一种MV级脉冲气体开关触发电缆保护方法及保护装置

摘要

本发明涉及一种MV级脉冲气体开关触发电缆保护方法及保护装置，其核心是在触发电缆和触发隔离电阻之间并联接地保护开关，接地保护开关采用极不均匀场构型的电负性气体间隙；利用极不均匀场构型的电负性气体间隙脉冲击穿的极性效应，在MV级脉冲气体开关正常触发的情况下，使触发脉冲在有效引入后接地；或者在MV级脉冲气体开关发生自击穿的情况下，将MV级脉冲气体开关所承受的脉冲电压接地以实现对触发电缆的保护，解决了MV级脉冲气体开关击穿过程中脉冲高压耦合到触发电缆使其绝缘击穿的问题。

说明书

技术领域

本发明适用于脉冲功率技术领域，涉及一种MV级脉冲气体开关触发电缆保护方法及保护装置。

背景技术

大型脉冲功率装置中MV级脉冲气体开关是保证装置正常工作的核心部件。 MV级脉冲气体开关固定在装置的传输线内筒上，工作电压数MV，通流数百kA。当采用电脉冲触发时，触发系统与MV级脉冲气体开关之间通过触发电缆、触发隔离电阻和触发隔离电感实现连接。为了获得较好的开关触发性能，触发隔离电阻和触发隔离电感的值往往不宜选用过大。在MV级脉冲气体开关击穿过程中，触发电极处于数MV的瞬态高电压，通过触发隔离电阻和触发隔离电感分压后，在触发电缆上耦合到数百kV的脉冲高电压，对触发电缆以及触发器的绝缘造成极大危害。

通常MV级脉冲气体开关耦合入电缆的是负极性脉冲高压，耦合脉冲电压进入电缆后，在电缆中发生多次反射，脉冲极性在电缆中发生多次翻转。当触发脉冲和耦合脉冲电压为极性相反的高压脉冲时可相互抵消，这对电缆绝缘是有利的；当触发脉冲与耦合脉冲电压极性相同时，高压脉冲相互叠加，这对电缆绝缘是不利的；当MV级脉冲气体开关发生自击穿，而触发系统未动作时，耦合脉冲电压可使触发系统输出开关闭合，此时耦合入电缆的脉冲正好发生反射，电压翻转与触发脉冲极性相同，叠加输出，导致电缆绝缘发生损坏。

发明内容

为了避免耦合脉冲电压对触发电缆不利的影响，本发明提供一种MV级脉冲气体开关触发电缆保护方法及保护装置。

本发明的技术解决方案是：

一种MV级脉冲气体开关触发电缆保护方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)在触发电缆9和触发隔离电阻14之间并联接地保护开关，接地保护开关采用极不均匀场构型的电负性气体间隙；

2)调节接地保护开关的参数，使得：

在MV级脉冲气体开关被正常触发的情况下，接地保护开关能够被触发脉冲击穿且击穿时延大于MV级脉冲气体开关的击穿时延，触发脉冲引入时极不均匀场构型的电负性气体间隙处于断开状态，触发脉冲能够正常引入MV级脉冲气体开关；MV级脉冲气体开关导通闭合后，触发脉冲使极不均匀场构型的电负性气体间隙击穿接地；

在MV级脉冲气体开关发生自击穿的情况下，MV级脉冲气体开关所承受的脉冲电压传输到电缆输出端，使极不均匀场构型的电负性气体间隙击穿接地。

实现上述的MV级脉冲气体开关触发电缆保护方法的保护装置，其特殊在于：

包括接地保护开关及电缆连接件8，所述接地保护开关包括接地筒1、支撑绝缘子5及位于接地筒1内的第一电极16和第二电极4；

所述接地筒1的一端设置有电缆引入口，所述接地筒1上与电缆引入口相对的另一端设置有安装口；

所述第一电极16设置在安装口处的接地筒1的内壁上，第一电极16的中心设置有中心孔；

所述支撑绝缘子5穿过第一电极16的中心孔设置在安装口处，支撑绝缘子5与接地筒1密封连接，支撑绝缘子5上设置有通孔；

所述第二电极4包括大端电极41和与大端电极41相连的小端电极42；小端电极42穿过支撑绝缘子上的通孔伸出接地筒1外，大端电极41位于支撑绝缘子5外与第一电极16相对设置，大端电极41与支撑绝缘子5之间是密封的；

