本發(fā)明涉及母線型式試驗技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)雷電沖擊試驗回路及方法。

背景技術(shù)：

目前，在中壓配電系統(tǒng)中，還有裸母線仍在使用，在高壓和超高壓電網(wǎng)，也采用裸母線連接電站電器元件，由于使用了裸母線，小動物，潮濕污穢的絕緣環(huán)境以及海拔高度都會影響母線電氣絕緣的可靠性，且HGIS復(fù)合電器與架空裸母線配合時相間距很大。為了解決上述問題，目前高壓、超高壓GIS、HGIS和變壓器大量使用充SF₆氣體的出線套管及油紙絕緣套管，但該方案價位高，運(yùn)行維護(hù)較麻煩。為了解決這些問題，國內(nèi)有用硅橡膠擠壓包封或用聚四氟乙烯帶纏繞的絕緣母線，但這兩種母線都因為自身的一些問題，只能在中壓電網(wǎng)中使用，而無法向高壓發(fā)展。近些年又新研發(fā)出一種電容式復(fù)合絕緣母線，因為采用了電容屏包扎，母線絕緣層電場分布均勻，因而局部放電起始電壓高，每段母線連接處電場分布比較均勻，在中低壓領(lǐng)域已經(jīng)被很多地方所采用，并且具備了向高壓和超高壓發(fā)展的條件，目前已經(jīng)制造了試驗樣機(jī)進(jìn)行型式試驗。

由于該母線為新研發(fā)產(chǎn)品，目前沒有專門針對此產(chǎn)品的專門標(biāo)準(zhǔn)，對于72.5kV及以上的這種母線在進(jìn)行絕緣型式試驗時，只能依照產(chǎn)品的功能，選擇相同功能的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)作為參照，在目前情況下，選擇了GB/T 22838-2008《額定電壓72.5kV及以上剛性氣體輸電線路》來作為進(jìn)行型式試驗的依據(jù)。雖然選擇的標(biāo)準(zhǔn)與被試母線都屬于同一類產(chǎn)品，但是所選標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍主要針對的是剛性氣體絕緣輸電線路，其絕緣至少部分是由不同于大氣壓力下的空氣的非腐蝕性絕緣氣體實現(xiàn)的。而被試母線除了為了方便與GIS等對接充氣試驗工裝，其絕緣是由一層層電容屏包扎實現(xiàn)的。因此相對于充氣母線，這種電容式復(fù)合絕緣母線相同長度下的電容量要高于充氣母線。72.5kV試品的水平長度不到1m，加上一端不到1m的套管和另一端不到1m的母線經(jīng)拐彎后的垂直部分，電容量超過了3000pF；而252kV電壓等級的試品更是超過了4500pF，遠(yuǎn)超過相同電壓等級的充氣母線試品及其工裝。試品電容量的增大使得要滿足所選用標(biāo)準(zhǔn)中絕緣試驗中的雷電沖擊電壓試驗的雷電波形參數(shù)的要求變得十分困難。GB/T 22383-2008中因為使用對象是充氣母線，試驗時被試母線電容量不大，因此對于雷電沖擊的要求引用了GB/T 11022，實際就是按照GB/T 16927.1-2011的要求，而對于電容量如此大的母線，現(xiàn)有的雷電沖擊試驗方法無法滿足上述標(biāo)準(zhǔn)對于雷電波形參數(shù)的要求，會造成在滿足波前時間要求的前提下過沖超標(biāo)，或者滿足相對過沖幅值的前提下波前時間超標(biāo)，進(jìn)而使得雷電沖擊試驗不滿足采用標(biāo)準(zhǔn)的要求。

現(xiàn)有的雷電沖擊試驗方案為：用沖擊發(fā)生器高壓端與被試母線高壓端直接連接，同時被試母線高壓端接測量系統(tǒng)的高壓端。依靠調(diào)整波頭電阻來滿足雷電沖擊試驗中對于波前時間和過沖的要求。

