CN113740684A - 可调式电容矩阵装置、标准冲击电流试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可调式电容矩阵装置、标准冲击电流试验装置及试验方法，涉及接地测试技术领域，其技术方案要点是：包括并联单元，每个并联单元设有多个独立放电单元；独立放电单元包括第一充电电阻、第二充电电阻、电容器、连接支架、高压母线排、低压母线排以及两个放电球；相邻独立放电单元中的第一充电电阻依次串联后连接电源端，相邻独立放电单元中的第二充电电阻依次串联后接地；电容器的一端与第一充电电阻的一端连接，另一端与第二充电电阻的一端连接；电容器的两端均连接有多端金属连接臂；本发明通过调节冲击放电回路的电容值实现最小损失电流峰值的条件下对输出波形进行调节，解决工程现场测量实施过程中难以输出标准冲击大电流的问题。

Description

可调式电容矩阵装置、标准冲击电流试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及接地测试技术领域，更具体地说，它涉及可调式电容矩阵装置、标准冲击电流试验装置及试验方法。

背景技术

接地装置是电力系统防雷以及提供接地电位的重要基础设施，其冲击散流性能直接影响输电系统安全及稳定运行。目前，工程实际中关于接地系统冲击性能的测试应用较少，多是采用工频接地电阻与冲击系数的乘积等效冲击接地电阻。但这种等效结果同实际冲击接地电阻值存在较大差异，难以满足工程中逐渐提高的对接地性能的要求。

采用冲击大电流作为激励源可以更加真实的反映接地系统的冲击散流性能。但是可用于实际接地装置的冲击大电流发生器体积庞大，难以移动，很难运送至偏远地点的杆塔接地装置附近。同时，对工程接地装置进行实测，需在远端布置回流电极，回流导线产生的电感增加了回路阻抗，使得产生冲击大电流更加困难，通过增大冲击电容容量来增大电流峰值，会进一步增加设备的体积及重量。为了使不同对象及装置的测试结果具有统一的衡量标准，在接地测试中，需要使得冲击电流的波形参数(波头、波尾时间、反峰)满足标准冲击电流波形要求。但是波形参数受多种因素影响。标准冲击电流波形需要回路中的电容、电感、电阻值需满足特定映射关系，而不同接地装置具有不同的接地电阻，且不同尺寸形状的接地装置所对应的回流极位置也不相同，回流引线所带来的回路阻抗也不相同。同时这些因素在现场测量时极难改变，若是仅仅通过添加阻抗的方式以匹配阻容关系，会极大降低冲击电流峰值，失去冲击性能测试的意义。

因此，如何研究设计一种可调式电容矩阵装置、标准冲击电流试验装置及试验方法是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供可调式电容矩阵装置、标准冲击电流试验装置及试验方法，通过可变电容值的方式以达到回路参数匹配的方法，且通过模块化的冲击电流发生器装置及电容匹配控制系统，即使得搬运方便，又可适用于种接地系统现场实测。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了可调式电容矩阵装置，包括至少一个并联单元，每个并联单元设有多个独立放电单元；

独立放电单元包括第一充电电阻、第二充电电阻、电容器、连接支架、高压母线排、低压母线排以及两个间隙分布的放电球；

相邻独立放电单元中的第一充电电阻依次串联后连接电源端，相邻独立放电单元中的第二充电电阻依次串联后接地；

电容器的一端与第一充电电阻的一端连接，另一端与第二充电电阻的一端连接；电容器的两端均通过导线连接有多端金属连接臂；

当两个多端金属连接臂分别连接两个放电球时，相邻两个独立放电单元之间串联连接；当两个多端金属连接臂分别连接高压母线排、低压母线排时，相邻两个独立放电单元之间并联连接。

进一步的，所述电容器为干式电容器。

进一步的，所述连接支架设有机械联动传动装置，机械联动传动装置响应于第一控制信号后控制相应多端金属连接臂作出相应的连接动作。

进一步的，所述机械联动传动装置响应于第二控制信号后控制相应的两个放电球相向或背向移动，以通过调节球隙间距匹配相应电容器的充电电压。

进一步的，所述独立放电单元之间以堆叠搭建方式集成，且第一充电电阻、第二充电电阻、电容器、高压母线排、低压母线排的连接导线均以固定集成方式布设。

第二方面，提供了多种接地系统现场实测的标准冲击电流试验装置，包括控制模块、充电模块、储能模块、电容矩阵模块和调波模块，充电模块、储能模块、电容矩阵模块、调波模块均与控制模块电性连接，电容矩阵模块为第一方面中任意一项所述的可调式电容矩阵装置；