接地筒1内填充电负性气体；

大端电极41与第一电极16之间形成极不均匀场构型的电负性气体间隙，当触发脉冲为正极性时，大端电极41与第一电极16相对的面为平面，第一电极16与大端电极41正对的一端为尖端；当触发脉冲为负极性时，大端电极41与第一电极16相对的一端为尖端，第一电极16与大端电极41正对的面为平面；

电缆连接件8设置在电缆引入口处，电缆连接件8与接地筒1之间密封，触发电缆9通过电缆连接件8从电缆引入口插入接地筒1，触发电缆9的芯线与第二电极4电连接；触发电缆9的皮线通过电缆连接件8接地。

进一步地，为了使触发脉冲良好的引入，本发明的保护装置还包括引入绝缘子2和绝缘子电极3；

引入绝缘子2、绝缘子电极3、接地筒的上盖板7及电缆连接件8形成电缆引入腔体；

绝缘子电极3与第二电极4压接，引入绝缘子2为筒状，引入绝缘子2 的一端与接地筒1顶盖密封连接，引入绝缘子2的另一端与绝缘子电极3密封连接；

触发电缆9从电缆连接件8引入接地筒1内，所述电缆芯线与绝缘子电极3电接触。

进一步地，所述电缆引入腔体内填充有变压器油。

进一步地，所述电负性气体为SF₆。

进一步地，当第一电极16与大端电极41正对的一端为尖端时；所述第一电极16为具有尖棱的环形电极或多个圆周排布的针状电极；

当大端电极41与第一电极16相对的一端为尖端时，尖端处为具有尖棱的环形电极或多个圆周排布的针状电极。

进一步地，所述电缆连接件8与接地筒1插接。

本发明的有益效果为：

1、本发明MV级脉冲气体开关触发电缆保护方法，在触发电缆输出端并联极不均匀场构型的电负性气体间隙，利用其脉冲击穿的极性效应，在MV级脉冲气体开关正常触发的情况下，使触发脉冲在有效引入后接地；或者在MV 级脉冲气体开关发生自击穿的情况下，将MV级脉冲气体开关所承受的脉冲电压接地以实现对触发电缆的保护，解决了MV级脉冲气体开关击穿过程中脉冲高压耦合到触发电缆使其绝缘击穿的问题。

2、本发明的触发电缆保护装置集触发电缆引入与接地保护于一体，安装便捷，造价低，使用及维护方便。

3、本发明的触发电缆保护装置利用电负性气体脉冲击穿的极性效应实现不同极性脉冲下的击穿接地，可应对多种工况，无需加入主动操作即可实现触发电缆的有效接地保护。

4、本发明的触发电缆保护装置采用电负性气体间隙，气体间隙击穿的动作时间是ns级，接地响应快，有利于电缆绝缘的保护。

5、本发明的触发电缆保护装置可以通过调节电负性气体气压方便实现对引入的触发脉冲宽度进行有效调节。

6、本发明的触发电缆保护装置，触发电缆与保护装置为插接结构，即使触发电缆损坏，也无需对装置主体进行拆解维修，运行效率高。

附图说明

图1是本发明实施例触发电缆保护装置示意图；

图2是本发明实施例触发电缆保护装置连接MV级脉冲气体开关的示意图。

图3是本发明实施例的效果示意图。

其中，1-接地筒、2-引入绝缘子、3-绝缘子电极、4-第二电极、41-大端电极、42-小端电极、5-支撑绝缘子、6-紧固螺母、7-上盖板、8-电缆连接件、 9-触发电缆、10-高压电极、11-触发电极、12-接地电极、13-触发隔离电感、14-触发隔离电阻、15-水线接地筒、16-第一电极。