采用現(xiàn)有沖擊回路進(jìn)行試驗時，因為沖擊發(fā)生器本體和線路電感以及本體雜散電容的存在，在進(jìn)行母線雷電沖擊電壓試驗時，會使這些回路中的電感和電容以及被試母線電容一起發(fā)生諧振，電感值和電容量越大，諧振幅值越高。而本體電感是一個固定值且被試的電容式復(fù)合絕緣母線電容量遠(yuǎn)大于一般母線，所以僅依靠調(diào)整波頭電阻值無法同時滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對波前時間和過沖的要求。所以對于此特殊產(chǎn)品，現(xiàn)有的雷電沖擊試驗方案不再合適。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種用于電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)雷電沖擊試驗回路及方法。采用本回路可進(jìn)行電容量5000pF及以下的電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)的雷電沖擊電壓試驗，完善了這種新產(chǎn)品的試驗條件。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種用于電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)雷電沖擊試驗回路，包括沖擊電壓源、沖擊電壓測量裝置、低通濾波裝置和被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)；沖擊電壓源一端連接低通濾波裝置，低通濾波裝置另一端連接沖擊電壓測量裝置的高壓端和被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)的高壓端，沖擊電壓源的另一端與沖擊電壓測量裝置的低壓端、被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)的低壓端連接并接地；低通濾波裝置由濾波裝置電容C_p和濾波裝置電阻R_p并聯(lián)組成。

所述的沖擊電壓源包括沖擊電壓發(fā)生器IG的主電容C、波前電阻R_f、波尾電阻R_t和沖擊點火球隙S，主電容C一端接地，另一端串聯(lián)沖擊點火球隙S，沖擊點火球隙S的另一端連接波前電阻R_f、波尾電阻R_t的高壓端；波尾電阻R_t的另一端接地，波前電阻R_f的另一端連接低通濾波裝置。

所述的沖擊電壓測量裝置包括弱阻尼電容分壓器和數(shù)字沖擊電壓測量系統(tǒng)DIVMS，弱阻尼電容分壓器由阻尼電容R、高壓臂電容C₁、低壓臂電容C₂依次串聯(lián)形成，阻尼電容R連接被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)的高壓端與低通濾波裝置的一端；低壓臂電容C₂另一端接地，數(shù)字沖擊電壓測量系統(tǒng)DIVMS一端連接在高壓臂電容C₁和低壓臂電容C₂之間，另一端接地。

所述的濾波裝置電容C_p和波頭電阻R_f之間的關(guān)系為：

其中，C_x為被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)中試品TO的等效電容，L為發(fā)生器和回路中的總電感，R_f-波頭電阻，R-阻尼電容，C₁-高壓臂電容，C_p-濾波裝置電容。

一種基于用于電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)雷電沖擊試驗回路的參數(shù)確定方法，包括以下步驟：

采用根據(jù)實際情況建立起來的物理模型進(jìn)行分析，通過數(shù)學(xué)計算，得到了沖擊電壓源的主電容C充電電壓U，試品TO兩端的電壓U₁在雷電沖擊電壓從零上升到峰值期間與時間t的近似關(guān)系，得出了峰值的表達(dá)式，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中相對過沖幅值β’≤10％的要求，最終得到了波頭電阻R_f與濾波電容C_p之間的關(guān)系式；根據(jù)被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)中試品TO的等效電容C_x先確定一個大于C_x的濾波電容C_p值，然后再根據(jù)得到的關(guān)系式確定波頭電阻R_f，波尾電阻R_t取值與進(jìn)行一般試品(如充氣母線)試驗時所取的阻值基本相同，濾波電阻R_p一般取100多歐姆，進(jìn)而確定雷電沖擊試驗回路的各個參數(shù)；按照本發(fā)明的雷電沖擊試驗回路連接電路，調(diào)整沖擊電壓測量裝置中數(shù)字沖擊電壓測量系統(tǒng)DIVMS的設(shè)置，完成調(diào)波過程。

濾波裝置電容C_p和波頭電阻R_f之間的關(guān)系式通過以下步驟得到：

1)根據(jù)電路關(guān)系，列出經(jīng)拉氏變換后試品TO兩端電壓U₁(S)與起始電壓的關(guān)系：

式中，Z₁為試品TO和分壓器并聯(lián)的阻抗，為Z₂為低通濾波裝置的阻抗，為

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中試驗電壓函數(shù)的規(guī)定，簡化計算，使RC₁s+1≈1，R_pC_ps+1≈1，可求出：