控制模块，用于根据输入调控信息生成启动信号、第一控制信号以及调波信号；

充电模块，用于响应于启动信号后对储能模块的输出电压进行整流和升压处理，并输出标准电压；

电容矩阵模块，用于响应于第一控制信号后调节电容矩阵中并联单元的并联组数以及同一并联单元中独立放电单元的串并联数量；

调波模块，用于响应于调波信号后通过调节调波电感和调波电阻以使电容矩阵模块输出的电流波符合标准冲击电流波。

进一步的，所述控制模块、充电模块、储能模块、电容矩阵模块和调波模块均采用集成化设计，各个模块之间通过至少一根集成电缆连接，模块间的接头处采用多针孔矩阵形式转换连接。

进一步的，所述控制模块、充电模块、储能模块、电容矩阵模块和调波模块中的子模块插入配套集成架中组成子模块堆，各子模块的能量及数据通过集成架的插扣连接后进行互相传递。

第三方面，提供了多种接地系统现场实测的标准冲击电流试验方法，包括以下步骤：

根据接地电阻值和回流导线长度计算回路中的电感及电阻值；

结合所需的冲击电流峰值以及回路中的电感、电阻值计算得到最优适配的冲击电容值和电容容量；

根据计算得到的冲击电容值和电容容量调节如权利要求1-5任意一项所述的可调式电容矩阵装置中并联单元的并联组数以及同一并联单元中独立放电单元的串并联数量，以实现冲击电流发生器的电容值及容量调整。

进一步的，所述冲击电容值和电容容量的最优适配计算具体为：在输出为标准冲击电流波形的基础上，回路中需要增加的调波电感为零或最小，增加的调波电阻最小；保证在一定容量冲击电容条件下，输出的冲击电流峰值最大。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的可调式电容矩阵装置可以灵活增减电容数量以改变放电回路电容容量，通过可变电容值的方式以达到回路参数精准匹配的目的，以满足特殊情况的容量需求，具有灵活性强，适用范围广等特点；

2、本发明可以通过调节冲击放电回路的电容值实现最小损失电流峰值的条件下对输出波形进行调节，以满足标准冲击波形需求，解决工程现场测量实施过程中难以输出标准冲击大电流的问题；

3、本发明可以对放电参数进行分析并自动计算得出最优的电容矩阵配置方案，输入回流导线长度、接地电阻以及所需冲击电流峰值要求，即可给出最方便实现的电容矩阵配置方案，如行、列数，距离接地网距离及最优调波阻抗参数；同时，电容矩阵配置方案的控制信号经光纤传输到电容矩阵基座，控制其中的机械传动装置自动调节放电球隙间距，以及控制连接端头上的多端金属连接臂动作，实现全过程自动、远程操控。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中独立放电单元的结构示意图；

图2是本发明实施例中电容矩阵串-并联模式下的局部示意图；

图3是本发明实施例中电容矩阵并-并联模式下的局部示意图；

图4是本发明实施例中的系统框图；

图5是本发明实施例中的流程图；

图6是本发明实施例中冲击特性测试的电容矩阵示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

101、壳体；102、第一充电电阻；103、第二充电电阻；104、电容器；105、连接支架；106、放电球；107、多端金属连接臂；108、低压母线排；109、高压母线排。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：可调式电容矩阵装置，如图1与图2所示，包括至少一个并联单元，每个并联单元设有多个独立放电单元。独立放电单元包括第一充电电阻102、第二充电电阻103、电容器104、连接支架105、高压母线排109、低压母线排108以及两个间隙分布的放电球106。

如图1与图2所示，相邻独立放电单元中的第一充电电阻102依次串联后连接电源端，相邻独立放电单元中的第二充电电阻103依次串联后接地。电容器104的一端与第一充电电阻102的一端连接，另一端与第二充电电阻103的一端连接；每个电容器104配有独立的可控电触发放电球106隙以及连接端头，连接端头上具有多端金属连接臂107，可以实现不同电容器104串并连连接模式，并以连接支架105固定为标准小单元。

如图2与图3所示，当两个多端金属连接臂107分别连接两个放电球106时，相邻两个独立放电单元之间串联连接。当两个多端金属连接臂107分别连接高压母线排109、低压母线排108时，相邻两个独立放电单元之间并联连接。

