一种用于接地装置冲击特性测试的100kA雷电流发生器

摘要

本发明公开一种用于接地装置冲击特性测试的100kA雷电流发生器，其特征在于，包括发电机、直流充电装置和冲击发生器主体；发电机的输出端连接直流充电装置的输入端，直流充电装置的输出端连接冲击发生器主体的输入端。本发明为一种能够在负载大于5Ω的情况下输出最高电压为1200kV、雷电流峰值为100kA、波形为8/20μs或2/10μs的雷电流发生器。本发明能够应用于接地装置冲击阻抗的测试、土壤火花放电现象的研究、接地材料耐大电流冲击试验和电磁兼容试验等方面，可提高上述技术应用的精度和准确度。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统接地技术领域，特别涉及一种用于接地装置冲击特性测试的100kA 雷电流发生器。

背景技术

电力系统有工作、防雷、安全等多种形式的接地需要，它们是保证电力系统安全、稳定运 行不可缺少的重要部分。随着西电东送和南北互供的全国联网战略的实现，我国电力工业将在 未来15～20年内保持快速增长，需要建设大量的330kV、500kV、750kV和1000kV超(特) 高压变电站和杆塔，同时为了确保电网运行过程中，工作人员和电气设备的安全，需要专门为 这些变电站和杆塔建设大量的接地设施。土壤特性参数及火花放电模型的研究，正是为了更好 地设计、建设、维护电力系统的接地设施，而展开的非常紧迫，且具有十分重要意义的工作。

摸清土壤电阻率、阻抗和介电常数存在的频变特性，是为了更好地设计接地装置。电力系 统的运行经验表明，大多数输电线路事故都是由于雷击输电线路或杆塔引起跳闸所致。例如， 根据电网故障分类统计表明，在我国跳闸率比较高的地区，高压线路运行的总跳闸次数中，由 雷击引起的次数约占40～70％，这将给社会带来巨大的经济损失。国内外的运行经验和理论分 析表明，有效降低杆塔接地电阻是改善输电线路直击雷保护效果的最为有效的措施。在线路杆 塔的防雷性能设计中，其接地装置的暂态接地阻抗取值，直接影响到线路的防雷效果。在国内 外的输电线路防雷分析计算中，输电线路杆塔接地装置暂态接地阻抗通常只采用特定值的集中 参数电阻来模拟，例如，目前得到广泛应用的CDEGS等接地分析软件仍无法考虑在雷击过程 中土壤电离所引起的非线性特性。而事实上，在冲击电流作用下，接地装置的暂态接地阻抗是 随时间动态变化的，并呈现复杂的非线性特性。

输电线路走廊不可避免地会经过高土壤电阻率山区。由于在传统的降阻思路中将接地装置 等效为集中参数电阻来处理，因而只能从静态的角度提出改善接地装置散流性能的措施。而这 些传统措施在土壤电阻率很高时，其降阻效率有限，对线路防雷性能的改善不明显。如果能准 确地计算接地装置冲击动态过程，就可以针对造成雷击闪络最严重的冲击电流波头时段，从改 善冲击电流波头时段地中电场分布的角度来提高接地装置的冲击散流效率，降低冲击电流波头 时段的暂态接地阻抗。

因而，目前采用特定值的集中参数电阻来模拟接地装置进行输电线路防雷分析的方法，是 造成防雷分析结果与实际运行统计数据相差较大的主要原因之一。准确地计算接地装置的动态 冲击特性参数是接地设计、输电线路防雷性能分析的基础。研究接地装置冲击特性，及土壤电 阻率、阻抗和介电常数存在的频变特性对于优化输电线路接地装置的设计、保证安全运行、减 少线路维护成本具有十分重要的意义。

