电力每日要闻“雷电冲击发生装置”特点描述

特高压直流六氟化硫气体内绝缘穿墙套管作为特高压换流站的核心设备之一，发挥着连接换流阀厅内部和户外高压电气设备的重要作用。在特高压直流六氟化硫气体内绝缘穿墙套管内部，支柱绝缘子是*为关键的绝缘结构，起到支撑高压导杆、减小套管内部电场畸变的作用。在实际运行中，高压导杆不仅承受高达±800千伏及以上的电压，而且内部通有3150～6300安的直流大电流，温度可达115摄氏度。支柱绝缘子的上下部之间存在75～85摄氏度的温度差，电效应和热效应都较为显著。与六氟化硫气体的绝缘强度相比，支柱绝缘子的表面绝缘强度较低，容易发生沿面闪络，是套管内部的绝缘薄弱点。

类似的情况还发生在气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）以及气体绝缘金属封闭开关（GIS）等电气设备中。其共同点在于支柱绝缘子要长期经受强电场、大温度梯度以及六氟化硫气氛等多因素耦合作用，传统支柱绝缘用材料易发生本征特性劣化，造成绝缘性能下降，引发沿面闪络，影响电气设备可靠运行。因此，研发能够提升特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备可靠性的新型支柱绝缘子材料具有重要意义。

陶瓷材料作为一种无机非金属材料，具有高机械强度、高耐久性、低热膨胀系数等性能优势，广泛应用于电力设备外绝缘领域。传统外绝缘陶瓷材料主要由石英、长石、黏土等原料烧结而成，在特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备中，绝缘性能和耐腐蚀性能方面无法满足应用要求。解决这一问题，需要从种类繁多、绝缘特性相差悬殊的陶瓷材料配方体系中选出表面绝缘强度高、与六氟化硫气体相容性强的高性能陶瓷基础材料体系。氮化硅陶瓷材料是一种由硅氮元素以共价键结合的化合物，具有良好的机械强度、绝缘性能、温度稳定性、导热性和耐腐蚀性能，是结构陶瓷家族中综合性能*为优异的一类，在特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备中应用潜力巨大。

一、适用范围（LYCJ2000电力每日要闻“雷电冲击发生装置”特点描述）

本发生器适用于35千伏及以下电压等级的空气间隙，套管、电力变压器(容量2000VA及以下)和互感器等试品进行标准雷电冲击电压全波试验。

二、一般使用条件（LYCJ2000电力每日要闻“雷电冲击发生装置”特点描述）

※ 海拔高度：<1000m

※ 环境温度：－10℃～＋40℃

※ 相对湿度：<80％（25℃）

※ 极大日温差：25℃

※ 使用环境：户内

※ 无导电尘埃

※ 无火灾及爆炸危险

※ 无腐蚀金属和绝缘的气体

※ 电源电压的波形为正弦波,波形畸变率<5%

※ 接地电阻小于0.5Ω

※ 安装地点:户内

三、遵循技术标准（LYCJ2000电力每日要闻“雷电冲击发生装置”特点描述）

※ GB7449                         电力变压器和电抗器的雷电冲击和操作冲击的试验导则

※ GB1094.3                   电力变压器第3部分  绝缘水平和绝缘试验

※ GB/T 311.1                    高压输变电设备的绝缘与配合

※ GB/T 16927.1              高电压试验技术 第1部分 一般试验要求

※ GB/T 16927.2              高电压试验技术 第2部分 测量系统

※ GB/T 16896.1              高电压冲击试验用数字记录仪

※ ZBF 24001                     冲击电压试验实施细则

※ GB/T11920              电站电气部分集中控制装置通用技术条件

※ GB/T191                        包装储运图示标志

※ DL/T 846.1               高电压测试设备通用技术条件 第1部分：高电压分压器测量系统

※ DL/T 848.2                    高压试验装置通用技术条件 第2部分：工频高压试验装置

※ DL/T 848.5                    试验装置通用技术条件 第5部分：冲击电压发生器

※ DL/T ´´´´           《高压线路绝缘子冲击电压击穿试验¾定义、试验方法和判据》的规定

四、设备组成（LYCJ2000电力每日要闻“雷电冲击发生装置”特点描述）

1.LYCCD－100直流充电装置                                                                      1套

