500 kV 串聯(lián)補(bǔ)償裝置自觸發(fā)及主間隙放電分散性研究

林 敏，李 杰

(1.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京 211103)

超高壓遠(yuǎn)距離輸電工程中采用串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)可有效補(bǔ)償輸電線路電抗，縮短線路等值電氣距離，提高系統(tǒng)輸送容量，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)輸電線路的潮流分布具有一定的調(diào)節(jié)作用[1]。500 kV 輸電線路固定式串聯(lián)補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，受環(huán)境溫濕度、電磁干擾等多種因素影響，火花間隙在低于自點(diǎn)火電壓定值下易產(chǎn)生自觸發(fā)，造成串補(bǔ)旁路退出，甚至聯(lián)跳線路，嚴(yán)重影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，國(guó)內(nèi)多臺(tái)固定式串聯(lián)補(bǔ)償裝置發(fā)生過此類故障[2-7]。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者通過對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償裝置的檢測(cè)與分析，認(rèn)為受現(xiàn)場(chǎng)溫度、氣壓、濕度等因素影響，火花間隙擊穿電壓存在一定的分散性，間隙間距整定較難控制，易在無觸發(fā)情況下發(fā)生擊穿[6-8]。

1 串聯(lián)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)及間隙動(dòng)作情況

某500 kV 固定式串聯(lián)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，參數(shù)如表1、表2 所示。串聯(lián)補(bǔ)償裝置由串聯(lián)電容器、金屬氧化物限壓器（MOV）、放電間隙、旁路斷路器、阻尼元件、觸發(fā)裝置及控保系統(tǒng)組成。其中金屬氧化物限制器為電容器主保護(hù)，放電間隙為MOV 和電容器后備保護(hù)，旁路斷路器用于投入和退出串聯(lián)電容器，阻尼元件用于限制電容器放電電流。

圖1 串聯(lián)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)示意圖

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該串聯(lián)補(bǔ)償裝置5年內(nèi)放電間隙發(fā)生了14 次自觸發(fā)行為，放電電壓最小值為148 kV，最大值為218 kV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于間隙放電電壓設(shè)定值321 kV，如圖2 所示。串聯(lián)補(bǔ)償裝置發(fā)生自觸發(fā)行為條件有2個(gè)：間隙因放電分散性自擊穿或觸發(fā)裝置產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。為甄別自觸發(fā)行為的原因，開展間隙放電分散性研究。

表1 串聯(lián)補(bǔ)償裝置電容器參數(shù)

表2 串聯(lián)補(bǔ)償裝置MOV 參數(shù)

圖2 放電間隙放電電壓情況

2 放電間隙電場(chǎng)不均勻度分析

由于放電間隙為空氣間隙，其放電特性與電場(chǎng)的均勻程度密切相關(guān)，通過分析空氣間隙的電場(chǎng)不均勻度，可為放電特性試驗(yàn)提供參考。

2.1 放電間隙擊穿原理

放電間隙是串聯(lián)補(bǔ)償裝置的核心部分之一，由主間隙G1，G2組成，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 間隙及觸發(fā)裝置工作原理圖

正常條件下，2個(gè)串聯(lián)的主間隙G1，G2參數(shù)一致，分別承擔(dān)串聯(lián)補(bǔ)償電容器組兩端電壓的1/2。線路發(fā)生故障時(shí)，電容器兩端出現(xiàn)較大的暫態(tài)過電壓，觸發(fā)控制系統(tǒng)向脈沖變壓器T1和T2發(fā)出點(diǎn)火脈沖，經(jīng)升壓后使密封間隙TRIG1，TRIG2火花塞對(duì)球面放電。C1，C2兩端的電壓迅速降低，主間隙G2上的電壓快速升高，主間隙G2發(fā)生擊穿，電容器組兩端電壓迅速擊穿間隙G1，使得串補(bǔ)電容器組被旁路[9]，因此，放電間隙G1，G2的放電分散性非常關(guān)鍵。

串聯(lián)補(bǔ)償裝置主間隙G1的結(jié)構(gòu)如圖4 所示，包括球形電極g1、球形電極g2、球形電極g3、球形電極g4，其半徑分別為r1，r2，r3，r4。其中，球形電極g1、球形電極g4 通過外層鋁屏蔽相連；球形電極g2、球形電極g3 通過鋼管相連。球形電極g1、球形電極g2的間距d1 很近，構(gòu)成主放電通道，球形電極g2、球形電極g4 構(gòu)成引弧通道。球形電極g2、球形電極g3 通過穿墻套管與主間隙G2相連。

