气动开关及其在高压试验设备中的应用.pdf

一 2 0 0 2年第 6期 NO． 6 2 002 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ ． Ca b l e 气动开关及其在高压试验设备 中的应用 械 德 上 海电缆研究所 ， 上海 2 0 0 O 9 3 2 0 0 2年 1 2月 De c ．． 2 0 02 摘 要 为满足 油纸绝缘模拟 结构 的特 殊 电气性 能试验 的要求 ， 研 制 了新颖 的气动 开关。文 中介绍 了气动 开 关 结构设计和 气动控 制 系统 ． 及其在 高压试验设 备 中的应 用。 关 键 词 油纸 绝 缘 模 拟 结 构 ； 高压 试 验 设 备 ； 气 动 开 关 ； 气 动 控 制 系 统 中图分类号 TM2 0 6 ； TM2 7 ． 2 文献标识码 A 文章编号 3 1 1 3 9 2 2 0 2 0 6 0 0 3 7 0 4 Pne u m a t i c s wi t c h a n d i t s a ppl i c a t i o n i n HV t e s t a pp a r a t u s W AN ShU d e Sha n gh a i El e c t r i c al Cab l e Re s e a r c h I ns t i t u t e．Sha ngh ai 2 00 09 3．Chi na Ab s t r a ct A n ew pne uma l i c s wi t c h was d ev el o pe d i n or de r t o me e t t h e r e c t ui r emen l s of s pe c i al el e c t r i c t e s t f o s i mul at e d oi l - i m p r e gn a t e d pa p er i ns u l a t i o n s ys t e m ．Thi s pap e r pr e s e nt s t he d e s i gn of pne uma t i c s wi t ch a n d 1 he pn eu ma t i c c o nt r ol s ys t e m a s we l l a s t h e a ppl i c a t i o n of pn eu m a t i c s wi t ch i n HV t e s l a ppa r at u s． Ke y wo r dss i m ul a t e d oi l i m p r e gn a t e d p a pe r i ns u l a t i o n s y s t em ；HV t e s t a pp ar at u s；pn eu mat i c s wi t c h；p ne u m a t i c c ont r ol s vs t e n l l 引 言 2 3 0 0 k V 冲击 电压发 生器 随着 输 变 电系 统 的 增 长 ， 国外 高 压 电缆 朝 着 特 高 压 、 多品 种 、 大容 量 方 向 发 展 。1 9 7 4年 ， 美 、 日、 苏 等 国 普遍 投 运 5 0 0 k V 自容 式 或 钢 管 式 充 油 电 缆 。 与 此 同时 ， 各 国正 致 力 于 新 型 合 成 绝缘 带 代 替纤 维 纸 的研 究 ， 并不 断 改进 现 有 的油纸 结 构 。 这些 研 究工 作 ， 主 要是 采 用油 纸绝 缘模 拟 结构 进 行 电气试 验 ， 寻 找性能优 良的新型绝缘材料 ， 满足更高电压等级 的 特 高压 充 油 电缆 的需 要 j 。 上 海 电缆 研 究 所作 为行 业 中 心 ， 除 了参 与 高 压 充 油 电缆及 附 件 的开 发工 作 外 ， 历 来 重视 基 础研 究 。 早在上世纪 7 0年代， 也相应建立了油纸绝缘模拟结 构 电气试 验 室 。该 试验 室 的 高压试 验 设备 参 数虽 然 不高， 但有明显的技术特点 ． 