直流高压发生器快速极性转换方法研究

2022-09-11

0前言

±1000k V以上电压等级的直流电压发生器是直流高电压试验研究的必要设备。该设备可以用于研究直流输电设备、换流站设备及绝缘材料在直流高电压下的绝缘强度和极性转换等试验研究, 也可用于交、直流电力设备的泄漏电流试验, 另外还可以作为其他高压试验设备如冲击电压发生器、冲击电流发生器等设备的电源。随着电网直流输电项目的大规模展开, 直流高压发生器的使用次数及频率都大大增加, 为提高直流高压发生器的效率, 必然需要提高极性转换的速度。

1 直流高压发生器基本结构及原理

高电压等级的直流电压发生器均采用多级倍压结构。以一台±1600k V直流高压发生器为例。设备结构如图1所示。

可以看到, 该设备本体采用单边4级倍压串级回路结构。高压硅堆悬挂于交流电容柱与直流电容柱之间。保护电阻内置于交流柱、直流柱的级电容内部。结构采用五柱式结构:两个电容柱中一个柱为交流电容柱, 另外一柱作为直流电容柱;分压器组合装置可置于直流柱外侧, 由电阻分压器柱、接地开关柱、耦合电容器柱组成。充电变压器可装设于本体底座上。

2 直流高压发生器快速极性转换方法

直流高压发生器整个极性转换涉及发生器降压、接地合、硅堆极性转换、接地分、升压等一系列过程, 在极性转换过程中每一步骤都将用去大量的时间。为缩短极性转换时间, 实现直流高压发生器的快速极性转换, 必须缩短每一个过程的时间。

(1) 降压过程

加快降压速度是缩短极性转换的一个方面, 加快降压速度主要通过增加放电电阻来实现。增加放电电阻并不是增加放电电阻总阻值, 而是增加与分压器并联的相同阻值的电阻列数, 列数越多, 总阻值越小, 降压速度就越快。同时需考虑放电电阻的底限, 因为过小的放电电阻必然带来设备正常运行时泄漏电流的增加。

(2) 接地开关接地过程

在这个过程中, 若将试验电压降到零或很小的电压值后再进行接地, 需要较长的时间。采取直流高压发生器电压从试验值降到一定程度时, 由快速接地开关直接接地的方法, 可以把接地开关接地过程大大缩短。但满足高压下接地快速接地开关将承受所有的高压及很大的电流, 这对快速接地开关的要求极高。

a) 承受高电压问题。解决该问题可以采用将快速接地开关分为多段的方法。如由4个开关串接组成, 根据串联分压的特点, 高电压将分布在各开关上。当在1000k V电压下接地时, 每级开关将同时承受250k V电压, 相对设计的单个接地开关而言承受的电压大大降低, 可以保证开关的长期可靠运行。

b) 承受大电流问题。接地时会有很大的电流通过快速接地开关, 这时的开关触点及内部短接线都将难以承受大电流带来的电动力。解决此问题, 可以考虑将每一级开关内部串接20Ω电阻 (电阻应为无感绕法, 可采用镍铬电阻丝绕制而成, 利用环氧树脂浇注来保证两层电阻之间的绝缘距离) , 以此起到限流作用。

(3) 硅堆极性转换过程

硅堆要实现快速极性转换, 简而言之就是让内部单管极性转换。实现这一目的首先需要考虑动力问题。目前最简单的动力有三种, 电动、气动及液压方式带动, 根据本文中直流高压发生器的结构而言, 电动在高电压下是不可能实现的, 而气动又存在气缸使用的气源压缩比太大, 无法实现硅堆平稳的极性转换;所有硅堆如果由气管串接, 当气体中湿度较大时整套设备将会因气管而产生放电, 导致设备损坏等诸多问题如。液压方式采用的是经过真空处理后的烷基苯绝缘油, 不会产生放电。其次油的压缩比比气体小很多, 可实现硅堆平稳极性转换, 可避免其他两种方法的问题, 相比之下可见选择液压方式最合理。

采用液压方式带动后, 内部单管与端部液压缸构成一套传动机构, 当液压缸动作时, 内部单管随之开始平稳的转换极性, 直到液压缸动作完毕, 极性转换到位。此时回油管中的油触动压力继电器给出信号到控制表示所有硅堆动作到位。每根硅堆通过液压油管连接起来, 所有的硅堆油管与油缸接法采用并联形式, 保证所有硅堆的极性转换动作时间缩短。