2.LYCJ2000-400冲击电压发生器本体(包括全部调波元件)                       1套

3.LYRF－400弱阻尼电容分压器                                                                   1套

4.LYAT自动测控系统                                                 1套

5.LYFJ二次回路测量线、控制线                                        1套

五、主要技术指（LYCJ2000电力每日要闻“雷电冲击发生装置”特点描述）

系统技术参数

1、标称电压：400kV

2、额定级电压：100kV

3、额定能量：20kJ

4、冲击电容量：0.25 uF

5、总级数：4级

6、额定级电容量：1uF (单台脉冲电容器2uF/2×50千伏，共4级)

7、冲击电压波形： 雷电波：T1=1.2uS±30%、T2=50uS±20%、峰值电压偏差≤3%，

截波时间：2～5uS；冲击电压波形参数及其偏差均符合GB/T 311.1及GB/T 16927.1国家标准的要求。

8、电压利用系数：负荷电容为1000PF以下时，标准雷电波的电压利用系数≥90%，

9、同步范围：级电压在20%～100%额定电压范围内，正负极性同步范围不小于20%;

10、同步放电失控率：<2%

11、极低输出电压：≤±20%额定电压

12、充电电压不稳定度：<±1.0%

13、使用持续时间:在2/3额定电压以上，每120秒充放电一次可连续运行，在2/3额定电压以下，每60秒充放电一次可连续运行

六、主要元件的技术说明：

1、直流充电部分

(1)采用可控硅恒流调压装置,额定输出电压±100kV,额定输出直流电流10-100mA；

(2)采用油浸式充电变压器，次级电压50kV，额定容量5千伏安；

(3)采用LYDL-200kV/100mA的高压整流硅堆,反向耐压³200kV，平均电流³0.1A，高压整流硅堆安装在充电变压器内，可由传动机构自动倒换充电电压极性。控制台上有极性开关转换按键；

(4)高压整流硅堆保护电阻采用漆包电阻丝有感密绕在绝缘管上；

(5)自动控制时，恒流充电装置在10%～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1只，采用100kV，200MW，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短路并经保护电阻接地；

(8)充电变压器(包括高压整流硅堆及极性转换装置)及其保护电阻，自动接地开关和绝缘支柱等安装在一个底盘上；

2、本体部分

(1)主体结构形式采用仿德国HIGHVOLT-H型

(2)本体采用双边不对称充电回路，每级额定电压100kV；

(3)本体绝缘支柱4级塔式结构.每级包括1台MWF100-3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等，当产生雷电波时，根据试品电容量大小，选择适当的雷电波波头电阻、波尾电阻和级数；

(4)级脉冲电容为3±0.05mF，直流工作电压±100kV，电容器剩余电感£0.15mH，电容器出线套管能够承受垂直拉力15kg，同时保证不损坏和渗漏油，电容器出线套管能够承受垂直拉力15kg，在以上范围无损坏和渗漏油,电容器安装就位无变形；