为开展接地装置冲击特性的试验研究，需构建产生类似雷电冲击电流的试验回路，以模拟 真实雷电流在接地装置上的散流过程及其呈现的地电位升。学者P.L.Bellaschi、A.C.Liew、A.Geri、 S.Skioka等人构建了不同型式的接地冲击试验回路，其中S.Skioka的试验回路中，作用在接地 装置上的冲击电流峰值是目前最高的，达到了40kA；学者K.J.Nixon采用了类似于田径场跑道 形状的金属环形回流电极，并以回流电极上对称的两点作为试验回路的回流点，可较好地模拟 冲击电流在接地装置及其周围土壤中的散流过程；学者N.Harid等人采用了直径60m的金属圆 环形回流电极，并在回流电极上均匀布置了8根垂直接地体，但其试验回路中仅包含一台冲击 电流发生器和一个回流点，从而致使接地装置周围的电流分布与真实雷电流分布情况不符。国 内的冲击接地真型试验一般是在现场组装冲击电流发生器，并将回流电极布置在接地装置一侧 较远的位置；而模拟试验大多在半球形模拟槽中进行，并将半球形模拟槽的金属球面电极作为 回流电极。分析目前冲击接地试验的现状，主要存在以下不足：(1)真型试验中作用在接地装 置上的冲击电流峰值小于实际监测的雷电流峰值，从而造成对火花效应的模拟缺乏真实性；(2) 冲击电流在接地装置及其周围土壤中的分布与真实雷电流的辐射形流散分布方式还存在差异。 上述两个方面的欠缺可导致接地装置暂态地电位升、流散电流及其分布与实际情况相比出现一 定的偏差。

接地装置冲击特性的研究方法主要包括仿真计算、模拟试验和真型试验。仿真计算具有效 率高、通用性好、成本低的优点，但其暂态模型是建立在一定假设条件下的，因此其准确性、 有效性还需大量试验数据来验证。试验研究能较全面地反应接地装置在冲击电流作用下的响应 及其客观规律，可为接地工程设计与改造提供与真实情况相符的基础数据，但目前试验所需的 冲击电流发生器及其试验回路的研制水平在一定程度上制约了接地装置冲击特性的深化研究， 亟待研制出更高技术参数的冲击大电流试验系统来满足该邻域的研究需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于接地装置冲击特性测试的100kA雷电流发生器，以解决 上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于接地装置冲击特性测试的100kA雷电流发生器，包括发电机、直流充电装置和 冲击发生器主体；

发电机的输出端连接直流充电装置的输入端，直流充电装置的输出端连接冲击发生器主 体的输入端；

冲击发生器主体具体包括3个充电电阻R、7个波尾电阻Rt、波前电阻Rf、隔离球隙g0、 点火球隙g1、中间球隙g2～g4、主电容C1～C4、接地装置试品C0和3个对地电容Cs；

点火球隙g1的一端和主电容C1的一端连接连接点1；中间球隙g2的一端和主电容C2 的一端连接连接点3；中间球隙g3的一端和主电容C3的一端连接连接点5；中间球隙g4的 一端和主电容C4的一端连接连接点7；连接点1、3、5、7之间各串联一个充电电阻R；连接 点3、5、7各连接有一个对地电容Cs；点火球隙g1的另一端接地；主电容C1的另一端连接 连接点2；连接点2通过一个波尾电阻Rt接地；主电容C2的另一端通过一个连接连接点4； 主电容C3的另一端连接连接点6；主电容C4的另一端连接连接点8；中间球隙g2的另一端 通过一个波尾电阻Rt连接连接点2，通过另一个波尾电阻Rt连接连接点4；中间球隙g3的另 一端通过一个波尾电阻Rt连接连接点4，通过另一个波尾电阻Rt连接连接点6；中间球隙g4 的另一端通过一个波尾电阻Rt连接连接点6，通过另一个波尾电阻Rt连接连接点8；隔离球 隙g0一端连接接地装置试品C0一端，另一端通过波前电阻Rf连接连接点8；接地装置试品 C0另一端接地。

进一步的，试验变压器T、保护电阻r和高压硅堆D组成直流充电装置；试验变压器T 的副边一端经保护电阻r连接高压硅堆D的负极，另一端接地；高压硅堆D的正极连接连接 点1。