电容器104采用干式电容器104以降低设备重量以及体积，每个独立放电单元的重量为30kg，以保证野外试验现场可人力安装的可能性。

连接支架105设有机械联动传动装置，机械联动传动装置响应于第一控制信号后控制相应多端金属连接臂107作出相应的连接动作，以便实现多个单元之间连接的机械传动。

机械联动传动装置响应于第二控制信号后控制相应的两个放电球106相向或背向移动，以通过调节球隙间距匹配相应电容器104的充电电压，可实现放电球106隙的控制信号输入以及球隙间距调节的机械传动。

独立放电单元之间以堆叠搭建方式集成，且第一充电电阻102、第二充电电阻103、电容器104、高压母线排109、低压母线排108的连接导线均以固定集成方式布设。

独立放电单元可采用堆叠搭建的方式，并配以信号输入及机械联动传动装置，构建电容矩阵。电容矩阵中独立放电单元的行、列数可根据情况改变，可实现多台电容器104以任意串、并联工作模式的工作现场快速人力组装。

需要说明的是，机械联动传动装置既包括了开关驱动功能，又包括了间距调节功能，可通过现有功能进行集成设计。此外，独立放电单元独立封装在一个壳体101。

实施例2：多种接地系统现场实测的标准冲击电流试验装置，如图4所示，包括控制模块、充电模块、储能模块、电容矩阵模块和调波模块，充电模块、储能模块、电容矩阵模块、调波模块均与控制模块电性连接，电容矩阵模块为实施例1中记载的可调式电容矩阵装置。

控制模块，用于根据输入调控信息生成启动信号、第一控制信号、第二控制信号以及调波信号。充电模块，用于响应于启动信号后对储能模块的输出电压进行整流和升压处理，并输出标准电压。电容矩阵模块，用于响应于第一控制信号后调节电容矩阵中并联单元的并联组数以及同一并联单元中独立放电单元的串并联数量。；调波模块，用于响应于调波信号后通过调节调波电感和调波电阻以使电容矩阵模块输出的电流波符合标准冲击电流波。

控制模块、充电模块、储能模块、电容矩阵模块和调波模块均采用集成化设计，各个模块之间通过一根集成电缆连接，模块间的接头处采用多针孔矩阵形式转换连接。整合各类输入、输出信号。使得各模块之间一键组装拆卸，便于分拆运输，以及现场组装使用。

控制模块、充电模块、储能模块、电容矩阵模块和调波模块中的子模块插入配套集成架中组成子模块堆，各子模块的能量及数据通过集成架的插扣连接后进行互相传递。例如，插扣类似于固定式的手机充电接口或电脑电源接头，此设计便于减小最小可拆卸模块的体积与重量，便于野外现场运输搬运。集成化插扣联接易于冲击电流发生器的现场快速组装。

实施例3：种接地系统现场实测的标准冲击电流试验方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1：根据接地电阻值和回流导线长度计算回路中的电感及电阻值；

S2：结合所需的冲击电流峰值以及回路中的电感、电阻值计算得到最优适配的冲击电容值和电容容量；

S3：根据计算得到的冲击电容值和电容容量调节如实施例1中记载的可调式电容矩阵装置中并联单元的并联组数以及同一并联单元中独立放电单元的串并联数量，以实现冲击电流发生器的电容值及容量调整。

冲击电容值和电容容量的最优适配计算具体为：在输出为标准冲击电流波形的基础上，回路中需要增加的调波电感为零或最小，增加的调波电阻最小；保证在一定容量冲击电容条件下，输出的冲击电流峰值最大。

实施例4：以杆塔接地装置冲击特性测试为例。

已知杆塔接地装置有效直径为20米，冲击接地电阻为3Ω，回路总电阻约30Ω。冲击电流要求波形为8/20(±10％)μs，冲击电流峰值要求大于10kA。单个电容器104单元为100kV，1μF。

结果表明：冲击电流发生器距离接地装置50m可以有效测得接地装置冲击特性，回路电感约50μH，匹配90μH左右的可调调波电感。搭建0.6μF、500kV电容矩阵可满足参数需求。

如图6所示，电容矩阵采用15个独立放电单元，其中每5级串联为1组，3组并联连接，既采用5行3列，列中串联，列间并联的矩阵结构。此时电容矩阵呈现为0.6μF、500kV的电容参数。配合此时回路电阻30Ω，回路电感140μH，输出电流为约12kA的冲击电流波。

