CN102893362B - 极快瞬变抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的主题是用于抑制极快瞬变(1,1a,1b)的装置(其可应用于保护性电子设备和/或电力设备中)，并且尤其是在电力变电站中和风力电厂中操作的变压器(其连接在断路器的供电网络电路下游和受保护设备的上游)。根据本发明的装置是电感特性的组件(1,1a,1b)，包括布置在电流传导导线(3)周围的高频磁芯(2)。在磁芯(2)上，缠绕有具有用于连接至少一个阻尼电阻器(7)的至少一对端子(6)的至少一个绕组(4,4a)。本发明的装置含有其中放置有磁芯(2)连同阻尼电阻器(7)和绕组(4,4a)的绝缘体(8)，或者含有其中放置有磁芯(2)连同阻尼电阻器(7)、绕组(4,4a)和电流传导导线(3)的分段的绝缘体(8a)。

Description

极快瞬变抑制装置

本发明的主题是用于抑制极快瞬变的装置(其可应用于保护电子设备和/或电力设备、并且尤其是在电力变电站中和风力电厂中操作的变压器中)，其连接在断路器的供电网络电路下游和受保护设备的上游。

在操作含有真空断路器的开关柜和电力变电站中的电力设备期间，在接通以及断开断路器的操作过程中，电力设备易遭受极快瞬变，这对于被操作设备而言是危险的。例如，当通过真空断路器接通或断开变压器时，生成极快瞬变。变压器经常通过长几十米或几百米的线缆与断路器连接。低值阻抗和微小线缆损耗引起生成的极快瞬变的幅度由连接点处的波反射放大，这可大大超过供电电压的额定值，并且这种瞬变的频率范围可从数百kHz到数MHz那么多。因而，极快瞬变可破坏变压器绝缘或其绕组。数十或数百kV/μs的短上升时间的电压和累积在变压器绕组上的频率范围从几百kHz到许多MHz的振荡使绝缘降级，并且结果导致其击穿和内部故障。因此，存在通过使用附加保护性组件或装置消除或降低极快瞬变的破坏性作用的需要。通常，与断路器触点并联连接的变阻器电涌放电器、电容在几百nF数量级的电涌电容器、RC滤波器和预先插入的电阻器被用作附加组件或装置，对抗极快瞬变的破坏性发生。

使用变阻器电涌放电器确保瞬变幅度降低的极大有效性，但它不改变电压波的上升速率。此外，由于这个类型抑制器的操作特性，生成附加高频电压分量。

基于特征为大电容值的电涌电容器和R-C滤波器的解决方案是有效的，但这些都具有大尺寸和重量，这使得将它们放在具有受保护装置或断路器的公共外壳中相当困难。此外，尽管R-C滤波器提供了针对大幅度干扰的良好保护，但第一电压波的上升速率在许多情况下不降低，这显著影响了受保护设施的保护等级。它尤其发生在断路器与受保护设备之间的连接比较短时。然后，与断路器触点系统并联连接的预先插入的电阻难以安装，并且它们需要附加触点。此外，在这种电阻器上发射的大功率以及与其耗散相关的问题绝不是无关紧要的。

用于减少极快瞬变的另一个解决方案是串联连接并具有特别选择的参数的R-L电抗器形式的装置。它们充当用于所施加电压的低频的微小电阻的导体，以及充当用于在连接现象期间发生的较高频率的附加系列阻抗。这些装置的特征是在稳定条件下的操作期间它们自己阻抗上的低压降以及耗散的小值功率。然而，尽管这些装置在抑制极快瞬变上非常有效，但它们都具有某些不便特征，即它们的尺寸取决于流过这些装置的电流值，并且在大值故障电流流过期间耗散的显著功率可导致它们的热破坏。上面提到的不便阻止了将这种类型解决方案用于位于通过电力电缆与风力发电厂连接的电力变电站中的开关柜中的安装。

所有提出的解决方案或者无法确保完全保护（这是变阻器瞬变抑制器的情况），或者在正常操作条件期间电力网中存在这些装置对于50/60Hz的操作频率在这些装置中引起附加电力耗散。因此，提出的解决方案作为完全保护工作在变电站中或在风力发电厂中的变压器的装置是不可接受的。这种装置与开关柜和风力发电厂的不便结合由于机舱吊舱（nacellegondola）中或风力发电机塔中可用的有限空间阻止了它们用在这些情况下。

