一种基于具有防污结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器
阅读说明：本技术 一种基于具有防污结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器 (Controllable lightning arrester based on trigger type overvoltage control switch with antifouling structure ) 是由 姚学玲 雷望龙 孙晋茹 陈景亮 乐杨晶 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：一种具有防污结构的表面触发过电压控制开关的可控避雷器,由表面触发型过电压控制开关与氧化锌避雷器组合而成的可控避雷器。氧化锌避雷器分为固定避雷器和可控避雷器两部分,表面触发气体过电压控制开关与避雷器的可控部分并联连接。当输配电网中出现的雷电过电压或操作过电压超过一定的阈值时,具有防污结构的表面触发型气体过电压控制开关自动动作,从而将避雷器中的避雷器可控部分短路,从而达到限制整个避雷器两端过电压幅值的目的。当发生雷电过电压和操作过电压时,具有防污结构的表面触发型过电压控制开关自动动作,将避雷器的可控部分短接,使得操作过电压或冲击残压显著降低到固定部分的冲击残压值。(A controllable lightning arrester with an antifouling structure and a surface-triggered overvoltage control switch is a controllable lightning arrester formed by combining a surface-triggered overvoltage control switch and a zinc oxide lightning arrester. The zinc oxide arrester is divided into a fixed arrester and a controllable arrester, and the surface trigger gas overvoltage control switch is connected with the controllable part of the arrester in parallel. When the lightning overvoltage or the operation overvoltage in the power transmission and distribution network exceeds a certain threshold value, the surface-triggered gas overvoltage control switch with the antifouling structure automatically acts, so that the controllable part of the arrester in the arrester is short-circuited, and the purpose of limiting the overvoltage amplitude at two ends of the whole arrester is achieved. When lightning overvoltage and operation overvoltage occur, the surface trigger type overvoltage control switch with the anti-fouling structure automatically acts to short-circuit the controllable part of the lightning arrester, so that the operation overvoltage or the impact residual voltage is obviously reduced to the impact residual voltage value of the fixed part.)
技术领域
本发明涉及一种电力、高速信息化铁路输电等领域的可控避雷器，特别涉及一种基于具有防污结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器。
