁固定连接，又因为过渡环由导电材料制成，因此过渡环207能够与电阻筒203形成导电通路，过渡环的内环面与分支导体205固定以实现将磁环串组202固定在分支导体205上，过渡环在于分支导体205固定的同时与该分支导体205形成电连接关系，过渡环207在分别与分支导体及电阻筒导通的同时，磁环串组202及电阻筒203通过过渡环形成了并联通路，磁环串组202与过渡环207配合后的长度与电阻筒203的长度等长，过渡环位于电阻筒203两端的开口处。

而电阻筒203与过渡环207之间均布有多个由导电材料制成的外螺栓206。电阻筒203包括位于电阻筒203两端的、在导电杆201长度方向上超出磁环串组202的延伸部分，电阻筒203的两端的延伸部分上开设有与外螺栓206螺纹配合的螺孔，外螺栓206从电阻筒203的外部穿入，并通过与螺孔螺纹配合穿过电阻筒203，外螺栓206的一端在外螺栓206运动过程中与过渡环207的外环面接近，过渡环207上开设有与外螺栓206适配的螺孔，外螺栓206最终伸入到过渡环207内，外螺栓206的与导在vfto抑制装置工作时，外螺栓206的接触端始终与过渡环207电接触，使过渡环207与电阻筒203通过外螺栓206实现导通。

如图4所示，在过渡环207中还设有内螺栓209，对应地在过渡环207上开设有与供外螺栓206穿设的螺孔错开布置的内螺孔，过渡环207通过内螺栓209实现与分支导体205的固定、导通。为了防止内螺栓209干涉电阻筒203的安装，内螺孔还具有容纳内螺栓209螺帽的空间。磁环串组202通过过渡环207形成了与电阻筒203的并联关系。

在导电杆201与分支导体205之间设置有导电杆201与分支导体205转接的分接盘204，分接盘204沿着导电杆201的径向方向凸出导电杆201的外周面，分支导体205连接在分接盘204上时具有较大的安装空间与接触面积。分支导体205通过分接盘204与导电杆201形成连接，各分支导体205之间形成了并联关系。各分支导体205的横截面积之和大于导电杆201的横截面积以保证各分支导体205能够承受所分配的电流。

在磁环串组202的外周面上套设有电阻筒203，电阻筒203通过过渡环207与分支导体205实现导通，相当于在磁环串组202的两端并联设置有电阻，电阻筒203与磁环串组202构成了并联结构，利用高频下极强的集肤效应，来对位于并联结构最外端的电阻筒203分配可观的行波电流，并依靠电阻筒203来消耗掉行波能量，减少行波电流对vfto的抑制作用。当vfto通过导电杆201中的分支导体205时，行波电流频率极高，电流分布表现出极强的集肤效应，电流密度沿着vfto抑制装置的径向方向增大，行波电流会取道vfto抑制装置中的电阻筒203，在电阻筒203处具有最大的电流密度，即电阻筒203上分配有主要的行波电流，而位于电阻筒203内侧的磁环串组202中行波电流大大减小，降低了行波电流对磁环串组202的饱和特性的影响。

但是，当电阻筒203的电阻很大时，接近开路，分流作用很小；当电阻筒203的电阻很小时，接近短路，磁环串组202的作用被消除，对vfto的抑制作用也会消失，因此电阻筒203的电阻具有一个最优值，最优值可按以下公式进行估算：

ro＝kr＝kρl/s＝kρnh/s

其中，k是系数，r是磁环串的等效电阻，ρ是磁环电阻率(单位ω·m)，l是磁环串有效长度，s是磁环串截面积，n是一个磁环串所包含的磁环数量，h是单个磁环的厚度。推荐的系数k的最佳取值范围为：5～30。

通过将电阻筒203与磁环串组202并联，一方面可以实现分流作用，促进行波电流取道电阻筒203，提高电阻筒203出的电流密度，降低磁环串组202的饱和程度，增大磁环串组202对vfto的抑制效果；另一方面电流通过电阻筒203，电阻筒203能够吸收暂态能量，降低vfto的幅值，加大vfto的衰减，这两方面相互促进进一步提高vfto的抑制效果。

在技术人员装配本发明中的vfto抑制装置时，vfto抑制装置的导电杆201、分接盘204及分支导体205可以为单独分离的零件，然后将其装配成一起。电阻筒203及磁环串组202再另外装配到分支导体205上。其中，先在分支导体205上设置绝缘层，然后在绝缘层外设置磁环串组202，磁环串组202中的磁环单体的数量根据工况、暂态仿真及工程经验进行调整，磁环串组202中的磁环单体的内径尺寸与分支导体205的外径尺寸相同，磁环单体的外径尺寸与电阻筒203的内径尺寸相同，磁环串组202与电阻筒203粘接在一起。

将磁环串组202与电阻筒203固定好之后，使用过渡环207来将磁环串组202夹紧以实现在分支导体205上的定位，使用内螺栓209将过渡环207固定在分支导体205上，内螺栓209完全旋入过渡环207上的螺孔中。将电阻筒203套设在过渡环207及磁环串组202的外周上，使用外螺栓206将过渡环207与电阻筒203固定。此时，电阻筒203通过过渡环207与分支导体205连通，形成了与磁环串组202的并联结构。

其中，过渡环207由具有良好导电能力的铝合金材料制成，如6063铝合金，而内螺栓209及外螺栓206由具有导电能力的硬质铝合金或硬质铜合金制成，如7a04铝合金，起到辅助导电的作用。

如图5所示为本发明中vfto抑制装置的实施例2，与实施例1中的vfto抑制装置的不同之处在于使用整体的螺栓301将电阻筒203、过渡环207及分支导体205直接穿装固定在一起。

对于实施例1中的vfto抑制装置，在其他实施例中，由于某些结构的限制，各分支导体之间能够以一种辐射状的连接方式连接在两导电杆之间，而不再采用平行布置的方式；各分支导体可以直接连接在导电杆的对应端面上，而不再设置分接盘与分支导体连接；各分支导体的横截面积之和可以小于或等于导电杆的横截面积。

本发明中第二种方案中vfto抑制装置的实施例与上述第一种方案的vfto抑制装置的不同之处在于vfto抑制装置中的导电杆上不再设置有分支导体，而是直接将电阻筒设置在导电杆上。导电杆上设置有磁环串组及过渡环，电阻筒通过螺丝固定在过渡环上实现与磁环串组的并联。

在其他实施例中，还可以将电阻筒压接在过渡环上，过渡环依靠电阻筒压接的力量抵靠在导电杆或分支导体上，从而实现将电阻筒与分支导体或导电杆导通，实现压接的方式有使用抱箍等将电阻筒箍紧的结构，通过箍紧电阻筒使电阻筒开口缩紧将电阻筒压在靠近电阻筒开口的过渡环上；或是直接使电阻筒自身形变，电阻筒开口缩紧将电阻筒压在靠近电阻筒开口的过渡环上。

在其他实施例中，用于固定电阻筒与过渡环、固定导电杆与过渡环的螺栓可以由绝缘材料制成。

在其他实施例中，过渡环与电阻筒的配合形式还可以替换为其他形式，例如将电阻筒夹设在过渡环之间，则电阻筒的环形端面与过渡环靠近电阻筒一侧的环形端面接触，实现过渡环与电阻筒的导通。

本发明中的gis设备，包括母线和连接在母线之间的vfto抑制装置，vfto抑制装置，可采用上述实施例中的vfto抑制装置，因此关于gis设备的具体实施方式，在此处不再赘述。

以上所述的具体实施方式，对本发明的发明目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。