CN100561612C - 超、特高压输电系统用可控金属氧化物避雷器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超、特高压输电系统用可控金属氧化物避雷器，其包括串联连接的控制部分和固定部分，当系统过电压幅值超过预定阈值之后，由固定部分承担系统过电压；其中，控制部分由与固定部分串联的晶闸管开关和与晶闸管开关并联的并联间隙构成，或者由晶闸管开关、与晶闸管开关并联的受控单元和并联间隙构成。本发明针对超、特高压输电系统过电压保护问题，通过外加并联间隙的串联型可控避雷器，在雷电侵入波过电压和操作过电压下，其残压水平都大大降低，通过并联型可控避雷器采用外加并联间隙的方式以实现更好的雷电过电压特性，在维持避雷器用金属氧化物电阻片性能参数不变的基础上，有效降低了避雷器的残压，提高了避雷器的保护水平。

Description

超、特高压输电系统用可控金属氧化物避雷器

技术领域

本发明涉及超、特高压输电系统过电压保护装置，更具体地，涉及超、特高压输电系统用可控金属氧化物避雷器。

背景技术

从超高压(330kV～750kV)输电系统开始，操作过电压对输变电设备的绝缘水平已经起着控制作用，随着系统电压等级的升高，影响越来越大，须将操作过电压倍数限制的越来越低。在特高压(1000kV)输电系统中，空气间隙的操作冲击放电电压呈现饱和特性，操作过电压水平对输变电设备的造价和制造难度影响更大，因此，深度降低操作过电压倍数、合理选取设备绝缘水平是十分必要的。

避雷器是电力系统过电压保护的主要装置。避雷器电阻片从早期以碳化硅(SiC)为主要原料发展到现今以氧化锌(ZnO)为主要原料，避雷器的性能在几十年间得到了极大的提高，应用范围越来越广。

常规金属氧化物避雷器结构示意图如图1所示，其中，标号1表示系统相线，标号3表示避雷器。其工作原理是利用金属氧化物电阻片高电压下呈现低阻值的特性，通过避雷器本体来释放过电压能量，将系统过电压水平限制到较低数值。

近年来，研究人员通过改进金属氧化物电阻片的配方和生产工艺，研制出了性能更优越的高性能金属氧化物电阻片，其中日本东芝公司研制的电阻片性能处于世界领先水平，主要指标为：能量吸收能力为300J/cm³，标称电流下压比1.55，允许荷电率92％，电位梯度200～600V/mm。在超、特高压系统中，仅靠采用高性能电阻片的避雷器，仍无法将操作过电压水平限制到规定的数值。

以特高压系统为例，目前主要是应用金属氧化物避雷器、断路器加装合闸电阻两种措施，两者共同作用可将系统的相对地最大操作过电压限制在1.6p.u.～1.7p.u.( $1.0p.u.=\sqrt{2}{U}_m/\sqrt{3},$ 式中Um为系统最高电压)。

但是，这两种措施在运行可靠性和经济性方面仍存在较大不足：

(1)在特高压输电系统中，要求避雷器的残压低，按现有电阻片性能，只能提高其运行荷电率才能实现；另外，避雷器高度大，对地杂散电容的影响使电阻片电压分布不均匀度增加，部分电阻片运行荷电率进一步升高。这两种因素导致避雷器电阻片在正常运行下的老化速度加快，相对于超高压系统而言，避雷器可靠性裕度降低。

(2)断路器加装合闸电阻后机构复杂，超高压系统的大量运行经验表明，在断路器损坏事故中，合闸电阻碎裂、操作机构失灵是主要原因，断路器损坏引发的电力系统事故危害性巨大。此外，断路器加装合闸电阻后成本增加较多。以特高压HGIS为例，一个断路器间隔的造价约为九千万人民币，其中合闸电阻造价所占比例高达15％～22％，电力系统运行部门和制造厂商均倾向于断路器不采用合闸电阻。

在改进避雷器电阻片性能研究的同时，研究人员也试图在避雷器的结构上寻找新突破，以提高避雷器的保护性能。80年代开始，国内、外的研究人员曾对金属氧化物避雷器串、并联放电间隙的情况进行过探讨和研究，但限于间隙放电电压的分散性很难解决，避雷器工作可靠性差。90年代期间，美国有研究人员针对抑制无功补偿电容器投切产生的操作过电压要求，进行了避雷器并联晶闸管器件的理论研究和仿真计算，并没有实际产品问世。

我国在八十年代初从日本日立公司引进避雷器制造技术，虽经不断地改进、提高，电阻片的性能与国际先进水平相比仍存在一定的差距，赶上国际先进水平还需要大量艰苦卓绝的研究工作。