背景技术
过电压防护是电力系统安全运行的重要保障。随着输配电电网电压等级的提高，过电压水平将直接影响到电力设备的选型、制造技术和工程费用，其中，操作过电压更是电力系统绝缘水平的决定性因素。同时，由于雷电过电压的保护水平也是避雷器的主要性能评价指标，对电力设备的绝缘水平同样起着决定性的作用。由于受到氧化锌避雷器技术性能的制约，在现有特高压线路中通常通过常规避雷器和断路器加装合闸电阻的联合作用了限制系统操作过电压的水平，但是，由于断路器加装合闸电阻存在结构负载、运行可靠性不高以及经济性差等缺陷。因此，诸多研究者提出了基于开关的可控避雷器的概念，并在电力领域获得了较为广泛的工程应用。
复合避雷器中的控制间隙最早采用不可控的间隙，可控部分依靠并联间隙的自击穿来实现，但由于自击穿间隙工作的分散性，存在不能限制雷电或超过过电压的知名缺陷；20世纪90年代，美国研究人员提出将晶闸管开关引入的可控避雷器中，通过多只晶闸管的串联组合实现高压耐受，晶闸管的可控关断解决了可控避雷器工作的快速响应、准确控制的技术难题，原理上可以实现避雷器伏安特性的精确控制。但是存在以下两个方面的严重缺陷：①由于晶闸管电压的限制，高压情况下需要许多个晶闸管的串联连接，同步触发的技术难题需要解决；②由于晶闸管受到其电压变化率dU/dt和电流变化率dI/dt的限制，因而需要附加的电压和电流限制措施对其保护，增加了过电压保护的复杂性，同时还会对避雷器的电压分布造成比较大的影响。随着电力、高速信息化铁路等的发展需求，对可控避雷器提出了更高的要求，主要包括要求：(1)控制间隙具有较高的直流/交流耐压，确保在正常情况下不影响避雷器的工作状态，但须具有较低的脉冲击穿电压，确保在雷电或操作过电压情况下，能尽快导通，从而将避雷器可控部分短路，改善整个避雷器的伏安特性。(2)控制间隙的触发控制电路需要自动耦合雷电感应操作过电压的能量，且雷电或操作过电压的能量不至于引起过电压控制开关的耦合触发电路的损坏和破坏。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种由不仅具有较高的交/直流耐受电压、较低的冲击击穿电压、快速的过电压响应速度，可以显著改善整个避雷器的伏安特性，限制雷电和操作过电压的水平的基于具有防污结构的触发型过电压控制开关的可控避雷器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
包括氧化锌避雷器和具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关，所述的氧化锌避雷器包括串联连接的固定避雷器和可控避雷器，可控避雷器与具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关并联；所述的固定避雷器的上电极与被保护电力设备的上端相连，所述的可控避雷器的下电极与被保护电力设备的下端相连；
所述的具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关是一个具有环状触发电极的触发型表面放电过电压保护间隙，包括上绝缘壳体、下绝缘壳体、上端法兰和下端法兰构成的气压为100～103Pa或者104～5×105Pa的密闭腔体或真空度为10-1～10-5Pa的密闭腔体，在腔体内设置有通过上、下导流杆安装在上、下端法兰上的上电极和下电极，上电极和下电极之间构成放电间隙，在上绝缘壳体和下绝缘壳体之间安装有环状触发电极，环状触发电极有一伸出的连接端子，用于连接雷电感应过电压或操作过电压通过主动耦合触发电路耦合过来的雷电能量，环状触发电极与下电极之间安装有起绝缘隔离作用的环状表面放电绝缘介质材料，环状触发电极覆盖在环状表面放电绝缘介质材料的上表面，环状触发电极、环状表面放电绝缘介质材料和下电极之间构成触发型过电压保护间隙的表面放电触发器即形成表面闪络放电界面，下电极的上表面低于环状表面放电绝缘介质材料的上表面，表面闪络放电界面与下电极的上表面垂直或成锐角，同时在上电极、下电极周围的上绝缘壳体内安装有屏蔽罩；
在可控避雷器与具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关之间连接有自动能量耦合触发电路，自动能量耦合触发电路是一个二端口网络电路，其输入端口的上、下两端分别与可控避雷器、具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关的上、下电极相连接，其输出二端口分别与具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关的环状触发电极和下电极相连接。
