可控串補區內故障間隙自觸發問題分析及處理建議

王俊平

(黑龍江省電力有限公司檢修公司齊齊哈爾分部,黑龍江 齊齊哈爾 161000)

可控串補區內故障間隙自觸發問題分析及處理建議

王俊平

(黑龍江省電力有限公司檢修公司齊齊哈爾分部,黑龍江 齊齊哈爾 161000)

針對馮屯500 kV可控串補站在區內瞬時性單相接地故障過程中的火花間隙系自觸發問題,筆者根據火花間隙的結構和原理,結合伊馮甲線可控串補保護動作和錄波數據, 分析了火花間隙的自觸發原因,結果表明,火花間隙的自觸發與火花間隙元件本身和環境因素有關,伊馮甲線可控串補火花間隙自觸發屬于誤觸發。同時,為保證伊馮甲線可控串補系統安全運行,提出對投運火花間隙進行定期維檢建議。

可控串補;火花間隙;金屬氧化物限壓器;保護動作;間隙自觸發

可控串補(TCSC)是靈活交流輸電技術(FACTS)中較成熟的技術之一,在一定范圍內靈活改變串補裝置的電抗,可以有效縮短交流輸電的等值電氣距離,提高輸電能力和系統運行的穩定性,同時還具有阻尼系統低頻功率振蕩、調節線路潮流的作用,與固定串補相(FCS)比,能夠在故障期間通過晶閘管旁路降低短路電流,對抑制系統次同步諧振能夠起到一定的作用。因此,本文闡述了可控串補火花間隙的結構和觸發原理,以2014年7月9日伊馮甲線發生W相瞬時性接地故障為例,分析了可控串補火花間隙自觸發的原因,提出了保證火花間隙可靠運行措施,以提高可控串補可用率。

1 故障情況概述

馮屯500 kV串補站2014年7月9日15時46分,伊馮甲線發生W相瞬時性接地故障,線路保護正確動作,線路重投成功,故障測距107 km,故障電流4200 A。伊馮甲線固定串補裝置W相固定串補重投成功;可控串補金屬氧化物限壓器(MOV)保護動作,線路保護退W相可控串補,W相間隙自觸發保護動作,線路聯跳保護動作,合三相可控旁路斷路器,可控串補裝置退出運行,未自動重投。在此期間伊馮甲線正常運行,伊馮甲線可控串補控制保護SOE信息如表1所示。

2 馮屯500 kV可控串補火花間隙及火花間隙自觸發保護

2.1 馮屯500 kV可控串補火花間隙結構及觸發原理

火花間隙系統是串補補償平臺的關鍵設備,是串聯補償電容器組工頻暫時過電壓和金屬氧化物限壓器過載的重要保護設備。由于觸發方式不同,火花間隙可為分壓式間隙和等離子間隙兩種類型,一般設計為強制觸發型。火花間隙強制觸發回路如圖1所示。

表1 伊馮甲線可控串補保護動作SOE信息

圖1 火花間隙強制觸發回路

馮屯串補站可控串補火花間隙的觸發方式采用強制觸發方式,火花間隙采用單間隙型式,由觸發回路和主間隙組成。主間隙內部又分為閃絡間隙和續流間隙兩部分。為使火花間隙系統能夠安全運行,火花間隙的自觸發電壓應高于金屬氧化物限壓器的過電壓保護水平,并留有安全裕度,兩者的配合系數一般取1.1,當MOV的電壓保護水平為2.4 p.u,則保護火花間隙的自觸發電壓為2.5 p.u。火花間隙觸發的導通時間、不觸發條件下的最小工頻放電電壓、火花間隙介質強度的恢復時間以及恢復電壓等性能指標需通過試驗確定。

火花間隙是金屬氧化物限壓器的主保護和電容器的后備保護,接受到觸發命令,可以瞬間放電,在線路出現故障、MOV過載或其他需要快速旁路電容器組的情況下,通過觸發調節間隙的距離以滿足不同的保護整定值和故障情況[2]。對火花閃絡間隙的要求:間隙距離固定,自然閃絡電壓穩定,重復閃絡多次后仍能維持穩定的自然閃絡電壓;觸發閃絡電壓不應受環境條件影響。