令對(3)進(jìn)行反變換，可得：

當(dāng)時，u₁達(dá)到峰值，所以：

k為整數(shù)，

將帶入(4)，可得u₁(t)的最大值U_1m：

由(4)可以得到，沒有振蕩時的最大值：

所以相對過沖幅值為：

當(dāng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時，β’≤10％，將(7)代入，得

所以：

因此，濾波裝置電容C_p和波頭電阻R_f之間的關(guān)系式為：

其中，C_x為被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)中試品TO的等效電容，L為發(fā)生器和回路中的總電感，R_f-波頭電阻，R-阻尼電容，C₁-高壓臂電容，C_p-濾波裝置電容。

所述的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 16927.1-2011和GB/T 22838-2008。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提出了一種用于電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)雷電沖擊試驗回路，采用在沖擊電壓源與被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)以及沖擊測量系統(tǒng)部分之間加入了低通濾波裝置，此裝置由電容濾波電阻和低通濾波電容部分并聯(lián)而成，其組成了一個低通濾波器，能夠吸收產(chǎn)生自沖擊電壓源的高頻振蕩，將其阻斷到被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)之前，使被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)上的波形的高頻振蕩降低，從而能夠減小過沖。本發(fā)明中的試驗回路布局簡單，容易實現(xiàn)，滿足了電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)雷電沖擊電壓試驗的試驗條件。采用本回路可進(jìn)行電容量5000pF及以下的電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)的雷電沖擊電壓試驗，完善了這種新產(chǎn)品的試驗條件。實驗表明，而采用了本發(fā)明的回路后，在過沖降到10％以下時，波前時間只有1.49μs，滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而也證明了本發(fā)明的作用。

本發(fā)明參數(shù)確定方法是通過對回路的建立模型進(jìn)行合理的數(shù)學(xué)分析，得到了波頭電阻R_f和低通濾波裝置電容C_p之間的關(guān)系，運(yùn)用此關(guān)系能夠較快確定回路所采用的波頭電阻值和濾波裝置電容值，并且因為濾波裝置電阻值R_p和波尾電阻值R_t取值較為固定，根據(jù)需要試驗?zāi)繕?biāo)電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)的電容量，運(yùn)用分析計算得出的公式，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)波頭電阻、波尾電阻、濾波電容和濾波電阻的參數(shù)，回路中的各種所需參數(shù)可以較快確定，使雷電波形能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗方法滿足標(biāo)稱電容5000pF及以下電容式復(fù)合絕緣母線雷電沖擊試驗的試驗要求，并且經(jīng)過實驗證明，完全滿足GB/T 16927.1-2011和GB/T 22838-2008標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于雷電沖擊實驗波型參數(shù)的要求。

【附圖說明】

圖1一種用于電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)雷電沖擊試驗的回路示意圖；

圖2計算波前的等效電路；

圖3計算波前時間的等效電路的拉普拉斯變換后的計算電路；

圖4實際試驗時的波形圖，(a)使用原先現(xiàn)有回路時波形圖，(b)采用本發(fā)明波形圖。

圖中，1-沖擊電源，2-沖擊電壓測量裝置，3-低通濾波裝置，4-被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)，C-沖擊發(fā)生器(IG)的主電容，S-沖擊點火球隙，R_f-波頭電阻，R_t-波尾電阻，R-阻尼電容，C₁-高壓臂電容，C₂-低壓臂電容，DIVMS-數(shù)字沖擊電壓測量系統(tǒng)，R_P-濾波裝置電阻，C_p-濾波裝置電容，TO-試品。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明主要設(shè)計一種適合于這種電容式復(fù)合絕緣母線雷電沖擊試驗，包括試驗回路和回路當(dāng)中參數(shù)的確定方法，使試驗滿足標(biāo)準(zhǔn)對于雷電波形的要求。