所述的环状触发电极的下表面与环状表面放电绝缘介质材料的上表面紧密接触，环状触发电极的内径小于或等于环状表面放电绝缘介质材料的内径。
所述的环状触发电极的内径小于环状表面放电绝缘介质材料的内径1.5mm。
所述的环状触发电极安装在上、下绝缘壳体的结合处，其厚度为3-5mm。
所述的环状表面放电绝缘介质材料采用环宽为5-15mm的聚四氟乙烯、半导体或陶瓷材料。
所述的表面闪络放电界面与主电极的上表面的锐角为300～700。
所述的屏蔽罩采用无氧铜制作。
所述的固定避雷器与可控避雷器均由多个氧化锌非线性电阻片串联而成，通过绝缘填充胶固定安装在绝缘套中，在串联的电阻片上、下端均设置有通过避雷器上、下法兰与串联的电阻片电连接的避雷器上、下电极，串联的电阻片外侧安装有外绝缘伞裙，且可控避雷器的电阻片的数量少于固定避雷器的电阻片数量。
所述的可控避雷器中氧化锌电阻片的数量为固定避雷器中氧化锌电阻片数量的15-30％。
所述的自动能量耦合触发电路包括由两个耦合电容组成的能量耦合单元，其中一个耦合电容并联有升压脉冲变压器，升压脉冲变压器与其并联的耦合电容间设置有隔离间隙。
本发明将具有防污结构的表面触发型过电压控制开关与氧化锌避雷器组成表面触发型可控避雷器。表面触发型过电压控制开关的上、下电极以及环状触发电极密闭在气体或真空环境下，环状触发电极和下电极之间的触发方式为绝缘介质材料触发，由于触发型过电压控制开关的表面放电触发器具有较强的初始触发载流子释放能力，使得触发型气体过电压控制开关在不影响交/直流耐受电压的同时，可以大幅度降低过电压控制开关的脉冲击穿电压且具有极快的过电压响应特性；同时，特别重要的是，由于基于气体环境的表面触发型过电压控制开关具有直流击穿电压高、脉冲击穿电压低的显著特征，可以确保正常工作条件下，可控避雷器正常承受的工频/直流电压不受影响，正常运行的交/直流电压由避雷器的固定部分和可控部分共同承担，整个避雷器工作的荷电率较低、泄漏电流很小，不会因正常运行的长期泄漏电流产生的发热而引起性能的劣化；在当雷电或操作过电压条件下，表面触发型过电压控制开关快速导通，避雷器可控部分短路连接，整个避雷器的伏安特性得到显著的改善，有效限制了雷电过电压和操作过电压。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明具有防污结构的表面触发型气体过电压控制开关的结构示意图。
图3是本发明具有防污结构的表面触发型气体过电压控制开关的另一种结构示意图。
图4为本发明氧化锌避雷器单元的结构示意图。
图5为本发明表面触发型气体过电压控制开关的自动能量耦合触发电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括氧化锌避雷器和具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关，所述的氧化锌避雷器包括串联连接的固定避雷器和可控避雷器，可控避雷器与具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关并联；所述的固定避雷器的上电极与被保护电力设备的上端相连，所述的可控避雷器的下电极与被保护电力设备的下端相连；在可控避雷器与具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关之间连接有自动能量耦合触发电路，自动能量耦合触发电路是一个二端口网络电路，其输入端口的上、下两端分别与可控避雷器、具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关的上、下电极相连接，其输出二端口分别与具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关的环状触发电极和下电极相连接。
