用于电容式复合绝缘母线系统雷电冲击试验回路及方法与流程

本发明涉及母线型式试验技术领域，特别涉及一种用于电容式复合绝缘母线系统雷电冲击试验回路及方法。

背景技术：

目前，在中压配电系统中，还有裸母线仍在使用，在高压和超高压电网，也采用裸母线连接电站电器元件，由于使用了裸母线，小动物，潮湿污秽的绝缘环境以及海拔高度都会影响母线电气绝缘的可靠性，且HGIS复合电器与架空裸母线配合时相间距很大。为了解决上述问题，目前高压、超高压GIS、HGIS和变压器大量使用充SF₆气体的出线套管及油纸绝缘套管，但该方案价位高，运行维护较麻烦。为了解决这些问题，国内有用硅橡胶挤压包封或用聚四氟乙烯带缠绕的绝缘母线，但这两种母线都因为自身的一些问题，只能在中压电网中使用，而无法向高压发展。近些年又新研发出一种电容式复合绝缘母线，因为采用了电容屏包扎，母线绝缘层电场分布均匀，因而局部放电起始电压高，每段母线连接处电场分布比较均匀，在中低压领域已经被很多地方所采用，并且具备了向高压和超高压发展的条件，目前已经制造了试验样机进行型式试验。

由于该母线为新研发产品，目前没有专门针对此产品的专门标准，对于72.5kV及以上的这种母线在进行绝缘型式试验时，只能依照产品的功能，选择相同功能的产品标准作为参照，在目前情况下，选择了GB/T 22838-2008《额定电压72.5kV及以上刚性气体输电线路》来作为进行型式试验的依据。虽然选择的标准与被试母线都属于同一类产品，但是所选标准的适用范围主要针对的是刚性气体绝缘输电线路，其绝缘至少部分是由不同于大气压力下的空气的非腐蚀性绝缘气体实现的。而被试母线除了为了方便与GIS等对接充气试验工装，其绝缘是由一层层电容屏包扎实现的。因此相对于充气母线，这种电容式复合绝缘母线相同长度下的电容量要高于充气母线。72.5kV试品的水平长度不到1m，加上一端不到1m的套管和另一端不到1m的母线经拐弯后的垂直部分，电容量超过了3000pF；而252kV电压等级的试品更是超过了4500pF，远超过相同电压等级的充气母线试品及其工装。试品电容量的增大使得要满足所选用标准中绝缘试验中的雷电冲击电压试验的雷电波形参数的要求变得十分困难。GB/T 22383-2008中因为使用对象是充气母线，试验时被试母线电容量不大，因此对于雷电冲击的要求引用了GB/T 11022，实际就是按照GB/T 16927.1-2011的要求，而对于电容量如此大的母线，现有的雷电冲击试验方法无法满足上述标准对于雷电波形参数的要求，会造成在满足波前时间要求的前提下过冲超标，或者满足相对过冲幅值的前提下波前时间超标，进而使得雷电冲击试验不满足采用标准的要求。

现有的雷电冲击试验方案为：用冲击发生器高压端与被试母线高压端直接连接，同时被试母线高压端接测量系统的高压端。依靠调整波头电阻来满足雷电冲击试验中对于波前时间和过冲的要求。

采用现有冲击回路进行试验时，因为冲击发生器本体和线路电感以及本体杂散电容的存在，在进行母线雷电冲击电压试验时，会使这些回路中的电感和电容以及被试母线电容一起发生谐振，电感值和电容量越大，谐振幅值越高。而本体电感是一个固定值且被试的电容式复合绝缘母线电容量远大于一般母线，所以仅依靠调整波头电阻值无法同时满足相关标准中对波前时间和过冲的要求。所以对于此特殊产品，现有的雷电冲击试验方案不再合适。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于电容式复合绝缘母线系统雷电冲击试验回路及方法。采用本回路可进行电容量5000pF及以下的电容式复合绝缘母线系统的雷电冲击电压试验，完善了这种新产品的试验条件。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于电容式复合绝缘母线系统雷电冲击试验回路，包括冲击电压源、冲击电压测量装置、低通滤波装置和被试电容式复合绝缘母线系统；冲击电压源一端连接低通滤波装置，低通滤波装置另一端连接冲击电压测量装置的高压端和被试电容式复合绝缘母线系统的高压端，冲击电压源的另一端与冲击电压测量装置的低压端、被试电容式复合绝缘母线系统的低压端连接并接地；低通滤波装置由滤波装置电容C_p和滤波装置电阻R_p并联组成。