具体实施方式

下面对本发明进行详细说明。

一种MV级脉冲气体开关触发电缆保护方法，包括以下步骤：

1)在触发电缆9和触发隔离电阻14之间并联接地保护开关，接地保护开关采用极不均匀场构型的电负性气体间隙；

2)调节接地保护开关的参数，使得：

在MV级脉冲气体开关被正常触发的情况下，接地保护开关能够被触发脉冲击穿且击穿时延大于MV级脉冲气体开关的击穿时延，触发脉冲引入时极不均匀场构型的电负性气体间隙处于断开状态，触发脉冲能够正常引入MV级脉冲气体开关；MV级脉冲气体开关导通闭合后，触发脉冲使极不均匀场构型的电负性气体间隙击穿接地；

在MV级脉冲气体开关发生自击穿的情况下，MV级脉冲气体开关所承受的脉冲电压传输到电缆输出端，使极不均匀场构型的电负性气体间隙击穿接地。防止耦合的负极性高脉冲电压传入电缆。

本发明的MV级脉冲气体开关触发电缆保护方法，适用于MV级脉冲气体开关所承受的脉冲电压极性与触发脉冲极性相反的情况。

以下结合附图对实现本发明方法的触发电缆保护装置进行详细说明。

当触发脉冲为正极性，MV级脉冲气体开关所承受的脉冲为负极性时，实现本发明方法的触发电缆保护装置的一个优选实施例如图1-2所示。

如图1所示，本发明的触发电缆保护装置包括接地保护开关及电缆连接件8，接地保护开关由接地筒1、引入绝缘子2、绝缘子电极3、第二电极4、第一电极16、支撑绝缘子5、紧固螺母6及接地筒的上盖板7等组成。引入绝缘子2、绝缘子电极3、接地筒的上盖板7和电缆连接件8构成电缆引入腔体。电缆芯线9顶接在绝缘子电极3上，电缆外皮连接在电缆连接件8上接地。绝缘子电极3与第二电极4紧密压接并由第二电极4连接至触发隔离电阻14上，实现触发脉冲的引入。电缆引入腔体里充变压器油用于增加电缆沿面距离，防止触发脉冲发生沿面闪络。接地筒1和接地筒的上盖板7构成一个气体腔体，接地筒的上盖板7有充放气接口，第二电极4、支撑绝缘子5、紧固螺母6固定在接地筒底部的孔上，实现接地筒底部密封。第二电极4包括大端电极41和与大端电极41相连的小端电极42；小端电极42穿过支撑绝缘子上的通孔伸出接地筒1外，大端电极41位于支撑绝缘子5外与第一电极 16相对设置，大端电极41与支撑绝缘子5之间是密封的；腔体充SF₆气体。接地筒对应第二电极4处设置第一电极16，第一电极16为一环形电极，第一电极16与大端电极41构成电负性气体间隙。改变支撑绝缘子5厚度可以调整电负性气体间隙的距离。第一电极16的端部为尖端，而大端电极41与第一电极16相对的面为平面，由此形成极不均匀场构型的电负性气体间隙。

如图2所示，触发电缆保护装置位于触发电缆的输出端和MV级脉冲气体开关触发隔离电阻14的首端之间。

在使用时：依据图1安装触发电缆，电缆引入腔体后注入变压器油，气体腔体内充一定气压SF₆气体，通过调节气压可以保证电负性气体间隙击穿时延大于MV级脉冲气体开关击穿时延。

当正极性高压触发脉冲到来时，电场由第二电极4指向第一电极16，第一电极16产生负电晕，电负性气体间隙能够耐受住较高的正极性脉冲电压，由此触发脉冲经过第二电极加载到MV级脉冲气体开关上；

由于电负性气体间隙击穿时延大于MV级脉冲气体开关的击穿时延，当正极性的高压触发脉冲持续时间超过MV级脉冲气体开关击穿时延之后，高压触发脉冲会使电负性气体间隙发生击穿闭合，此时相当于将触发脉冲截断，实现对触发电缆的绝缘保护。