即必须满足超高压输电 或 特殊 场合 下绝 缘 配合 试 验 的特殊 要 求 。 按 I E C6 0 0 7 1 ． 1 “ 绝 缘 配合 ” 的规 定 ， 只要 当设 备 最高电压 u ≥3 0 0 k V 时， 必须进行标准操 作冲击 试验 ； 为配 合直 流输 电研究 直 流 电缆 的绝 缘 特性 ， 必 须进行极性转换试验。本文正是围绕这些特殊试验 要求 ， 介绍新颖的气动开关及其在 高压试验设备中 的应 用 。 收稿 日期 2 0 0 2 0 5 2 9 作者 简介 万树 德 1 9 4 1 一 ， 男 ， 江苏 高 邮人 ， 教授级 高 级工程 师． 作者地 址 上海市 军工路 1 0 0 0号]- 2 0 0 0 9 3 ] ． 1 9 7 2年 底 ， 笔 者 接 到 3 0 0 k V 冲击 电压 发 生 器 的设计 任 务 ， 其技 术 要求 为 试 样 电容 油 纸 绝缘 模 拟 结 构 2 0 0 ～3 0 0 p F， 最 大 1 0 0 0 p F。 电压波形 雷 电冲击波 1 ． 5 ／ 4 0／ * s ； 标 准操 作 冲击 波 2 5 0 ／ 2 5 O 0／ * s 。 输 出电压 最 高 2 0 0 k V。 我们经过充分的技术分析和验证试验 ， 采用如 图 1所 示 的 主 接 线 电气 线 路 图 ， 这 是 典 型 的 Ma r k 高 效率 回路 ， 级 电压 6 0 k V。 主 电容 利 用 陈 旧的余 弦 电 容 器 KM一 1 0 ． 5 1 0 ． 2 8 F ， 每 级 二 只 电容 器 串联 。 点 火球 G 和每 级铜 球 G 为三 电极 系统 ． 简 易 的 变 压器 高 压 交 流 点 火 的 方式 ， 保 证 了点 火 可 靠且 同步性能 良好 。下面将对充 、 放电回路 ， 波形参数和 发生 器 效率 作进 一 步 分析 。 从 放 电 回路来 分析 为 了得 到 合适 的标 准操 作 波 ， 必须 要有很 大阻值 的波 首电阻 R r 和波尾 电阻 R 。 这指 当主回路同步放电时 ， 充 电电阻将参与放电 回路 ， 不但 影 响 操作 波 波形 参 数 ， 也造 成 发生 器效 率 降低 。为此 ， 必须采用非常高阻值 的充电电阻 ， 这又 对 充 电 回路 带来 新 的难 题 。 从充 电回路来分析 如果充 电电阻很大 ， 则将使 回路 的充 电时 间非 常长 ， 并 且 由于 电晕 和 泄漏 电 流 ， 会造成充 电的极不均匀。 这不但使充 电变得很困难 ， 维普资讯 一 2 0 0 2年第 6 期 No．6 20 02 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ Ca b l e 2 0 0 2年 1 2 月 De c ．， 2 0 0 2 也 同样 影 响到 发 生器 效率 。 R- R。 c x 图 1 3 0 0 k V 冲击 电压试验装置 主电气线路 图 L 一 限流电抗器 D 一 高压硅堆 风一气动 开关G一 7 5铜球 对 G 一点 火球c一主 电容器R 一 波尾电阻 Rf一 波首电阻 cI 一负荷 电容器C 一试样C 一 电容分压器 R t C C 图 2日纳 弟 冲击 发 生 器 电路 图 C 一 主电容器R 一波尾 电阻R f 一波首 电阻 S 1 一第 l套气动开关S 2 一第 2套气动开 关 为解决上述难题 ， 我们分析 了多种方案 。根据 文献 E z ] 介绍法 国 日纳弟高压试验室 的冲击 电压发 生器是采用气动开关代替充电电阻 的方案。如图 2 所示 日纳 弟冲击发生器电路图 ， 在充 电过程 中第 1 套气动开关 S 。 闭合 ， 而在触发放 电之 前立即开断。 由于在标准操作波中所用的阻值非常的高的波头和 波尾电阻 R f 和 R ， 为 了使充 电时间不致 太长 ， 这 些电阻还需 由第 2套气动开关 S 。 来短路 J 。 文 献 中给 出 了开 关 的总 体 布置 和某 些 细节 。它 们 系 由一 些 转 角 为 4 5 。 的 转 臂组 成 。充 电电 流 由附 装 在 臂上 的金 属 箔 来 传 送 ， 箔 外 涂 以导 电漆 以减 弱 电晕 。 