回路是在沖擊發(fā)生器回路與被試電容式復(fù)合絕緣母線之間串聯(lián)一個低通濾波裝置，該裝置由一個濾波裝置電容和濾波裝置電阻并聯(lián)組成。

根據(jù)被試電容式復(fù)合絕緣母線的電容量，和其它已知的回路參數(shù)，先選擇大于試品電容量的濾波裝置電容C_p值，再根據(jù)確定出的波頭電阻R_f和濾波裝置電容C_p的關(guān)系，其中算出合適的波頭電阻R_f，波尾電阻、濾波裝置電阻一般固定取值，然后按照本發(fā)明中的回路示意圖連接好電路。調(diào)整好數(shù)字沖擊電壓測量系統(tǒng)的設(shè)置便可以進(jìn)行試驗。只要上述參數(shù)在合理的范圍內(nèi)，對于電容量5000pF及以下的電容式復(fù)合絕緣母線調(diào)出的波形就能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

如圖1所示，本發(fā)明一種用于電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)雷電沖擊試驗的回路包括沖擊電壓源1、沖擊電壓測量裝置2、低通濾波裝置3、被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)4。

請參閱圖1所示，沖擊電壓源1由沖擊電壓發(fā)生器IG的主電容C、波前電阻R_f、波尾電阻R_t和沖擊點火球隙S組成，主電容C一端接地，另一端串聯(lián)沖擊點火球隙S，沖擊點火球隙S的另一端連接波前電阻R_f、波尾電阻R_t的高壓端。波尾電阻R_t的另一端接地，波前電阻R_f的另一端連接低通濾波裝置3。低通濾波裝置3由濾波裝置電容C_p和濾波裝置電阻R_p兩部分組成。濾波裝置電容C_p和濾波裝置電阻R_p并聯(lián)，一端連接波前電阻R_f，另一端連接沖擊電壓測量裝置2和被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)4的高壓端。沖擊電壓測量裝置2包括弱阻尼電容分壓器和數(shù)字沖擊電壓測量系統(tǒng)DIVMS，一端連接低通濾波裝置3和被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)4的高壓端，另一端接地。被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)4的高壓端與低通濾波裝置3的一端和沖擊電壓測量裝置2的高壓端連接，另一端接地。試驗時，雷電沖擊電壓的電壓值和波形通過弱阻尼電容分壓器將顯示于數(shù)字沖擊電壓測量系統(tǒng)DIVMS上。

為了能夠確定低通濾波裝置中各元件和波頭電阻之間的關(guān)系，建立了圖2的回路模型。因為雷電波的上升時間非常短，在相對短的時間內(nèi)，電容經(jīng)過波尾時間流失的電荷很少，故在確定波前時間時，等效電路內(nèi)的R_t可認(rèn)為阻值極大，所以采用如圖2所示的等效電路計算低通濾波裝置中電容和電阻以及波頭電阻的值。圖中L為發(fā)生器和回路中的總電感，近似可以看成發(fā)生器本體電感和回路導(dǎo)線電感的串聯(lián)，C_x為試品TO的等效電容。因為圖1中C₂遠(yuǎn)大于C₁，所以分壓器的等效電容用C₁表示。主電容C上帶有已知的電壓U，t＝0時刻開關(guān)閉合。將上面的電路進(jìn)行拉普拉斯變化，得到圖3的運(yùn)算電路。

根據(jù)電路關(guān)系，可列出試品TO兩端電壓U₁(S)與起始電壓的關(guān)系：

式中Z₁為試品TO和分壓器并聯(lián)的阻抗，為Z₂為低通濾波裝置的阻抗，為

根據(jù)GB/T 16927-2011和IEC 60060-1:2010中試驗電壓函數(shù)的規(guī)定，當(dāng)頻率大于10MHz后，函數(shù)值接近于零，取頻率小于等于10MHz，且回路中R和R₂數(shù)百歐姆，C₁幾百pF，即10^-10F數(shù)量級，C₂幾納法，即10^-9F數(shù)量級，所以為了簡化計算，使RC₁s+1≈1，R_pC_ps+1≈1，可求出