圖4 主間隙結(jié)構(gòu)圖

2.2 主間隙電場(chǎng)計(jì)算

以圖1 所示的500 kV 固定式串聯(lián)補(bǔ)償裝置間隙為例，其主間隙的各參數(shù)如表3 所示，采用ANSYS 對(duì)間隙的電場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算[10]，分析其電場(chǎng)不均勻度。假設(shè)在球形電極g1 上施加100 kV 工頻交流電壓，球形電極g2 設(shè)置為零電位，間隙電場(chǎng)分布如圖5 所示，電極g1 和g2 之間場(chǎng)強(qiáng)分布曲線如圖6 所示。

表3 串聯(lián)補(bǔ)償裝置主間隙參數(shù) mm

圖5 主間隙電場(chǎng)分布圖

圖6 主間隙空間電場(chǎng)分布曲線圖

由圖6 可知，兩側(cè)球電極表面最大場(chǎng)強(qiáng)基本相當(dāng)，中部空間場(chǎng)強(qiáng)最低。當(dāng)d1=62 mm時(shí)，主間隙最大場(chǎng)強(qiáng)為1975 V/mm，最小場(chǎng)強(qiáng)為1400 V/mm，平均場(chǎng)強(qiáng)為1688 V/mm，間隙電場(chǎng)不均勻系數(shù)f=1.17，空間電場(chǎng)不均勻度很小，為稍不均勻電場(chǎng)。調(diào)整間隙間距d1值，獲得不同間距下的間隙空間電場(chǎng)強(qiáng)度最大值，如圖7 所示。

圖7 不同間距下主間隙空間電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)最大值

由圖7 可知，間隙間距d1在[55 mm，70 mm]之間與空間電場(chǎng)強(qiáng)度基本呈反比線性關(guān)系，且均勻度較好。

3 主間隙放電特性試驗(yàn)研究

以主間隙G1為例，搭建主間隙工頻放電特性模擬試驗(yàn)平臺(tái)，如圖8 所示。其中，電源采用工頻電壓發(fā)生器[11]，輸出電壓幅值最高可達(dá)600 kV；阻尼電阻值為100 kΩ；高壓電極與試品間加裝電容分壓器，分壓器低壓側(cè)安裝峰值電壓表，測(cè)量放電電壓峰值；主間隙由支柱絕緣子固定。不同間距下主間隙G1 放電電壓值如圖9 所示。環(huán)境相對(duì)濕度78%，溫度26℃。

圖8 試驗(yàn)回路示意圖

圖9 不同間距下主間隙放電電壓值

由圖9 試驗(yàn)結(jié)果可知：（1）主間隙放電電壓值隨著間隙間距的增加而增大，當(dāng)間隙間距增加1 mm時(shí)，放電電壓平均增大約2 kV。（2）主間隙中d1在[55 mm，70 mm]之間放電電壓分散性較小，當(dāng)間隙間距為55 mm，60 mm，62 mm，65 mm，70 mm，75 mm時(shí)，放電電壓偏差分別為7.5%，1.7%，2.5%，3.9%，1.6%，1.6%，與仿真結(jié)果較為接近。針對(duì)圖1 所示的串聯(lián)補(bǔ)償裝置，取間距d1=62 mm時(shí)，主間隙G1 和2個(gè)間隙G1 串聯(lián)后的放電電壓值如表4 所示。

表4 間隙放電電壓值 kV

由表4 可知：（1）主間隙G1+G1 串聯(lián)后放電電壓值約為單個(gè)間隙G1的2 倍，放電電壓基本為線性增長(zhǎng)關(guān)系。（2）當(dāng)d1=62 mm時(shí)，兩間隙串聯(lián)后放電電壓平均值為315.7 kV，與串聯(lián)補(bǔ)償裝置的整定值相差1.8%，說明間隙擊穿整定值是基于實(shí)際放電值設(shè)定。

4 結(jié)束語

（1）串聯(lián)補(bǔ)償裝置主間隙三維立體仿真表明，主間隙電場(chǎng)不均勻系數(shù)f=1.17，為稍不均勻電場(chǎng)，電場(chǎng)不均勻度很小。

（2）主間隙G1 試驗(yàn)結(jié)果表明在[55 mm,70 mm]之間時(shí)，間隙的放電分散性較小，放電電壓較為穩(wěn)定，與仿真結(jié)果一致。

（3）兩間隙串聯(lián)后的試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)d1=62 mm時(shí)，串聯(lián)補(bǔ)償裝置放電間隙的放電電壓平均值與整定值相當(dāng)，且遠(yuǎn)大于歷次自觸發(fā)過程中的放電電壓最大值，故放電間隙因放電分散性自擊穿的可能性較小。

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