进一步的，所述发电机为功率30KW、输出电压为380V的柴油发电机；发电机的输出端 与直流充电装置之间设置有隔离变压器。

进一步的，直流充电装置用于将发电机输出的380V交流电转换为95kV直流电；试验变 压器T的额定容量为60kVA；高压硅堆D采用500kV/1000mA的高压整流硅堆，反向耐压 ≥500kV，平均电流≥1A。

进一步的，主电容C1～C4的电容为6±0.05μF，额定电压100kV，主电容C1～C4的固有 电感≤0.25μH。

进一步的，波头电阻和波尾电阻均采用板形结构，无感绕制。

进一步的，所述一种用于接地装置冲击特性测试的100kA雷电流发生器还包括用于采集 接地装置试品回路上的电压和电流的脉冲分压器和罗氏线圈。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明一种用于接地装置冲击特性测试的100kA雷电流发生器为能够在负载大于5Ω的 情况下输出最高电压为1200kV、雷电流峰值为100kA、波形为8/20μs或2/10μs的雷电流发 生器。本发明为一种输出稳定、操作简单与测试安全为一体的用于接地装置冲击特性测试的 100kA雷电流发生器，它能够应用于接地装置冲击阻抗的测试、土壤火花放电现象的研究、接 地材料耐大电流冲击试验和电磁兼容试验等方面，可提高上述技术应用的精度和准确度，为用 于接地装置特性测试的大电流冲击发生器提供一种实用、高效的设计方法。

附图说明

图1为冲击发生器主体基本原理图；

图2为冲击发生器主体接线原理图；

其中，C1——主电容为；Rf——波前电阻；Rt——波尾电阻；Rx——接地装置试品；G—— 球隙开关；L——回路电感；R.Col——罗氏线圈；T——试验变压器；D——高压硅堆；r—— 保护电阻；R——充电电阻；C1～C4——主电容器；C——对地杂散电容；g1——点火球隙； g2～g4——中间球隙；g0——隔离球隙；Rt——波尾电阻；Rf——波前电阻；C0——接地装 置试品；Cs——对地电容。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明一种用于接地装置冲击特性测试的100kA雷电流发生器， 包括：发电机、直流充电装置、冲击发生器主体、脉冲分压器、罗氏线圈、光电控制系统。

由于本发明中的雷电流发生器应用于对接地装置的冲击试验，因此发生器的高压脉冲产 生装置，包括发电机、直流充电装置、冲击发生器本体，均通过高度为1.5米的绝缘支柱支撑 (按600kV考虑，地电位抬高串入电网破坏其他用电设备1.5米)，从而与地隔离，绝缘支柱 下部固定于底部带轮子(便于移动)的下方形钢结构架子上，绝缘支柱上部由上方形钢结构架 子固定，上方形钢结构架子上部固定高压脉冲产生装置。发电机使用一套支柱结构，直流充电 装置、冲击发生器本体共用一套支柱结构。

1、发电机

本发明使用功率为30KW、输出为380V的柴油发电机，发电机输出连接380V—380V、 功率为30kW的隔离变压器，用于给雷电流发生器提供电源。

2、直流充电装置

直流充电装置输入连接发电机的隔离变压器输出，直流充电装置输出连接冲击发生器主 体的输入，用于将380V交流电源转换为95kV的直流充电方式。其具体设计方法如下：

1)采用可控硅调压的恒流充电方式；

2)采用铁外壳充电变压器，初级电压380V，次级电压95kV，额定容量60kVA，改换极 性的传动部分直接装配铁外壳置于充电变压器内，充电变压器安装在上方形钢结构架子上；

3)采用2DL-500kV/1000mA的高压整流硅堆，反向耐压≥500kV，平均电流≥1A，可通过控 制台的极性转换按键，由传动机构自动倒换充电电压极性；

4)充电保护电阻采用漆包镍铬丝绕在绝缘管上，充电电阻多次充电后，温度≤90℃，电阻 值没有较大变化；

5)自动控制时，恒流充电装置在20％～100％额定充电电压范围内，实际充电电压与整定 电压偏差不大于±1％，充电电压的不稳定性不大于±1％，充电电压的可调精度为1％；