因為回路中試品TO電容較大，會出現(xiàn)振蕩，所以令對(3)進(jìn)行反變換，可得：

當(dāng)時，u₁達(dá)到峰值，所以

考慮到系數(shù)中有t的指數(shù)函數(shù)，所以最大值在n＝1時取到，所以將帶入(4)，可得u₁(t)的最大值U_1m：

由(4)可以看出，沒有振蕩時的最大值：

所以相對過沖幅值：

當(dāng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時，β’≤10％，將(7)代入，得

所以：

將α與ω的定義式帶入(8)，因為C、R、C₁已知，C_x可以測得，L可以通過測量發(fā)生器本體的電感，以及回路的導(dǎo)線長度得到。因此可以通過(8)得出R_f與C_x滿足的條件。

濾波裝置電容C_p和波頭電阻R_f之間的關(guān)系為：

其中；

根據(jù)此關(guān)系，在通過一次參數(shù)的試探較快確定另一個參數(shù)。而其余兩個參數(shù)值比較固定，因此可以較快速地完成回路調(diào)節(jié)。

使用本發(fā)明進(jìn)行電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)雷電沖擊試驗時，首先應(yīng)根據(jù)被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)4的電容量C_x選取一個大于C_x的C_p值，然后根據(jù)(8)的關(guān)系式確定試驗回路中沖擊電壓發(fā)生器波前電阻R_f；濾波裝置電阻R_p根據(jù)試驗經(jīng)驗一般為100多歐姆；波尾電阻R_t的值和一般的試品試驗時的阻值相差不大，若相對過沖幅值較大，影響到了半峰值時間，可以適當(dāng)加大，R_t的大小對于波前時間和相對過沖幅值幾乎沒有影響。然后按照本發(fā)明中的回路示意圖連接電路，調(diào)整好數(shù)字沖擊電壓測量系統(tǒng)DIVMS的設(shè)置便可以進(jìn)行試驗。

本發(fā)明技術(shù)方案的可行性：本發(fā)明提出了一種用于電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)雷電沖擊試驗的方法，采用的方案為在沖擊電壓源與被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)以及沖擊測量系統(tǒng)部分之間加入了低通濾波裝置，此裝置由電容濾波電阻和低通濾波電容部分并聯(lián)而成，其組成了一個低通濾波器，能夠吸收產(chǎn)生自沖擊電壓源的高頻振蕩，將其阻斷到被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)之前，使被試電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)上的波形的高頻振蕩降低，從而能夠減小過沖。通過對回路的建立模型進(jìn)行合理的數(shù)學(xué)分析，得到了波頭電阻R_f和低通濾波裝置電容C_p之間的關(guān)系，運(yùn)用此關(guān)系能夠較快確定回路所采用的波頭電阻值和濾波裝置電容值，并且因為濾波裝置電阻值R_p和波尾電阻值R_t取值較為固定，因此回路中的各種所需參數(shù)可以較快確定。因此這種方法是可行的。

本發(fā)明帶來的有益效果有：(1)根據(jù)需要試驗?zāi)繕?biāo)電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)的電容量，運(yùn)用分析計算得出的公式，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)波頭電阻、波尾電阻、濾波電容和濾波電阻的參數(shù)，使雷電波形能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。(2)本發(fā)明中的試驗回路布局簡單，容易實現(xiàn)，滿足了電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)雷電沖擊電壓試驗的試驗條件。(3)采用本方法可進(jìn)行電容量5000pF及以下的電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)的雷電沖擊電壓試驗，完善了這種新產(chǎn)品的試驗條件。

本發(fā)明實際使用結(jié)果：圖4是126kV電容式復(fù)合絕緣母線系統(tǒng)實際試驗時的波形，從圖中可以看出，當(dāng)采用現(xiàn)有回路時，在波形的過沖達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)臨界值時，它的波前時間已經(jīng)超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值1.56μs近三分之一，達(dá)到了2.02μs，不滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求；而采用了本發(fā)明后，在過沖降到10％以下時，波前時間只有1.49μs，滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而也證明了本發(fā)明的作用。

以上所公開的僅為本發(fā)明一種最具代表性的實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。