所述的冲击电压源包括冲击电压发生器IG的主电容C、波前电阻R_f、波尾电阻R_t和冲击点火球隙S，主电容C一端接地，另一端串联冲击点火球隙S，冲击点火球隙S的另一端连接波前电阻R_f、波尾电阻R_t的高压端；波尾电阻R_t的另一端接地，波前电阻R_f的另一端连接低通滤波装置。

所述的冲击电压测量装置包括弱阻尼电容分压器和数字冲击电压测量系统DIVMS，弱阻尼电容分压器由阻尼电容R、高压臂电容C₁、低压臂电容C₂依次串联形成，阻尼电容R连接被试电容式复合绝缘母线系统的高压端与低通滤波装置的一端；低压臂电容C₂另一端接地，数字冲击电压测量系统DIVMS一端连接在高压臂电容C₁和低压臂电容C₂之间，另一端接地。

所述的滤波装置电容C_p和波头电阻R_f之间的关系为：

其中，C_x为被试电容式复合绝缘母线系统中试品TO的等效电容，L为发生器和回路中的总电感，R_f-波头电阻，R-阻尼电容，C₁-高压臂电容，C_p-滤波装置电容。

一种基于用于电容式复合绝缘母线系统雷电冲击试验回路的参数确定方法，包括以下步骤：

采用根据实际情况建立起来的物理模型进行分析，通过数学计算，得到了冲击电压源的主电容C充电电压U，试品TO两端的电压U₁在雷电冲击电压从零上升到峰值期间与时间t的近似关系，得出了峰值的表达式，并根据标准中相对过冲幅值β’≤10％的要求，最终得到了波头电阻R_f与滤波电容C_p之间的关系式；根据被试电容式复合绝缘母线系统中试品TO的等效电容C_x先确定一个大于C_x的滤波电容C_p值，然后再根据得到的关系式确定波头电阻R_f，波尾电阻R_t取值与进行一般试品(如充气母线)试验时所取的阻值基本相同，滤波电阻R_p一般取100多欧姆，进而确定雷电冲击试验回路的各个参数；按照本发明的雷电冲击试验回路连接电路，调整冲击电压测量装置中数字冲击电压测量系统DIVMS的设置，完成调波过程。

滤波装置电容C_p和波头电阻R_f之间的关系式通过以下步骤得到：

1)根据电路关系，列出经拉氏变换后试品TO两端电压U₁(S)与起始电压的关系：

式中，Z₁为试品TO和分压器并联的阻抗，为Z₂为低通滤波装置的阻抗，为

根据标准中试验电压函数的规定，简化计算，使RC₁s+1≈1，R_pC_ps+1≈1，可求出：

令对(3)进行反变换，可得：

当时，u₁达到峰值，所以：

k为整数，

将带入(4)，可得u₁(t)的最大值U_1m：

由(4)可以得到，没有振荡时的最大值：

所以相对过冲幅值为：

当满足标准要求时，β’≤10％，将(7)代入，得

所以：

因此，滤波装置电容C_p和波头电阻R_f之间的关系式为：

其中，C_x为被试电容式复合绝缘母线系统中试品TO的等效电容，L为发生器和回路中的总电感，R_f-波头电阻，R-阻尼电容，C₁-高压臂电容，C_p-滤波装置电容。

所述的标准为GB/T 16927.1-2011和GB/T 22838-2008。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种用于电容式复合绝缘母线系统雷电冲击试验回路，采用在冲击电压源与被试电容式复合绝缘母线系统以及冲击测量系统部分之间加入了低通滤波装置，此装置由电容滤波电阻和低通滤波电容部分并联而成，其组成了一个低通滤波器，能够吸收产生自冲击电压源的高频振荡，将其阻断到被试电容式复合绝缘母线系统之前，使被试电容式复合绝缘母线系统上的波形的高频振荡降低，从而能够减小过冲。本发明中的试验回路布局简单，容易实现，满足了电容式复合绝缘母线系统雷电冲击电压试验的试验条件。采用本回路可进行电容量5000pF及以下的电容式复合绝缘母线系统的雷电冲击电压试验，完善了这种新产品的试验条件。实验表明，而采用了本发明的回路后，在过冲降到10％以下时，波前时间只有1.49μs，满足标准的要求，从而也证明了本发明的作用。