发明内容

为此，本发明是利用大功率电力电子器件具有响应速度快、调节灵活、性能稳定的特点，将现有金属氧化物避雷器同大功率电力电子器件结合起来，提出的一种用于超、特高压输电系统的可控金属氧化物避雷器(以下简称可控避雷器)，其在维持现有避雷器用金属氧化物电阻片性能参数不变的基础上，可有效降低避雷器残压，提高避雷器的保护水平。

根据本发明的一方面，提供一种可控避雷器，其包括串联连接的控制部分和固定部分，在系统正常运行时，控制部分和固定部分共同承受系统电压，而当系统过电压幅值超过预定阈值之后，由固定部分承担系统过电压。其中，控制部分由与固定部分串联的晶闸管开关和与晶闸管开关并联的并联间隙构成，或者由晶闸管开关、与晶闸管开关并联的受控单元和并联间隙构成；雷击侵入波过电压作用下，晶闸管开关对系统雷电侵入波过电压来不及响应，当雷电侵入波过电压幅值达到并联间隙的动作设定值后，并联间隙首先击穿导通，避雷器释放雷电能量，抑制雷电过电压；操作过电压作用下，并联间隙不触发导通，当操作过电压幅值达到晶闸管开关动作阈值后，晶闸管开关导通，通过固定部分限制操作过电压；其中，晶闸管开关的动作阈值是1.3p.u.～1.4p.u.。

优先地，本发明可控避雷器的固定部分的额定电压与可控避雷器额定电压的比值为70％～85％。

通过本发明的可控避雷器，在雷电侵入波过电压和操作过电压下，其残压水平都大大降低。

其中大功率电力电子器件的动作阈值是1.2p.u.～1.4p.u.。

相应地，由于本发明的可控避雷器包括串联连接的控制部分和固定部分，在系统正常运行时，控制部分和固定部分共同承受系统电压，因此，避雷器具有较低的荷电率，由此提高了避雷器的运行可靠性；而当系统过电压幅值超过预定阈值之后，避雷器只有固定部分承担系统过电压，因为短时过电压的能量不大，固定部分能够满足热容量要求，这样，避雷器的残压值变为固定部分的残压，较常规整个避雷器的残压值大大降低，从而提高了避雷器的过电压保护水平。

本发明另外的优点：

(1)可控避雷器在现有金属氧化物电阻片制造水平的基础上，将避雷器制造技术与电力电子技术、测量控制技术结合起来，能够深度降低超、特高压输电系统用金属氧化物避雷器的残压，提高保护水平，而且长期运行可靠，是一种高性能的过电压保护装置。

(2)可控避雷器尤其适用于超、特高压输电系统的过电压保护，优异的保护性能允许系统降低电力设备和输电线路绝缘水平，减少输电成本；对于超、特高压输电系统，在维持现有电力设备和输电线路绝缘水平不变的前提下，允许取消断路器的分、合闸电阻，经济效益十分显著。

附图说明

图1是常规金属氧化物避雷器的结构示意图；

图2a是本发明串联型可控避雷器的结构示意图；

图2b是本发明并联型可控避雷器的结构示意图；以及

图3是本发明外加并联间隙的串联型可控避雷器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明可控避雷器的具体实施方式，其中相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。

图2a和2b是本发明可控避雷器的原理示意图，本发明可控避雷器的主体结构包括与系统相线1相连的避雷器固定部分，以及由大功率电力电子开关(以下简称开关)本身或者由开关和避雷器受控单元构成的控制部分。图2a示出了本发明的并联型可控避雷器的结构图，图2b示出了本发明串联型可控避雷器的结构图。

如图2a所示，本发明的并联型可控避雷器包括串联连接的控制部分和固定部分5，控制部分由开关2与受控单元4相并联构成，位置可处于避雷器的高压端或低压端。

并联型可控避雷器的工作原理为：在系统正常运行时，开关2不导通，控制部分和固定部分5共同承受系统电压，避雷器具有较低的荷电率，提高了避雷器的运行可靠性；当系统过电压幅值超过开关2的触发阈值后，开关2触发导通，此时，避雷器只有固定部分5承担系统过电压，因为短时过电压的能量不大，固定部分5能够满足热容量要求，这样，避雷器的残压值变为固定部分5的残压，较常规整个避雷器的残压值大大降低，从而提高了避雷器的过电压保护水平。

图2b所示为本发明的串联型可控避雷器。由于图2a中受控单元4与开关2的并联构成的控制部分直接被开关2代替，即，图2b中直接由开关2构成控制部分。串联型可控避雷器的工作原理为：在系统正常工作时，开关2不导通，固定部分5与开关2联合承担系统工频电压，固定部分5的额定电压可以选得比常规避雷器低；当系统过电压超过开关的触发阈值后，开关触发导通，此时，固定部分承担系统过电压，由于固定部分的额定电压选得较低，所以避雷器的残压水平被大大降低。