这些臂充以 0 ． 6 MP a压缩空气的汽缸分别操 纵 ， 所 以称 之 为气 动 开关 。 在研 制 3 0 0 k V 冲击 电压发生 器时 ， 应充 分考 虑到为了产生标准操作 的特殊要求 ， 将面临 的波形 参 数 和发 生 器效率 等 难题 。在 吸取 上 述气 动 开关 思 路 的基 础 上 ， 结 合 本设 备 低 参数 的特 点 ， 采 用 了 第 1 套 气 动 开关 即 图 1中 R 的方 案 。气 动 开 关 R。 的 结 构 ， 也 没 有 照 搬 转 动 臂 的 方 案 ， 而是 经 过 不 断 摸 索 ， 采取 了一种新颖结构 。实践证明， 我们确定 的方 案有其特色， 不但在主体结构上很容易实现 ， 而且运 行时控制简便 ， 并可取得较好 的技术效果。 B嫱 图 3新颖气 动开关结构 l 一绝缘 筒 2 一活塞杆3 一活 塞4 一 压簧 5 -O 型密封圈6 - - 气嘴 下 面将 进 一 步 介 绍 新 颖 气 动 开关 的 结 构 ， 见 图 3所示 。图中的活塞作为两个电极 A 和 B 之间的 开关 ， 当气 流从 气嘴进入 ， 将 活塞 瞬间从 A端 推向 B端运行 ， 开关处于断开位置。这时 ， 弹簧受压缩而 贮能 。 当气流 中断时 ， 弹簧释放弹力使活塞迅速运行 至 A端 ， 开关处于闭合位置。 活塞杆 的作用 ， 一方面 强制压缩弹簧 的位置 ， 同时也作为导 向杆 ， 使活塞运 行可靠 。 由此可见 ， 弹簧是气动开关 中重要元件 ， 它既是 一 种压缩贮能部件， 又是一个驱动机构 。 我们采用 Y 型压缩弹簧 ， 两端镀锡。根据不同的弹簧单丝直径 ， 成圈后 的外径和 自由长度 ， 经过反复试验 ， 我们选取 1 ． 2 mm1 2 mm3 0 5 mm 压 簧 弹簧单丝 直径 成圈后的外径 弹簧的 自由长度 。 显而易见 ， 压力气流是气动开关 的必备条件 ， 而 气动开关操作 的运行速度是关键 。当气流推动活塞 运行使开关断开时 ， 主电容器将有放 电倾向， 如果有 泄漏电流的发生 ， 会使发生器的效率降低。为此 ， 我 们 经过 一 系列 的试验 气 压 0 ． 0 4 ～0 ． 2 5 MP a ， 验 证 了当气压超过 0 ． 1 2 5 MP a时， 气动开关正常 动作 ， 考 虑到 各种 因素 ， 取恒 压 0 ． 5 MP a 。 为 了保 证 活塞 在 环氧玻璃布筒 相当于汽缸 中高速运 行， 活塞必须 维普资讯 ● 2 0 0 2 年第 6期 No． 6 2 00 2 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆． Ca b l e 2 0 0 2年 1 2月 De c．， 2 00 2 具备密封结构 ， 为此 采用了常规的 O 型密封圈 ， 达 到 了 良好 的密 封 和高 速运 行 的效 果 。 3 0 0 k V 冲击电压发生器经过二 十多年的运行 ， 证明新颖气动开关 的研制是成功的。我们除 了进行 大量的油纸绝缘模拟结 构雷电冲击试验 ， 还 承担 了 3 5 k V及 以下 电力 电缆等型式试验任务， 其工作量 很大 ， 操作频繁 。 同时 ， 也进行 了标准长波试验 ， 其效 率达 7 8 雷 电冲击波时为 8 9 ， 这样 高的效 率， 是采用气动开关代替充 电电阻才能达到的。 3 1 0 0 k V直流 电压 极性反转试 验设备 1 9 7 7年， 为配合舟 山直 流输 电工程 ， 研究 直流 电力电缆的特性 ， 笔者又接到研制1 0 0 k V直流电 压极性反转试验设备的任务。这是 为了满足油纸绝 缘模拟结构 的特殊电气试验 的要求 直流 电缆的极 性 反 转 试 验 ， 必 须 在 很 短 的 时 间 内 规 定 2 mi n 以 内 ， 倒换试样的极性 ， 且极性反转 时试样不允许放 电。这只能依赖试验设备 直流发生器 输 出电压极 性转换来实现的。图 4给出了试验接线图口 ] 。 