本发明参数确定方法是通过对回路的建立模型进行合理的数学分析，得到了波头电阻R_f和低通滤波装置电容C_p之间的关系，运用此关系能够较快确定回路所采用的波头电阻值和滤波装置电容值，并且因为滤波装置电阻值R_p和波尾电阻值R_t取值较为固定，根据需要试验目标电容式复合绝缘母线系统的电容量，运用分析计算得出的公式，可以适当调节波头电阻、波尾电阻、滤波电容和滤波电阻的参数，回路中的各种所需参数可以较快确定，使雷电波形能够满足相关标准要求。试验方法满足标称电容5000pF及以下电容式复合绝缘母线雷电冲击试验的试验要求，并且经过实验证明，完全满足GB/T 16927.1-2011和GB/T 22838-2008标准中关于雷电冲击实验波型参数的要求。

【附图说明】

图1一种用于电容式复合绝缘母线系统雷电冲击试验的回路示意图；

图2计算波前的等效电路；

图3计算波前时间的等效电路的拉普拉斯变换后的计算电路；

图4实际试验时的波形图，(a)使用原先现有回路时波形图，(b)采用本发明波形图。

图中，1-冲击电源，2-冲击电压测量装置，3-低通滤波装置，4-被试电容式复合绝缘母线系统，C-冲击发生器(IG)的主电容，S-冲击点火球隙，R_f-波头电阻，R_t-波尾电阻，R-阻尼电容，C₁-高压臂电容，C₂-低压臂电容，DIVMS-数字冲击电压测量系统，R_P-滤波装置电阻，C_p-滤波装置电容，TO-试品。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明主要设计一种适合于这种电容式复合绝缘母线雷电冲击试验，包括试验回路和回路当中参数的确定方法，使试验满足标准对于雷电波形的要求。

回路是在冲击发生器回路与被试电容式复合绝缘母线之间串联一个低通滤波装置，该装置由一个滤波装置电容和滤波装置电阻并联组成。

根据被试电容式复合绝缘母线的电容量，和其它已知的回路参数，先选择大于试品电容量的滤波装置电容C_p值，再根据确定出的波头电阻R_f和滤波装置电容C_p的关系，其中算出合适的波头电阻R_f，波尾电阻、滤波装置电阻一般固定取值，然后按照本发明中的回路示意图连接好电路。调整好数字冲击电压测量系统的设置便可以进行试验。只要上述参数在合理的范围内，对于电容量5000pF及以下的电容式复合绝缘母线调出的波形就能满足相关标准的要求。

如图1所示，本发明一种用于电容式复合绝缘母线系统雷电冲击试验的回路包括冲击电压源1、冲击电压测量装置2、低通滤波装置3、被试电容式复合绝缘母线系统4。

请参阅图1所示，冲击电压源1由冲击电压发生器IG的主电容C、波前电阻R_f、波尾电阻R_t和冲击点火球隙S组成，主电容C一端接地，另一端串联冲击点火球隙S，冲击点火球隙S的另一端连接波前电阻R_f、波尾电阻R_t的高压端。波尾电阻R_t的另一端接地，波前电阻R_f的另一端连接低通滤波装置3。低通滤波装置3由滤波装置电容C_p和滤波装置电阻R_p两部分组成。滤波装置电容C_p和滤波装置电阻R_p并联，一端连接波前电阻R_f，另一端连接冲击电压测量装置2和被试电容式复合绝缘母线系统4的高压端。冲击电压测量装置2包括弱阻尼电容分压器和数字冲击电压测量系统DIVMS，一端连接低通滤波装置3和被试电容式复合绝缘母线系统4的高压端，另一端接地。被试电容式复合绝缘母线系统4的高压端与低通滤波装置3的一端和冲击电压测量装置2的高压端连接，另一端接地。试验时，雷电冲击电压的电压值和波形通过弱阻尼电容分压器将显示于数字冲击电压测量系统DIVMS上。

为了能够确定低通滤波装置中各元件和波头电阻之间的关系，建立了图2的回路模型。因为雷电波的上升时间非常短，在相对短的时间内，电容经过波尾时间流失的电荷很少，故在确定波前时间时，等效电路内的R_t可认为阻值极大，所以采用如图2所示的等效电路计算低通滤波装置中电容和电阻以及波头电阻的值。图中L为发生器和回路中的总电感，近似可以看成发生器本体电感和回路导线电感的串联，C_x为试品TO的等效电容。因为图1中C₂远大于C₁，所以分压器的等效电容用C₁表示。主电容C上带有已知的电压U，t＝0时刻开关闭合。将上面的电路进行拉普拉斯变化，得到图3的运算电路。