当MV级脉冲气体开关发生自击穿时，MV级脉冲气体开关所承受的负极性脉冲电压传输至触发电缆输出端时，相当于电场由第一电极16指向第二电极 4，由于SF₆的脉冲击穿极性效应，电负性气体间隙迅速击穿，使负极性脉冲电压接地，实现对触发电缆的绝缘保护。

能够应用于本发明的负极性气体还包括氧气、氟利昂等，由于SF₆的击穿场强高且极性效应更明显，因此优选为SF₆。

一个更为具体的实施例如下：

MV级脉冲气体开关由高压电极10、触发电极11和接地电极12组成，MV 级脉冲气体开关间隙距离为10cm，MV级脉冲气体开关内部充SF₆气体，气压>

触发电缆保护装置接地筒直径为230mm，高度210mm，置于水线接地外筒 15上。电缆引入腔体内径30mm，长度120mm，充变压器油。高压同轴电缆由电缆连接件8引入保护装置。高压同轴电缆阻抗为75Ω，绝缘层直径25mm。输入触发脉冲峰值为250kV，脉宽约100ns。

第二电极4直径为110mm，环形截面宽度为10mm。第一电极16直径为101mm。第一电极16和第二电极4构成的接地保护间隙间距为10mm。通过理论估算，当间隙之间充SF₆气体气压为0.3MPa时，250kV正脉冲加载到第二电极4上，间隙击穿时延为124ns；250kV负脉冲加载在第二电极4上间隙击穿时延仅为>

该实施例的工作过程如下：

正常工况下，触发系统输出250kV正极性触发脉冲经触发电缆到达第二电极4，此时电负性气体间隙能够受250kV的脉冲高压，同时触发脉冲经触发隔离电阻14和触发隔离电感13，施加到触发电极11。MV级脉冲气体开关耐受2.8MV脉冲负高压，在触发脉冲作用下经过约100ns后击穿闭合。由于电负性气体间隙承受高压脉冲的时延约为124ns，则引入触发电极12上的电位在MV级脉冲气体开关击穿之前一直能维持高电压，不影响MV级脉冲气体开关击穿过程。当电负性气体间隙承受高压脉冲时间大于124ns，电负性气体间隙击穿闭合接地，对电缆实施保护。如图3所示为接地保护开关承受的脉冲电压波形。接地保护开关承受约250ns的脉冲电压后击穿，电缆电压降低到零。

异常工况下，电负性气体间隙耐受负极性2.8MV脉冲高压过程中自击穿，脉冲高压经触发隔离电阻14和触发隔离电感13与触发电缆阻抗75Ω分压后，脉冲电压衰减至约-230kV后进入触发电缆。此时接地保护开关由于极性效应迅速发生击穿(时延约10ns)并接地，实现对触发电缆9绝缘的保护。

当触发脉冲为负极性，MV级脉冲气体开关所承受的脉冲为正极性时，实现本发明方法的触发电缆保护装置与图1的区别是“第一电极16的端部为平面电极，第二电极4的大端电极41与第一电极16正对处为尖端，形成极不均匀场构型的电负性气体间隙”。

使用时，设定气压使电负性气体间隙击穿时延大于MV级脉冲气体开关击穿时延。当负极性触发脉冲到来时，电场由第一电极16指向第二电极4，第二电极4产生负电晕，电负性气体间隙能够耐受住较高的脉冲电压，由此触发脉冲经过第二电极加载到MV级脉冲气体开关上。

当负极性的高压触发脉冲持续时间超过MV级脉冲气体开关击穿时延之后，触发脉冲使气体间隙发生击穿闭合，此时相当于将触发脉冲截断，实现对触发电缆的绝缘保护。

当MV级脉冲气体开关发生自击穿时，MV级脉冲气体开关所承受的正极性脉冲电压传输至触发电缆输出端时，相当于电场由第二电极4指向第一电极 16，由于SF₆的脉冲击穿极性效应，电负性气体间隙迅速击穿，使正极性脉冲电压接地，实现对触发电缆的绝缘保护。

本发明的说明书已经对发明内容给出了充分的说明，各组件具体参数可以根据实际需求设定，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容实施。