V 图 4极 性 反 转 试 验 接 线 图 P T试验变 压器L一限流 电抗器 供极性转换 时用 Cl 脉动柱电容器 K一高压硅堆 c 2 一输 出柱 电容器S l uS 气动开关 C 一 油纸绝 缘模 拟结构试样V一 一 静 电电压表 图 4中虚线方框内为直流电压极性反转试验设 备接线 图。 这是典型的 2倍压线路 ， 极性反转是靠气 动开关 的开闭来实现的。 分析其接线 ， 当 S 、 S 开关 闭合 ， S 、 S 。 开关断开 时， 试样 c 上承受 负极 性 电 压 ， 反 之承 受正 极 性 电压 ， 由此 可见 ， 直 流 电压极 性 反转 试 验设 备 的研 制 ， 气动开关是关键部件 。鉴于该气动开关要在更高电 压 土1 0 0 k V 下运行， 为克服一端进气 的气动开关 固有缺陷， 我们进一步设计 了两端进气 的气动开关。 两种气动开关的结构大同小异 ， 主要 区别是两端进 气的气动开关 ， 已将活塞杆和压力弹簧去掉 ， 这样可 增 加开 关 内 的有效 绝缘 距 离 注 导 电 的压力 弹簧 的 存在会减小有效绝缘 的距离 。 为了保证活塞在绝缘 筒 内的稳定性 和电极 连接线的可靠性 ， 采用 了图 5 所 示 活塞 结 构 。 图 5活 幕 结 构 图 气动开关的设计 ， 既要在绝缘上保证承受最高 电 压下 转 换 时 不 放 电 ， 又 要 在 结 构 上 保 证 密 封 和 电 气连接的可靠 。图 5所示活塞的宽度增大， 可放置 3 个 0 型 密封 国 。这 样 活 塞 在 高速 运 行 时 ， 可 以 不用 活塞杆导向， 其位置稳定性好 。 活塞的右端有一空隙 部分 ， 内放置 活动接头 ， 采用缓 冲机构 ， 既减少活动 接头与气动开关端部接触 时的冲击力， 又保证两 者 连接 的 可靠 性 。 图 5所示 活塞左 端 ， 必 须与 气动 开关 的 B端 见图 3 可靠连接 。 如用一般弹簧不够理想 ， 我们选 用 1 mm 锡硅青铜线 ， 加工成 8 0圈弹簧状 ， 其导电 性和成圈性能 良好 ， 弹簧的两端焊在铜片上 ， 再将铜 片与活塞用紧固结构连接， 从 而保证 了弹簧 引线在 高 压 运行 状 态下 的可靠 连 接 。 4气动开 关的气路控 制 气动开关离不开气动系统 ， 它是由气源、 气路和 电磁 气 阀组 成 的。气 源 经 调 压 阀 恒 压 输 出 0 ． 5 MP a 接分水滤气器 ， 送至电磁气阀输入端 。所有 的 气路都是用塑料绝缘软管 ， 通过三通或两通接头 ， 再 连接到相应 的气 动开关 ， 采用 电磁气 阀和时间继 电 器来控制每只气动开关的动作程序 。由于电磁气 阀 可控 气路 ， 只要设计严谨 ， 就能采用带操作控制机 构 ， 来实现试验设备的 自动控制 ， 以下举两例说 明。 1 3 0 0 k V 冲击 电压发 生器 的点火控 制 对 于 3 0 0 k V 冲击 电压发生器 ， 当气 动开关闭合 压簧 作用下 ， 主电容器并联充 电。 当气动开关断开后 ， 随 即点火 同步串联放电输出冲击电压 。我们采用了电 磁气 阀 DQ DQ2 3 G一 0 8 和时间继电器 P B J S 1 4 A ， 实 现 了可 控 的点 火操 作 见 图 6 。 点火操作顺序和过程如下 合 上按钮 KB， 电磁 气阀 D Q 带电动作 ， 输 出压力气源 。 经气路系统使气 维普资讯 ■ 2 0 0 2 年第 6期 NO．6 2 0 02 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e苎 ． 、 a h i e 2 0 0 2年 1 2月 De c．． 2 00 2 G1 图 6点 火 控 制 图 动 开关 断 开 ， 经 t 秒 可 整定 后 ， 时 间 继 电 器 P B动 作 ， 点 火变压 器 T 带 电， 交 流 高压接 到 点火 球 隙 G ， 完成点火操作 。 2 1 O O k V 直 流 电 压 装 置 的极 性 转 换 控 制 1 0 0 k V 直流 电压极 性 反 转装 置 的 气路 系统 ， 与 3 0 0 k V 冲击 电压 发 生 器 的差 不 多 ， 但 由于 是 一个 电 磁 气 阀 要 控 制 2只 一 组 气 动 开 关 ， 且 两 端 需 要 交 替进 气 ， 所 以气 动系 统 要复 杂 一些 。 