专利说明书US6642806揭示了允许降低瞬变发生的频率和/或幅度值的方法，其包括在传导电流的导线周围放置高磁通率磁芯。使用磁芯允许减小保护设备免于瞬变的装置的尺寸。如果使用根据提出的解决方案的装置，则效率由于仅通过芯的磁材料的损失抑制瞬变的潜在振荡的效率有限而可能是不充分的。

这种类型解决方案的附加缺点是芯饱和，并由此在极快瞬变发生过程结束之前损失装置的功能性。

专利说明书WO2008/040128揭示了允许基于布置在一段电流传导导线周围的磁材料的芯以及分流该段电流传导导线的电阻器降低极快瞬变值的方法。这个解决方案的不便之处是需要在分流电阻器与电流路径之间进行电连接，这要求电流路径的相当大的修改。

GB1187410的专利说明书揭示了抵消由于断路器中断引起的电压电涌的布置。在该布置中，电传导导线与断路器的中断触点连接。该传导导线被铁磁材料的单独芯围绕，并与该芯组合构成与中断触点串联连接的高频电感装置。该芯承载两端连接电阻器的次级绕组。

用于抑制发生在电流传导导线中的极快瞬变的装置(其是电感特性的组件并且含有布置在电流传导导线周围的高频磁芯并且在磁芯上缠绕有具有用于连接至少一个抑制电阻器的至少一对端子的至少一个绕组)的实质是它含有包括磁芯与阻尼电阻器和绕组的绝缘体或含有包括磁芯与阻尼电阻器、绕组和电流传导导线的分段的绝缘体。

优选地，该装置在其第二实施例中是中压配电盘的绝缘套管。

优选地，该磁芯备选由非结晶带制成。

优选地，该磁芯备选由粉状材料制成。

本发明装置的优点是其有效抑制可发生在使用真空断路器进行开关操作期间的、范围从数百kHZ到数MHz的极快过程的最高频率的能力，这是因为其阻抗取决于操作频率，并且这个阻抗随着频率的增大而增大。单匝初级绕组是电流路径，因此有可能构造具有小尺寸的装置。由于本发明装置的小尺寸，所以它可用于保护在风力发电厂中操作的变压器，这是因为这个装置以及本发明的套管可位于远离变压器位置的开关柜和/或电力变电站中。本发明套管的特征是甚至对于流过这个套管的大值电流也是小尺寸。该套管具有简单的设计并且方便使用。它可被用作现有开关柜和/或电力变电站的附加设备，并且它的使用不需要重大修改。引入一个或多个附加电阻器大大提高了瞬变抑制的有效性，并使它有可能控制保护性装置的芯的饱和度等级。

作为附图中的实施例呈现本发明装置，附图中：

图1示出了包含具有电阻器的单匝线圈形式的绕组的装置的透视图；

图2示出了包含具有电阻器的多个单匝线圈形式的绕组的装置的透视图；

图3示出了具有绕组分段形式的绕组的装置的透视图，在这些分段之间以阻尼电阻器与绕组分段一起形成闭合电路的这种方式串联连接阻尼电阻器；

图4示出了具有用于抑制极快瞬变的本发明装置的电缆端子的纵剖面；

图5示出了具有用于抑制极快瞬变的装置的本发明套管的纵剖面；

图6示出了适合于用在电缆连接中的磁芯的纵剖面；

图7示出了作为相对彼此串联定位的一组芯制成的磁芯的透视投影；

图8示出了作为相对彼此同心定位的一组芯制成的磁芯的透视投影；

图9示出了使用本发明装置作为电缆连接的附件；以及

图10示出了使用该装置作为电缆端子的附件。

本发明装置1包括围绕电流传导导线3布置的高频磁芯2和闭合绕组电路4。在所提出的实施例中，以具有端口5的环形式制成磁芯2。在操作条件下，磁芯2可具有不同的形状，并且平行于端口5的平面中的其横截面例如可具有正方形、椭圆形或三角形框架的形式，它们在附图中未被示出。位于磁芯的端口5中的电流传导导线3是初级绕组。绕组4与一个或多个阻尼电阻器一起形成闭合电路。绕组4由装配有至少一对端子6的至少一个导电线圈形成，其中连接了抑制电阻的阻尼电阻器7，其对于给定应用确保有效降低或抑制极快瞬变。磁芯2由高磁通率的磁材料(优选由纳米晶体材料)制成，并且在本发明的最简单实施例中它是单环。在另一个实施例中，磁芯2a是具有其直径适应于含有电流传导导线3的组件形状的端口5的环。在又一实施例中，磁芯2b由相对彼此串联布置的一组许多环组成。在又一实施例中，磁芯2c由相对彼此同心定位的至少两个环形成。