参见图2，本发明的具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关是一个具有环状触发电极的触发型表面放电过电压保护间隙，包括上绝缘壳体1、下绝缘壳体2、上端法兰5和下端法兰6构成的气压为100～103或者104～5×105Pa的密闭腔体，或真空度为10-1～10-5Pa密闭腔体，在腔体内设置有通过上、下导流杆11、12安装在上、下端法兰5、6上的上电极3和下电极4，上电极3和下电极4之间构成主放电间隙，在上绝缘壳体1和下绝缘壳体2的结合处的下电极4周围安装有厚度为3-5mm的环状触发电极7，环状触发电极7有一伸出的连接端子，用于连接雷电过电压或操作过电压通过主动耦合触发电路耦合过来的雷电能量，环状触发电极7与下电极4之间安装有起绝缘隔离作用的环宽为5-15mm的聚四氟乙烯、半导体或陶瓷材料制成的环状表面放电绝缘介质材料8，环状触发电极7覆盖在环状表面放电绝缘介质材料8的上表面，环状触发电极7的下表面与环状表面放电绝缘介质材料8的上表面紧密接触，环状触发电极7的内径小于环状表面放电绝缘介质材料8的内径1.5mm，环状触发电极7、环状表面放电绝缘介质材料8和下电极4之间构成触发型过电压保护间隙的表面放电触发器即形成表面闪络放电界面10，下电极4的上表面低于环状表面放电绝缘介质材料8的上表面，表面闪络放电界面10与主电极4的上表面垂直，而与主电极之间的脉冲电弧路径平行，且环状触发电极覆盖在绝缘介质表面上，有效防止脉冲电弧产生的金属蒸汽沉积在绝缘介质表面，使得触发型过电压保护间隙具有高的电压保护水平，重要的是可以使触发型保护间隙的使用寿命大大提高。同时在上电极3、下电极4周围的上绝缘壳体1内安装有无氧铜制作的屏蔽罩9，可防止金属蒸汽扩散并沉积在绝缘密闭外壳1、2上，造成上电极3和下电极4短路。
图3是本发明具有防脉冲电弧污染结构的表面触发型过电压控制开关的又一种结构：本发明的环状表面放电绝缘介质材料8下部为圆柱型，上部圆柱的内侧呈梯形，环状表面放电绝缘介质材料8和下电极4、环状触发电极7的下表面的接触点之间形成表面闪络放电界面10，表面闪络放电界面10与主电极4的上表面的锐角为300～700。
图4为本发明氧化锌避雷器的结构示意图，本发明的固定避雷器与可控避雷器均由多个氧化锌非线性电阻片15串联而成，通过绝缘填充胶16固定安装在绝缘套中，在串联的电阻片15上、下端均设置有通过避雷器上、下法兰18、19与串联的电阻片15电连接的避雷器上、下电极13、17，串联的电阻片外侧安装有外绝缘伞裙14，可控避雷器中氧化锌电阻片的数量为固定避雷器中氧化锌电阻片数量的15-30％。
参见图5，本发明的表面触发型气体过电压控制开关Ⅰ的自动能量耦合触发电路，包括：由耦合电容C1、耦合电容C2组成的雷电过电压或操作过电压能量耦合单元，在雷电过电压或操作过电压作用下，耦合电容C2上的电压使得隔离间隙导通，在脉冲变压器T的原边中由于脉冲电流通过而在两端感应出脉冲电压，经脉冲变压器T(升压变压器)放大后给触发过电压控制开关提供足够的触发电压，加速了触发型过电压控制开关的导通速度，从而使得触发型过电压控制开关具有比被动型(无触发电极)两极放电间隙更优良的过电压保护性能，表面触发型气体过电压控制开关的脉冲击穿电压与直流击穿电压的比值可以调控到接近1或者小于1。
本发明不同于现有可控避雷器的最显著特点是：
1)采用基于气体环境的具有防脉冲电弧污染的触发型过电压控制开关，具有自动能量耦合触发机构，且触发型过电压控制开关采用环状绝缘介质材料表面放电的触发方式，因而具有在不降低现有间隙避雷器交流/直流耐受电压或者直流击穿电压的情况下，可以显著降低带触发型过电压控制开关避雷器的脉冲击穿电压、缩短响应时间的显著特点。
2)本申请专利的表面触发器的表面闪络放电界面或路径与下电极表面垂直(或成锐度)，而与主电极之间的脉冲电弧路径平行(或成锐角)，有效避免脉冲电弧产生的金属蒸汽在绝缘介质表面上的沉积，大大提高触发型控制开关的触发器和控制开关的使用寿命。
3)由于表面触发型气体过电压控制开关的控制作用，可以在不降低避雷器交流/直流耐受电压或者直流击穿电压的情况下，有效改善可控避雷器的伏安特性，限制雷电过电压和操作过电压的水平。同时气体环境的触发型过电压控制开关还具有不受外界环境(如湿度、海拔高度、风速)因素影响的特性。
总之，本发明的具有防污结构的表面触发气体过电压控制开关的可控避雷器具有高直流击穿电压、快速过电压响应时间的能力，可以用于电力输配电及类似应用场合的雷电过电压和操作过电压的防护。
其表面触发型气体过电压控制开关与避雷器的可控部分并联连接。表面触发型气体过电压控制开关的交流或直流击穿电压Ugap明显高于避雷器可控部分的参考电压Ucref，两者的比值Ugap/Ucref控制在1.5～2.0倍甚至2.0～3.0，具有防污结构的触发型气体过电压控制开关的冲击击穿电压与直流击穿电压之比(压比)控制在1.0-1.5甚至0.8-1.2的范围内。正常工作状态下，具有防污结构的触发型气体过电压控制开关不会对避雷器可控部分的工作状态造成影响，当对操作过电压和雷电过电压时，具有防污结构的触发型气体过电压控制开关迅速导通，短路避雷器的可控部分，有效改善了触发型可控避雷器的伏安特性，有效提升了避雷器的雷电和操作过电压的电压保护水平。