火花間隙自放電原理如下:火花間隙兩端承受串聯電容器組上的電壓,電壓平均分配在均壓電容上,當電壓達到密封間隙T1的自放電電壓時,兩個密封間隙導通;后電壓通過電容的充電過程全部集中在電容器C1上,主間隙M1擊穿,電容器放電;電壓過渡到電阻器R上,主間隙M2擊穿,火花間隙自放電導通[3]。火花間隙自觸發動作完全取決于間隙兩端的電壓,不依賴與控制保護邏輯和故障點范圍。火花間隙的自放電應設置高于金屬氧化物限壓器建立的保護電壓水平。有指令時快速觸發,無指令時不動作。可見,火花間隙的快速性、可靠性影響了整個可控串補系統的安全。因此,有必要對火花間隙自觸發進行研究分析。

2.2 火花間隙的自觸發保護功能及串補保護錄波分析

火花間隙工作應在可控觸發模式下,在串補控制保護裝置判斷MOV電流、吸收能量或溫升超過定值的情況下應可靠觸發。火花間隙自觸發保護是指火花間隙自主擊穿,保護系統在未發出間隙觸發命令時檢測到間隙有電流,火花間隙沒有自熄滅功能,則該保護動作,保護動作閉合三相旁路斷路器[4]。火花間隙自觸發保護設置主要目的是作為火花間隙的自身保護。若最近兩次間隙自觸發間隔超過1 h,則本次保護動作后經延時串補自動重投,否則禁止重投。伊馮甲線可控串補保護錄波如圖2所示。

由圖2分析可知,在保護發出間隙觸發命令(低電平有效)前間隙已有電流,保護檢測到火花間隙電流且此時保護裝置未發出間隙觸發命令,故間隙自觸發保護動作,保護動作符合其判據,動作正確。另外,在保護最初設計時,為保障可控串補的安全,在間隙自觸發保護動作后,若再有其他保護動作如單相金屬氧化物限壓過電流、單相線路聯動等,則可控串補不再自動重投。線路保護動作退故障相可控串補保護是指可控串補控制保護系統收到線路保護的聯動信號,確認該信號有效則該保護動作,觸發故障相火花間隙(包括晶閘管閥),單相線路聯動則閉合故障相旁路斷路器(故障相兩側線路斷路器跳閘后,避免了線路斷路器暫態恢復電壓超標[5];為了減少潛供電流,保證重合閘的快速動作[6])且經延時自動重投,多相線路聯動閉合三相旁路斷路器且不重投。錄波器波形開關量信息及保護動作SOE信息表均表明,這種工況屬于火花間隙自觸發伴隨線路故障(線路聯動)發生,與固定串補相比,可控串補多了晶閘管閥組,其安全運行條件較苛刻,故此種情況下固定串補可以重投,而可控串補不再自動重投。

圖2 伊馮甲線可控串補保護錄波圖

3 火花間隙自觸發原因分析

火花間隙的主要特點體現在火花間隙導通的可控性。火花間隙自觸發是指當火花間隙兩端的電壓達到一定的電壓水平時,在未接收到串補保護裝置發送的觸發命令時,火花間隙的電極過壓擊穿,形成放電回路從而導通,這是火花間隙本身的物理特性[7]。火花間隙自觸發擊穿(包括強制觸發擊穿),電容器組中巨大能量可以釋放,可靠保護金屬氧化物限壓器,并間接保護串聯補償電容器組。從火花間隙系統及觸發原理可知,導致間隙自觸發的原因,主要可能有以下幾種。

1) 火花間隙放電電壓具有一定的分散性。火花間隙的觸發動作不應受溫度、濕度、大氣壓力、電磁干擾等外界環境因素的影響[8]。球形或半球形火花間隙放電電壓穩定性好,但現場串補裝置的火花間隙受上述諸多因素影響,放電電壓因而具有一定分散性。

2) 觸發火花間隙放電電壓的影響。觸發火花間隙被密封在瓷套內,受環境因素影響較小,其放電電壓具有較好的穩定性。觸發火花間隙放電電壓與氣隙距離成線性關系,只要氣隙距離不發生變化,放電電壓不會發生變化。