装置1包括绕组4，绕组4是具有至少一个电阻器7的单个线圈。这个线圈缠绕在磁芯2上。

在本发明的另一实施例中，图2中示出的装置1a含有许多绕组4，绕组4具有连接到它们的端子6的电阻器7。在该示例的又一实施例中，图3中示出的装置1b含有绕组4a，绕组4a是以分段形式制成的，在这些分段之间抑制电阻器7以与绕组4a的分段一起它们形成闭合电路的这种方式串联连接。

在本发明的操作条件下，电阻器7的数量取决于它们的额定功率以及它们耗散它们之上发射的功率的能力。

使用用热固材料模制并且特别是用环氧树脂、聚氨酯树脂或硅酮填充复合物模制的已知工艺将以任何形式制成的本发明装置放在绝缘体8、8a中。

绝缘体8a与芯和具有电阻器和杆形式的电流传导导线的分段或线缆分段的一个或多个绕组电路一起是绝缘套管形式的技术成品，如图5所示。以这种方式制造的套管可应用于各种电力设备中以降低极快瞬变的破坏性作用，并且它连接到断路器的开关柜下游和受保护设备的上游。

绝缘体8与芯和具有电阻器的一个或多个绕组电路一起具有端子9，其允许将整个绝缘体8与本发明装置一起放在一段电缆端子12或在一段电缆连接11上(其内部有电流传导导线3)，分别如图9和10所示。此外，负载10连接到电缆屏蔽以便提供电缆屏蔽接地。以这种方式制造的装置可应用为各种类型电力设备中电缆端子的附件以降低极快瞬变的破坏性作用，并且它连接到断路器的开关柜下游和受保护设备的上游。

在操作条件下，VFT抑制装置对于50/60Hz的操作频率的阻抗可被忽略。它随着所施加电压频率的增大而增大。对于非常大的频率，其值接近源于连接到该绕组的电阻值(其转换到由电流传导导线形成的单匝初级绕组侧)的值。含有一个或多个磁芯的装置1、1a、1b的电感越大，所得到阻抗接近由抑制电阻器的电阻确定的极限值的频率越低。因此，有益的是在装置中使用磁芯，这使得有可能获得由电流传导导线形成的单匝线圈的适当大的电感。由于该装置对于高频率的阻抗具有电阻性特性并且它串联连接在具有大上升速率的瞬变源(其源是真空断路器)与受保护装置之间的事实，有可能获得其到地电容和电缆电容(在电缆连接的情况下)与VFT抑制装置的阻抗一起形成低通滤波器的受保护装置的端子上电压的上升速率显著下降。使用连接到缠绕在磁芯上的绕组的电阻器消除了将电阻器电连接到电流传导导线的需要。抑制电阻器的电阻值应该选择成获得设备的受保护段的端子上电压上升速率的最大下降，并且同时避免由抑制装置的电感和受保护设备的电容产生的电路中的振荡瞬变。因此，抑制电阻器的电阻选择必须对于使用的磁芯的特定材料和大小并对于受保护设备的电容进行。以满足上面提到的标准为目的的这种选择在电气工程专业知识和技能范围内。

Claims (4)

1.一种用于抑制发生在电流传导导线(3)中的极快瞬变的装置，所述装置是电感特性的组件(1,1a,1b)，包括布置在所述电流传导导线(3)周围的高频磁芯(2)，在所述磁芯(2)上缠绕有具有用于连接至少一个阻尼电阻器(7)的至少一对端子(6)的至少一个绕组(4,4a)，其特征在于：它含有其中放置有磁芯(2)连同阻尼电阻器(7)和绕组(4,4a)的绝缘体(8)，或者含有其中放置有磁芯(2)连同阻尼电阻器(7)、绕组(4,4a)和电流传导导线(3)的分段的绝缘体(8a)，

其中，所述绕组连同所述阻尼电阻器形成闭合无源电路。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：它是中压开关柜的绝缘套管。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述磁芯由非结晶带制成。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述磁芯由粉状材料制成。