根据电路关系，可列出试品TO两端电压U₁(S)与起始电压的关系：

式中Z₁为试品TO和分压器并联的阻抗，为Z₂为低通滤波装置的阻抗，为

根据GB/T 16927-2011和IEC 60060-1:2010中试验电压函数的规定，当频率大于10MHz后，函数值接近于零，取频率小于等于10MHz，且回路中R和R₂数百欧姆，C₁几百pF，即10^-10F数量级，C₂几纳法，即10^-9F数量级，所以为了简化计算，使RC₁s+1≈1，R_pC_ps+1≈1，可求出

因为回路中试品TO电容较大，会出现振荡，所以令对(3)进行反变换，可得：

当时，u₁达到峰值，所以

考虑到系数中有t的指数函数，所以最大值在n＝1时取到，所以将带入(4)，可得u₁(t)的最大值U_1m：

由(4)可以看出，没有振荡时的最大值：

所以相对过冲幅值：

当满足标准要求时，β’≤10％，将(7)代入，得

所以：

将α与ω的定义式带入(8)，因为C、R、C₁已知，C_x可以测得，L可以通过测量发生器本体的电感，以及回路的导线长度得到。因此可以通过(8)得出R_f与C_x满足的条件。

滤波装置电容C_p和波头电阻R_f之间的关系为：

其中；

根据此关系，在通过一次参数的试探较快确定另一个参数。而其余两个参数值比较固定，因此可以较快速地完成回路调节。

使用本发明进行电容式复合绝缘母线系统雷电冲击试验时，首先应根据被试电容式复合绝缘母线系统4的电容量C_x选取一个大于C_x的C_p值，然后根据(8)的关系式确定试验回路中冲击电压发生器波前电阻R_f；滤波装置电阻R_p根据试验经验一般为100多欧姆；波尾电阻R_t的值和一般的试品试验时的阻值相差不大，若相对过冲幅值较大，影响到了半峰值时间，可以适当加大，R_t的大小对于波前时间和相对过冲幅值几乎没有影响。然后按照本发明中的回路示意图连接电路，调整好数字冲击电压测量系统DIVMS的设置便可以进行试验。

本发明技术方案的可行性：本发明提出了一种用于电容式复合绝缘母线系统雷电冲击试验的方法，采用的方案为在冲击电压源与被试电容式复合绝缘母线系统以及冲击测量系统部分之间加入了低通滤波装置，此装置由电容滤波电阻和低通滤波电容部分并联而成，其组成了一个低通滤波器，能够吸收产生自冲击电压源的高频振荡，将其阻断到被试电容式复合绝缘母线系统之前，使被试电容式复合绝缘母线系统上的波形的高频振荡降低，从而能够减小过冲。通过对回路的建立模型进行合理的数学分析，得到了波头电阻R_f和低通滤波装置电容C_p之间的关系，运用此关系能够较快确定回路所采用的波头电阻值和滤波装置电容值，并且因为滤波装置电阻值R_p和波尾电阻值R_t取值较为固定，因此回路中的各种所需参数可以较快确定。因此这种方法是可行的。

本发明带来的有益效果有：(1)根据需要试验目标电容式复合绝缘母线系统的电容量，运用分析计算得出的公式，可以适当调节波头电阻、波尾电阻、滤波电容和滤波电阻的参数，使雷电波形能够满足相关标准要求。(2)本发明中的试验回路布局简单，容易实现，满足了电容式复合绝缘母线系统雷电冲击电压试验的试验条件。(3)采用本方法可进行电容量5000pF及以下的电容式复合绝缘母线系统的雷电冲击电压试验，完善了这种新产品的试验条件。

本发明实际使用结果：图4是126kV电容式复合绝缘母线系统实际试验时的波形，从图中可以看出，当采用现有回路时，在波形的过冲达到标准临界值时，它的波前时间已经超过了标准规定的最大值1.56μs近三分之一，达到了2.02μs，不满足标准的要求；而采用了本发明后，在过冲降到10％以下时，波前时间只有1.49μs，满足标准的要求，从而也证明了本发明的作用。

以上所公开的仅为本发明一种最具代表性的实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。