3) 電容均壓系統的影響。由于串補裝置投入運行時間較長,火花間隙相關元件可能出現缺陷,如均壓電容元件可能發生部分電容擊穿,使電容器電容量減少,導致火花間隙電壓分布不均勻。如果低壓側間隙承擔電壓高,就會導致火花間隙在串補未到定值就發生自放電[9]。

可控串補火花間隙自觸發,必將造成可控串補不再重投。馮屯串補站投運以來,由于夏、秋季氣溫高,空氣相對密度低,火花間隙放電電壓低,易放電等多種因素,先后導致3起線路瞬時性故障可控串補未重投:2009年09月01日,500 kV伊馮甲線U相線路故障,重合成功,串補固定重投成功,可控未重投;2014年07月09日,伊馮甲線發生W相線路故障,串補固定重投成功,可控未重投;2014年9月25日,伊馮甲線U相瞬時故障重合成功,伊馮甲線固定串補裝置重投成功,可控串補未重投。為了保證火花間隙在任何條件下都有觸發系統控制放電,而不發生自放電,閃絡間隙的距離必須根據夏天的最低大氣密度來整定。由于線路故障電流較大,造成電容器兩端電壓突然急劇增大,再加上間隙導通受環境、氣候等不確定外界因素的影響,導致主間隙兩端絕緣降低而擊穿,進而主間隙導通。保護動作發生在陰雨天氣,依據掌握的其他線路串補裝置的運維數據,在天氣為陰雨、下雪或大霧天氣情況下線路發生短路故障時極易發生主間隙在沒有達到設計導通電壓的情況下導通而引發火花間隙自觸發保護動作。因此,2014年7月9日15時46分伊馮甲線可控串補火花間隙自觸發屬于誤觸發。

4 結論及建議

通過伊馮甲線可控串補保護錄波信息和火花間隙自觸發分析結果可知,伊馮甲線單相瞬時性接地過程中,可控串補裝置控制保護動作正常,可控火花間隙在沒有收到點火觸發信號的條件下發生區內故障提前擊穿,屬于誤觸發。火花間隙自觸發的原因與火花間隙元件本身和環境因素有關。因此,為了伊馮甲線可控串補的安全可靠運行,建議定期對投運的火花間隙參數進行以下幾個方面維護檢試。

1) 間隙的間隙外殼、支撐絕緣子、穿墻套管、各電極以及均壓電容器等其他零部件的外觀檢查,確認無破損和漏油情況。

2) 各電極、支撐絕緣子、穿墻套管和均壓電容器表面需要用布將其表面擦拭干凈。如果石墨電極表面有灼燒痕跡,需用銼刀和砂布小心打磨,使其表面平整、光滑后再用布擦拭干凈。

3) 定期對投運的串補裝置火花間隙參數進行測試,如均壓電容參數、觸發間隙放電電壓、穿墻套管介質損失和電容量及均壓電容放電回路的電阻。

4) 火花間隙放電電壓可能會受到環境因素影響,需要在實驗室環境做各種溫度和濕度下間隙放電電壓檢測,研究火花間隙在不同溫度、氣壓和濕度情況下火花間隙放電電壓的變化規律。

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(責任編輯 侯世春)

Analysis and treatment of gap self-triggering on TCSC at in-area fault

WANG Junping

(Heilongjiang Electric Power Company Limited Overhaul Company Qiqihar Branch, Qiqihar 161000, China)

Aiming at the spark gap self-triggering occurring during the in-area transient single-phase grounding in Fengtun 500 kV TCSC station, the author analyzes the cause for spark gap self-triggering, on the basis of the structure and principle of spark gap, combined with the TCSC protection action and the recorded data of Yifeng Line A. The result shows that self-triggering relates to spark gap component and its environment, besides TCSC spark gap self-triggering of Yifeng Line A is a fault. In order to guarantee the safe operation of the TCSC system of Yifeng Line A, the paper advises to maintain and overhaul spark gap periodically.

TCSC; spark gap; MOV; protection action; gap self-triggering

2015-01-15。

王俊平(1972—),男,高級技師,現從事變電站、串補站運行維護工作。

TM772

A

2095-6843(2015)04-0364-04