此外，结合对本发明仿真研究结果表明，采用本发明的可控避雷器，避雷器的固定部分5额定电压与可控避雷器额定电压的比值取70％～85％，晶闸管开关动作阈值取1.3p.u.～1.4p.u.，在各种暂态工况下，能够在断路器无合闸电阻的情况下将系统操作过电压限制到国家标准规定值，有着预期的应用前景。

以特高压系统为例，表1示出了本发明可控避雷器的典型仿真研究结果：

表1

该仿真结果表明特高压输电系统中采用本发明的可控避雷器，当避雷器的固定部分额定电压与可控避雷器额定电压比值取70％～85％，晶闸管开关动作阈值取1.3p.u.～1.4p.u.，在各种暂态工况下，能够在断路器无合闸电阻的情况下将系统操作过电压限制到1.6p.u.～1.7p.u.以下，有着预期的应用前景。

此外，由于电力系统雷电侵入波过电压的波前时间很短，一般在1～4μs之间，目前由于受大功率电力电子器件的发展水平限制，适用于可控避雷器的电力电子器件，在响应时间上还无法满足要求。因此，现阶段，可控避雷器可用于深度降低系统操作过电压水平，尤其适用于超、特高压输电系统。随着高响应速度器件的发展，采用本发明的可控避雷器深度限制雷电侵入波过电压和操作过电压，就会变成现实。

因此，从上面的分析可以看出，目前采用并联型可控避雷器来限制雷电侵入波过电压，可维持在常规金属氧化物避雷器保护水平，而图2b所示的串联型可控避雷器则无法实现对雷电侵入波过电压的保护，其解决办法可以采用可控避雷器外加并联间隙的方法，原理示意图见图3。

如图3所示，外加并联间隙的串联型可控避雷器就是在大功率电力电子开关2的两端再并联上放电间隙6。其工作原理为：由于开关2对系统雷电侵入波过电压来不及响应，当雷电侵入波过电压幅值达到并联间隙6的动作设定值后，间隙6首先击穿导通，避雷器释放雷电能量，抑制雷电过电压，雷电冲击过后，工频续流被抑制在较低范围内，间隙绝缘迅速恢复，续流电弧被遮断；操作过电压作用下，并联间隙不触发导通，当操作过电压幅值达到开关动作阈值后，开关导通以限制操作过电压。这样，串联型可控避雷器就实现了抑制雷电过电压和操作过电压的要求。可以看出，外加并联间隙的串联型可控避雷器，在雷电侵入波过电压和操作过电压下，其残压水平都大大降低。

尽管上面已经对本发明进行了具体说明，但本领域普通技术人员也可以修改上述中的某些具体过程或者设想其它的等效过程来实现。因此，本发明并不具体限于上述实施方式的具体过程，例如尽管说明书中只描述了外加并联间隙的串联型可控避雷器，当然了并联型可控避雷器也可以采用外加并联间隙的方式以实现更好的雷电过电压特性。

尽管已对本发明进行描述，但上述描述只是为了说明的目的，本发明不限于上述结合附图的具体描述。本领域普通技术人员可以对其进行各种改变而不脱离本发明的精神，本发明的保护范围由后附的权利要求书来限定。

Claims (2)

1、一种超、特高压输电系统用可控金属氧化物避雷器，其特征在于，包括串联连接的控制部分和固定部分(5)，在系统正常运行时，控制部分和固定部分共同承受系统电压，而当系统过电压幅值超过预定阈值之后，由固定部分承担系统过电压；

其中，所述控制部分由与所述固定部分串联的晶闸管开关(2)和与所述晶闸管开关(2)并联的并联间隙(6)构成，或者所述控制部分由晶闸管开关(2)、与所述晶闸管开关(2)并联的受控单元(4)和并联间隙(6)构成；雷击侵入波过电压作用下，晶闸管开关(2)对系统雷电侵入波过电压来不及响应，当雷电侵入波过电压幅值达到所述并联间隙(6)的动作设定值后，所述并联间隙(6)首先击穿导通，通过固定部分(5)释放雷电能量，抑制雷电过电压；操作过电压作用下，所述并联间隙(6)不触发导通，当操作过电压幅值达到所述晶闸管开关(2)动作阈值后，所述晶闸管开关(2)导通，通过固定部分(5)限制操作过电压；

其中，所述晶闸管开关(2)的动作阈值是1.3p.u.～1.4p.u.。

2、根据权利要求1所述的超、特高压输电系统用可控金属氧化物避雷器，其中固定部分(5)的额定电压与可控金属氧化物避雷器额定电压的比值为70％～85％。

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