6)直流电阻分压器两只，采用200MΩ/100kV(耐压)油浸式金属膜电阻，低压臂电阻装在分 压器底法兰内，低压臂上的电压信号用屏蔽电缆引入控制台内；

7)自动接地开关采用电磁铁分合接地机构，试验停止时可自动将主电容器经保护电阻接地。

3、冲击发生器主体

请参阅图1所示，冲击发生器主体输入连接直流充电装置输出，冲击发生器输出通过铜 皮直接连接接地装置。冲击发生器主体包括主电容C1、波前电阻Rf、波尾电阻Rt、接地装置 试品Rx、球隙开关G、回路电感L和罗氏线圈R.Col。主电容C1一端连接球隙开关G一端， 球隙开关G另一端连接波前电阻Rf一端和波尾电阻Rt一端，波前电阻Rf另一端通过回路电 感L连接接地装置试品Rx一端；主电容C1另一端、波尾电阻Rt另一端和接地装置试品Rx 另一端接地。

其中，主电容C1为0.5μF；波前电阻Rf为12Ω；波尾电阻Rt为180Ω；接地装置试品Rx 为5Ω；罗氏线圈R.Col的输出连接至示波器，用于采集主回路电流，并通过示波器对电流显 示。冲击发生器主体的工作原理为在球隙开关G断开的情况下，通过直流充电装置对C1充电； 开始做试验后，通过电触发使球隙开关G闭合，C1通过Rf、Rt、L和Rx组成的回路进行放 电，在Rx上产生波形为8/20μs或2/10μs的雷电流。

请参阅图2所示，为冲击发生器主体接线原理图，使用MAX回路实现。冲击发生器主体 具体包括3个充电电阻R、7个波尾电阻Rt、波前电阻Rf、隔离球隙g0、点火球隙g1、中间 球隙g2～g4、主电容C1～C4、接地装置试品C0和3个对地电容Cs。

试验变压器T、保护电阻r和高压硅堆D组成直流充电装置；试验变压器T的副边一端 经保护电阻r连接高压硅堆D的负极，另一端接地；高压硅堆D的正极、点火球隙g1的一端 和主电容C1的一端连接连接点1；中间球隙g2的一端和主电容C2的一端连接连接点3；中 间球隙g3的一端和主电容C3的一端连接连接点5；中间球隙g4的一端和主电容C4的一端连 接连接点7；连接点1、3、5、7之间各串联一个充电电阻R；连接点3、5、7各连接有一个 对地电容Cs。

试验变压器T的副边另一端、点火球隙g1的另一端接地；主电容C1的另一端连接连接 点2；连接点2通过一个波尾电阻Rt接地；主电容C2的另一端通过一个连接连接点4；主电 容C3的另一端连接连接点6；主电容C4的另一端连接连接点8；中间球隙g2的另一端通过 一个波尾电阻Rt连接连接点2，通过另一个波尾电阻Rt连接连接点4；中间球隙g3的另一端 通过一个波尾电阻Rt连接连接点4，通过另一个波尾电阻Rt连接连接点6；中间球隙g4的另 一端通过一个波尾电阻Rt连接连接点6，通过另一个波尾电阻Rt连接连接点8；隔离球隙g0 一端连接接地装置试品C0一端，另一端通过波前电阻Rf连接连接点8；接地装置试品C0另 一端接地。

试验变压器T和高压硅堆D构成整流电源，经过保护电阻r及充电电阻R向主电容C1～C4 充电，充电到U，出现在球隙g1～g4上的电位差也为U，假若事先把球隙距离调到稍大于U， 球隙就不会放电。当需要冲击动作时，可向点火球隙g1的针极送去一脉冲电压，针极和球皮 之间产生一小火花，引起点火球隙g1放电，于是主电容C1的上极板g1接地，连接点1电位 由地电位变为+U。主电容C1与C2间有充电电阻R隔开，R比较大，在g1放电瞬间g2上的 电位差突然上升到2U，g2马上放电，于是连接点2电位变为+2U。同理，g3，g4也跟着放电， 电容器C1～C4串联起来了。最后隔离球隙g0也放电，此时输出电压为C1～C4上电压的总和， 即+4U。上述一系列过程可被概括为“电容器并联充电，而后串联放电”；由并联变成串联是靠 一组球隙来达到。要求这组球隙在g1不放电时都不放电，一旦g1放电，则顺序逐个放电。R 在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。