(5) 波头电阻、波尾电阻均采用板形结构，无感绕制。

电阻采用西门子的特殊结构，保证电阻的热容量能满足试验要求；剩余电感小；

(6) 接头均为弹簧压接式，方便调波时的插拔且接触可靠；

(7) 波头、波尾电阻支架可以由多支电阻同时并联使用；

(8) 第1级球隙采用双边异极性触发，第2级至第四级球隙均采用三间隙椭圆球隙点火，从而保证触发的可靠性；

(9)各级球隙距离由低速永磁电动机驱动作直线调整，装置噪音小，定位无惯性，准确、快速，控制显示对应球距的放电电压；

(10)球隙距离也可在控制部分人为干预；

(11)本体可每2级或多极并联使用，并联连接杆采用统一接插件，方便换接；

(12) 本体支柱采用玻璃钢材料制造，很高电位的部分采取抗老化和电晕的措施；

(13) 各级均采取防晕措施，在充电过程中不会出现明显电晕。

3、LYRF-400kV/300pF冲击弱阻尼分压器

（1）高压臂由电容器组成，电容额定参数400kV/300pF

（2）额定雷电冲击耐受电压为400kV

（3）分压器分压比为：2000：1

（4）测量不确定度：小于2.5％

（5）过冲：≤20%

（6）部分响应时间：≤100ns

（7）弱阻尼电容分压器的方波响应特性满足GB/T 311.1及GB/T 16927.2的标准要求

4、LYAT控制测量系统

※ 本套设备采用具有先进水平的计算机测控一体化系统,将控制和测量功能组合在一起。

※ 控制系统采用了日本三菱公司的PLC可编程控制器，使控制系统实现了小型化、智能化及高可靠性。

※ 屏幕采用10”触摸屏。

※ 控制部分和本体的信号传输采用光纤传输，具有双向信号处理功能，从而提高了控制系统的可靠性。

※ 控制系统中关键的元器件及部件全部选用进口件，如：PLC可编程控制器采用日本三菱公司、示波器采用美国泰克公司等。

※ 测量系统具有波形显示、分析、成图和打印等功能。可以按照高压试验的习惯设定测量参数从而自动整定好数字示波器。可自动计算各个波形参数，所采用的计算方法按照GB/T16896.1-1997及IEC1083标准的规定。

※ 控制测量系统采用了先进的抗干扰技术，在高电压、强电场的环境下运行，系统测量准确、控制方便、可靠。

控制系统技术说明如下:

※ 控制系统的主要目的是控制冲击电压发生器操作，完成正常的充放电过程，所有运行参数均可通过触摸屏的操作来完成，并对设备运行参数进行实时监控。

※系统控制方式为手动或自动,自动控制方式能按规定的程序进行冲击电压试验，在界面显示发生器状态(接地/不接地,充电速度,充电电压,球距等)。

（1） 动作控制

能够手动或自动控制放电球距跟踪充电电压，并显示放电球距值；

控制本体自动接地；

冲击次数预置、极性自动换接等功能；

控制并显示截波球距。

（2）充电控制

充电电压,充电速度,充电极性直接由界面输入设定；系统自动跟踪设定电压下的球隙跟踪。充电方式采用可控硅调压方式恒流充电。能够自动控制冲击电压发生器的充电过程，可以根据试验要求，调节充电电压和充电时间，并显示充电电压值；可控硅调压方式较之传统的调压器调压方式，具有体积小，响应速度快，控制精度高。充电稳定度0.3%，充电速度可调。

采用自控方式充电时,能使充电电压按所需的充电曲线上升，自动稳定在预先整定的充电电压值上，从而保证了充电的均匀性、重复性和试验结果的准确性。

（3）触发控制

采用高性能的点火脉冲放大器，能够产生大于15kV/100nS的脉冲电压，确保冲击设备点火可靠，同步放电稳定。

截波延时方式采用电子延时回路，可方便地获得2～6μS的截波触发延时，稳定性好，精度高，截断分散性小于0.1μS，点火脉冲延时可调范围：0～9.9μS。

（4）可靠联锁控制

整个系统具有完善的警灯、警铃等试验区的报警功能和控制接口；

具有自动接地和可靠接地与系统联锁，过流和过压保护功能；

紧急停止功能。

（5）扩展功能

能与其它计算机通过串口进行通讯和数据交换；

测量系统结构说明如下：

测控一体化工作台为两联柜形式，显示器、键盘、鼠标放置在桌面上，计算机主机、示波器、隔离滤波电源、UPS放在办公桌内，继电器、PLC、过电压和过电流保护元件等放置在本体底盘内。

用户在系统界面上选择“波形分析”功能后,系统进入测量功能设置界面。

测量系统以美国泰克公司的数字存储示波器TBS-1102B为波形数据采集平台,工作方式的设置由测控软件（具有软件著作权）自动完成。其带宽100MHz，标称分辩率达9bit，很高采样速度达2. GS/s，记录长度10M，通道2个；可记录雷电全波和雷电截波。用户只需根据界面提示，输入各项试验条件即可（用户也可选择其它示波器）。

系统可以完成表1所示的各种冲击电压的测量和表2测量误差及系统波形参数分析功能。

表1 冲击电压波形及其参数

表2 测量系统不确定度(含分压器)