工作原理：本发明可以对放电参数进行分析并自动计算得出最优的电容矩阵配置方案，输入回流导线长度、接地电阻以及所需冲击电流峰值要求，即可给出最方便实现的电容矩阵配置方案，如行、列数，距离接地网距离及最优调波阻抗参数；同时，电容矩阵配置方案的控制信号经光纤传输到电容矩阵基座，控制其中的机械传动装置自动调节放电球106隙间距，以及控制连接端头上的多端金属连接臂107动作，实现全过程自动、远程操控。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.可调式电容矩阵装置，其特征是，包括至少一个并联单元，每个并联单元设有多个独立放电单元；

独立放电单元包括第一充电电阻(102)、第二充电电阻(103)、电容器(104)、连接支架(105)、高压母线排(109)、低压母线排(108)以及两个间隙分布的放电球(106)；

相邻独立放电单元中的第一充电电阻(102)依次串联后连接电源端，相邻独立放电单元中的第二充电电阻(103)依次串联后接地；

电容器(104)的一端与第一充电电阻(102)的一端连接，另一端与第二充电电阻(103)的一端连接；电容器(104)的两端均通过导线连接有多端金属连接臂(107)；

当两个多端金属连接臂(107)分别连接两个放电球(106)时，相邻两个独立放电单元之间串联连接；当两个多端金属连接臂(107)分别连接高压母线排(109)、低压母线排(108)时，相邻两个独立放电单元之间并联连接。

2.根据权利要求1所述的可调式电容矩阵装置，其特征是，所述电容器(104)为干式电容器(104)。

3.根据权利要求1所述的可调式电容矩阵装置，其特征是，所述连接支架(105)设有机械联动传动装置，机械联动传动装置响应于第一控制信号后控制相应多端金属连接臂(107)作出相应的连接动作。

4.根据权利要求3所述的可调式电容矩阵装置，其特征是，所述机械联动传动装置响应于第二控制信号后控制相应的两个放电球(106)相向或背向移动，以通过调节球隙间距匹配相应电容器(104)的充电电压。

5.根据权利要求1所述的可调式电容矩阵装置，其特征是，所述独立放电单元之间以堆叠搭建方式集成，且第一充电电阻(102)、第二充电电阻(103)、电容器(104)、高压母线排(109)、低压母线排(108)的连接导线均以固定集成方式布设。

6.多种接地系统现场实测的标准冲击电流试验装置，其特征是，包括控制模块、充电模块、储能模块、电容矩阵模块和调波模块，充电模块、储能模块、电容矩阵模块、调波模块均与控制模块电性连接，电容矩阵模块为权利要求1-5任意一项所述的可调式电容矩阵装置；

控制模块，用于根据输入调控信息生成启动信号、第一控制信号以及调波信号；

充电模块，用于响应于启动信号后对储能模块的输出电压进行整流和升压处理，并输出标准电压；

电容矩阵模块，用于响应于第一控制信号后调节电容矩阵中并联单元的并联组数以及同一并联单元中独立放电单元的串并联数量；

调波模块，用于响应于调波信号后通过调节调波电感和调波电阻以使电容矩阵模块输出的电流波符合标准冲击电流波。

7.根据权利要求6所述的多种接地系统现场实测的标准冲击电流试验装置，其特征是，所述控制模块、充电模块、储能模块、电容矩阵模块和调波模块均采用集成化设计，各个模块之间通过至少一根集成电缆连接，模块间的接头处采用多针孔矩阵形式转换连接。

8.根据权利要求6所述的多种接地系统现场实测的标准冲击电流试验装置，其特征是，所述控制模块、充电模块、储能模块、电容矩阵模块和调波模块中的子模块插入配套集成架中组成子模块堆，各子模块的能量及数据通过集成架的插扣连接后进行互相传递。

9.多种接地系统现场实测的标准冲击电流试验方法，其特征是，包括以下步骤：

根据接地电阻值和回流导线长度计算回路中的电感及电阻值；

结合所需的冲击电流峰值以及回路中的电感、电阻值计算得到最优适配的冲击电容值和电容容量；

根据计算得到的冲击电容值和电容容量调节如权利要求1-5任意一项所述的可调式电容矩阵装置中并联单元的并联组数以及同一并联单元中独立放电单元的串并联数量，以实现冲击电流发生器的电容值及容量调整。

10.根据权利要求9所述的多种接地系统现场实测的标准冲击电流试验方法，其特征是，所述冲击电容值和电容容量的最优适配计算具体为：在输出为标准冲击电流波形的基础上，回路中需要增加的调波电感为零或最小，增加的调波电阻最小；保证在一定容量冲击电容条件下，输出的冲击电流峰值最大。

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