本发明冲击发生器主体设计如下：

1)主体结构形式采用当今国际主导结构H型四柱结构，由四只法兰构成的钢体支架平行 外挂两只电容器，构成一个稳定的结构组成一级，主体设备为四级，组成组合塔式结构，各级 逐级叠装，回路电感小，串联使用和并联使用方便，可两层拆装试验和检测安全方便，整体结 构稳定；

2)本体采用双边对称式恒流充电方式，根据需求进行快慢充可调，点火放电瞬间充电电 源自动关断，整流硅堆置于充电变压器前面，构成充、整流一体装置，每级额定电压±200kV；

3)本体每级包括2台MWF100kV-6μF铁外壳油浸式脉冲电容器、充电电阻、波头电阻、 波尾电阻和点火球隙；

4)单台主电容为6±0.05μF，额定电压100kV，复合膜油浸绝缘，电容器固有电感≤0.25μH， 电容器出线套管能够承受垂直拉力15kg；

5)波头电阻、波尾电阻均采用板形结构，无感绕制，其剩余电感≤2.5μH，接头均为弹簧压 接式；

6)波头电阻支架可以由八支电阻并联，波头、波尾电阻长度相等可通用，且每一级都设 有存放多余的调波电阻及短路杆的位置，用短路杆插接可方便使发生器串联运行；

7)第一级球隙采用双边异极性触发，第二级至第四级球隙均采用三间隙球隙点火，所有 球隙均安装在上下通风的绝缘筒内，绝缘筒在每级球隙处设有透明观察窗，通过观察窗可以观 察球隙的同步和调整球隙；在下部设有空气过滤器和送风装置，工作时可以不断向绝缘筒内送 入干燥洁净的空气，使同步放电球不受环境的影响，放电分散性小且稳定，构成封闭的点火放 电系统，同时每级回路内装有交联放电间隙；最下级设有耦合电容，提高同步放电范围；

8)各级球隙距离由电动机驱动作直线调整，球与球之间的同心度一致，控制台指示对应 球距的充电电压，传动机构带有上下限位开关；

9)球隙距离可手动和自动调节；

10)本体可每二级或多级并联使用，并联连接杆采用统一接插件，方便换接。设备上能搁 置多余的调波电阻而不影响电气性能；

12)本体装有绝缘扶梯，其载重量按120kg设计，以方便工作人员更换调波元件和维修使 用，每级存放调波电阻和连接杆的托架；

13)本体各级采用环氧玻璃丝缠绕绝缘筒，最下级绝缘水平达300kV冲击电压；

14)在整套充电过程中，由于充电电压最高为±200kV，各级间又采取了防晕措施，因此 不会明显出现电晕；

15)试验结束后，可以用接地杆将各级电容器快速短路放电并接地；

16)级间绝缘能够承受200kV冲击电压而不发生放电；

17)发生器顶部装有均压罩。

4、脉冲分压器：用于采集接地装置试品回路上的电压；

1)主要参数

标称电压：±600kV

高压臂电容量：400pF

部分响应时间：Ta≤100ns

过冲：β≤20％

测量不确定度：kε≤1％

2)结构型式

阻尼电阻采用多段分布式，电容器为无感结构，低压臂由无感独石电容并联组成，顶部装 有均压罩，分压器成套装置为手推可移动式。

5、罗氏线圈：用户采集接地装置试品回路上的电流；

罗夫斯基线圈容量100KA，内阻0.005Ω。

6、光电控制系统

控制系统由光纤、电缆、计算机组成，通过光纤与雷电流发生器的放电控制器(包括球隙 触发、间距控制器，充电变压器的电流、电压传感器，接地棒动作电机)、图1中示波器，以 及脉冲分压器连接，并通过电缆与罗氏线圈连接，控制波形参数、触发放电，以及数据的采集 和显示。