冲击电压的所有信息均以位图(.bmp)文件和数据文件(.DAT)格式保存在硬盘上。

系统的典型测量功能包括:

冲击电压测量和波形分析: 2通道,很高采样速率1.25GS/S

不同冲击电压波形的比较和离线分析: 可将试验得到的波形 以数据文件(*.DAT)的格式存盘，从硬盘中读出并显示在屏幕上，帮助用户比较不同冲击试验得到的冲击试验波形

试验报告数字化: 点击菜单项“试验报告”可直接进入中文Word ，在已设计好的冲击试验报告模板上编写试验报告。利用Word 强大的处理功能, 输入文字，绘制和插入电路接线图，插入试验波形图，存储、打印试验报告等。

多时基波形显示: 系统具备将各个通道波形数据(例如变压器的入波电压和示伤电流波形)分别独立按不同的时基显示的功能，方便用户分析波形。

控制系统技术参数

充电电压整定范围      0.5～100.0kV

充电电压              0.5～100.0kV

充电电压调节精度      1 %

充电电压不稳定度      < 1 %

充电时间设定范围      30～900S

充电时间调节精度      1 S

报警延时              2 S

截波触发脉冲延时      0.0～9.9μS

截波延时调节精度      0.1μS

冲击试验次数设定范围  0～99次

冲击试验次数调节精度  1次

输入电源电压          220VAC±10%

输出交流电压          0～220VAC(连续)

输出交流电流          0～16A

双屏蔽测量电缆

国网智能电网研究院有限公司联合华北电力大学、中材高新材料股份有限公司成立研发团队，开展特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备用氮化硅陶瓷材料研究。

高致密度、高耐腐蚀性、高绝缘强度及优良的表面电荷特性是氮化硅陶瓷材料应用于特高压气体内绝缘环境的决定性因素。为实现氮化硅陶瓷材料力-电性能的协同调控，项目组从原材料、配方体系、制备工艺等角度出发，采用高纯度、亚微米级氮化硅粉体，通过掺杂钇、铋等稀土功能离子和镁、铝金属氧化物烧结助剂，优化氮化硅陶瓷材料配方体系，并调控陶瓷材料的晶格、晶界及缺陷结构。

在优选的氮化硅陶瓷配方体系基础上，研发团队采用先进的热等静压烧结技术，制备得到了高致密度氮化硅陶瓷材料。研发团队模拟特高压气体内绝缘运行环境，验证了氮化硅陶瓷材料的服役可靠性。与传统材料相比，新型氮化硅陶瓷材料在强电场、大温度梯度、六氟化硫气氛环境下的机械强度、电阻率-温度变化特性、表面电荷积聚特性及耐腐蚀性等方面均展现出性能优势。该技术的突破为提升气体内支柱绝缘子材料的可靠性提供了新的解决方案。

为优化支柱绝缘子结构，20年，国网智研院、华北电力大学、中材高新材料股份有限公司、阿尔斯通意大利公司密切沟通、协同更新，针对气体内支柱绝缘子主体结构开展设计研究。为满足±800千伏特高压直流穿墙套管运行工况的支柱绝缘子应用要求，研发团队将氮化硅材料特性与生产装配工艺的各项要求融合到陶瓷支柱结构设计中，提出了多种不同类型、不同尺寸的氮化硅陶瓷支柱绝缘子模型整体优化设计方案，并采用多个软件进行建模仿真，计算陶瓷支柱绝缘子在电场、电-热耦合场、电-热-流体耦合场的服役可靠性。研发团队调整陶瓷支柱外形轮廓尺寸，并采用缩比模型进行性能验证，确定采用“啤酒瓶”形状的支柱。这种构型加工难度小，机械应力小，电场分布好。该新型氮化硅陶瓷支柱与阿尔斯通公司传统支柱相比体积减小50.9%，在电、热、机械等各项指标上均优于阿尔斯通公司传统支柱。*后，研发团队基于设计的氮化硅陶瓷支柱，优化设计适配的底部及顶部金具，使支柱绝缘子及配套组件外形结构与特高压直流六氟化硫气体内绝缘穿墙套管内部结构匹配。

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