这 就要 求 气路 控 制设计合理 ， 做到操作 简便可靠 。 图 7极 性 转 换 控 制 回路 从 图 7可 以看 出 ， 我 们 选 用 手 动 控 制 开 关 KK L S 2 3 ， 保证操作时只能有一路通 电， 使相应 的两 组开关有序动作 。根据气路 的特点 ， 选用 电磁气 阀 DQ K 2 4 J B 0 6 ， 其 带 有 两组 线 圈 ， 分别 控 制两 个 气 源输 出端 口。 转 换 开关 KK 接通 A 处 ， 电磁气 阀 的左 端 线 圈 DQ 带 电 ， 压 力 气 源 立 即 从 气 阀 的 一 端 输 出 。 使 原 先处于闭合位置的两只气动开关 S 和 S 断开 。 经 t 秒 可整 定 后 ， 时 间继 电器 P B 动作 ， 另一 只 电磁 气 阀 的右 端线 圈 D Q 带 电 ， 气 源 立 即从 相应 气 阀 的 一 端 输 出 ， 使 另 外 两 只原 先 处 于 断 开 位置 的气 动开 关 s 和 S ． 闭合 ， 从而 实现 了极性 的转换 ； 如 果将 KK 接通 B处 ， 则 动作 程 序 完 全 一样 ， 直流 设 备 的极 性 再次 转换 5 结 束 语 本文 介绍 的新颖 气 动 开关 ， 有 明显 的技术 特 点 ， 研 制 是 成 功 的 ， 能 否 应用 到更 高 电压 等 级 的 冲击 电 压 发 生 器 ， 这 是 同 行 们 所 关 注 的 ， 下 面 作 一 简 要 分 析 。 气 动 开关 的绝 缘 结 构 设 计 十分 重 要 ， 由 于要 应 用到更高电压等级 的冲击发生 器中， 就需增加 气动 开 关 的有 效绝 缘 距 离 。 由于一 端进 气 的气 动 开关 采 用 压 簧 复位 ． 要增 加 绝 缘 距 离 就 需 要 加 大 压 簧 的弹 力 ， 从而扩大 了非绝缘体的弹簧的长度 ， 因此， 造成 绝 缘有 效 距 离增 加是 有 限 的 。 从 这 点 出发 ， 说 明两 端 进气的气动开关 的优越性 ， 即它 的绝缘 的有效距离 是 随 着气 动开 关 总 长度 的增 加 而增 大 的 ， 因此 ， 有 可 能 用 于 2 0 0 k V 及 以上 电压 等 级试 验 中运 行 。但是 ， 由于我 们 设计 的 气 动开 关 ， 是一 种 封 闭式结 构 ， 其 密 封 圈 和压 簧 特 制 弹 簧 部 件 处 于高 速 运 行 状 态 ， 长 期 操 作 会损 坏 ， 随 着 电 压 等级 提 高 引起 损 坏 几 率 也 增 加 ； 另外 ， 它 毕 竟 是 冲击 电压 发 生 器 的 一 个 部 件 ， 其性 能 对 整体 设 计有 关 联 。 所 以 ， 新 颖 气动 开关 能 否 应用到更高电压等级 的冲击 电压发生器还需要进一 步 技 术分 析 和验 证 。 气动开关完全可 以用于类似 的场合 ， 如将直流 电压极性反转装置直接用于冲击电压发生器的电源 部 分 ， 就 可 以实现 直 流充 电电压 极性 的 自动转 换 。 我 们 期 望 随着 高 电压 技 术 的 发 展 ， 能 有 更 多 的 机 会将 各 种 型式 的气 动开 关 ， 用 于高 压 试 验 设 备 和 特 殊 试 验 技术 上 。 参 考 文 献 [ 1 上海电缆研 究所 三室．国外高 压电缆发展水 平综述[ J ] ．电线 电缆 ， 1 9 7 9 ， 5 1 3 ,1 ． [ 2 j B i s h o p MJ ， S i mo n MF ．法国 日纳弟试验室 的冲击电压发生器 J ] ．I EE E T r a n s a c t io n s o n P o w e r Ap p a r a t u s a n d S y s t e ms ． 1 9 7 2．91 6 23 6 6 2 3 7 6 ． [ 3 J 万树德．直 流电缆 绝缘特 性和 合成试 验研究 [ J ] ．高压 电器 ， 2 0 0 0． 1 3 5 3 8 ． 欢 迎 投 稿 欢 迎 订 阅 维普资讯