CN103579910A

CN103579910A - 一种500kV串补系统火花间隙的自触发电压整定方法

Info

Publication number: CN103579910A
Application number: CN201310511349.7A
Authority: CN
Inventors: 蔡汉生; 刘刚; 贾磊; 陈喜鹏; 胡上茂
Original assignee: Research Institute of Southern Power Grid Co Ltd
Current assignee: CSG Electric Power Research Institute; Research Institute of Southern Power Grid Co Ltd
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: CN103579910B

Abstract

本发明是一种500kV串补系统火花间隙的自触发电压整定方法。串补系统火花间隙的结构包括有自触发型主间隙设备G1、G2，密封间隙设备TRIG1、TRIG2，限流电阻器R1、R2，脉冲变压器T1、T3；高绝缘脉冲变压器T2、T4；均压电容器C1、C2、C3和C4，本发明串补系统火花间隙的自触发电压整定方法是：依据串补额定电压的1.8p.u.调整每个主间隙设备G1、G2的单个闪络间隙距离，使闪络间隙自触发电压高于并联支路上两个触发间隙的自触发电压之和。本发明可有效减少串补系统运行过程中火花间隙的自触发，并解决了闪络间隙半球形石墨电极表面积污引起的自触发电压下降的问题，实现串联火花间隙自触发电压的自保护功能。

Description

一种500kV串补系统火花间隙的自触发电压整定方法

技术领域

本发明是一种500kV串补系统火花间隙的自触发电压整定方法，是减少串补系统运行过程中火花间隙误自触发的良好措施。应用此方法能有效解决由闪络间隙石墨电极上积污、水珠、毛刺等引起的自触发电压下降问题。属于500kV串补系统保护策略的创新技术。

背景技术

在超高压输电线路上装设串联补偿电容设备，串联电容补偿了线路电抗，缩短了线路电气距离，改善输电系统的暂态稳定性，提高输电容量。对于南方电网，为提高西电东送能力，改善现有500kV输电线路存在的暂态稳定问题，已在天平双线平果侧、山河线河池侧、马百线、罗百双线百色侧、桂山线桂林侧、玉茂双回线玉林侧、柳贺双回线贺州侧、砚崇线砚山侧、墨红双回线红河侧装设串补设备。

以西门子公司制造的河池串补装置火花间隙（型号：XLSK-20PL）为例（平果串补装置的火花间隙结构和原理与河池串补相同），其构成如图1所示。

该系统由下列主要部件构成：

（1）自触发型主间隙2台，G1和G2；

（2）触发放电型密封间隙2台，TRIG1和TRIG2；

（3）限流电阻器2只，R1和R2

（4）脉冲变压器2个，T1和T3；

（5）高绝缘脉冲变压器2 台，T2 和T4；

（6）均压电容器4只，C1、C2、C3 和C4。

在串补装置以额定值正常运行中，两个串联连接的主间隙（G1、G2）各承担串补电容器组额定电压的1/2。在输电线路出现接地故障时，由于限压器（MOV）的作用，假设使电容器组的电压最高上升到2.30p.u.，因此两个主间隙（G1 和G2）在动作前承担的电压约分别为1.15p.u.。主间隙内部由闪络间隙和续流间隙构成，其中闪络间隙是主间隙中放电起始间隙，间隙距离将根据其自触发电压进行调整，以保证在没有外部触发的情况下间隙在最大可能经受的过电压下不会发生自触发放电。

当输电线路出现接地故障时，由限压器（MOV）将电容器组的过电压限制在2.30p.u.（1p.u.为电容器的额定电压峰值）。在未接收到触发命令前，两个串联的主间隙各承担1.15p.u.。当火花间隙的触发控制系统接收到触发命令时，将同时向脉冲变压器T1和T2的一次绕组发出点火脉冲，经升压后使触发间隙TRIG1的两个球面电极上的火花塞对球面放电，放电产生的小火花将迅速促使触发间隙TRIG1击穿。TRIG1击穿后，均压电容器C1将通过脉冲变压器T3和T4的一次绕组以及限流电阻R1放电，在脉冲变压器T3和T4的二次绕组产生的高压脉冲将使触发间隙TRIG2的两个球面电极上的火花塞对球面放电，放电产生的小火花将进一步迅速促使触发间隙TRIG2击穿，并使均压电容器C2通过限流电阻R2放电。当均压电容器C1和C2的电压迅速降低时，主间隙G2上的电压也将迅速升高到自触发水平并被击穿放电。主间隙G2击穿后，主间隙G1上的电压也将迅速升高到自触发水平并被击穿放电。至此，两个串联连接的主间隙全部放电，使串补电容器组经阻尼电抗装置旁路。

主间隙的内部结构和工作原理如图2所示。其中，5，6为接线端子，电弧通道1为闪络间隙，其左电极为电极A，右电极为电极B；电弧通道4为续流间隙，其上电极为电极D，右电极为电极C。当出现工频过电压后，首先这个过电压是由两个主间隙共同承担的，每个主间隙约承受全部过电压的一半，而闪络间隙的自触发电压被整定在高于1/2过电压保护水平的10%左右，因此主间隙不会自触发放电。当需要主间隙放电时，触发回路发出触发信号导通触发间隙，将使其并联的主间隙的电压迅速降低，从而迅速抬高另一个主间隙的电压，并使该主间隙自触发。根据前文对整个间隙系统工作原理的描述，一个闪络间隙放电后，另一个主间隙也将迅速自触发放电。

由于主间隙中续流间隙的距离远大于闪络间隙距离，自触发放电过程只能从闪络间隙起始，首先形成了图2中的电弧通道1。由于闪络间隙属羊角形间隙，电弧1在电动力和热效应的共同作用下将迅速向上移，最终离开闪络间隙（图2中的“2”和“3”），其电弧一端的弧根移至续流间隙的电极C，而另一端的弧根移至导弧棒，然后继续上飘直到被续流间隙的电极D所短路（图2中的“4”）。当电弧被电极D短路后，闪络间隙之间的电弧将彻底消失，电弧将继续在续流间隙燃烧，直到被旁路断路器旁路为止。这种间隙击穿后电弧被迅速转移的原理可有效地保护闪络间隙两电极表面几何形状不变，电极不会被续流烧蚀，从而保持闪络间隙的自触发电压不变，以及维持火花间隙多次放电电压稳定的要求。续流间隙是专门为后续电流提供的燃弧通道，为了保证续流间隙的电极具有充足的耐电弧烧蚀能力，除了在材料上选用耐烧蚀的专用石墨外，在电极上还刻有电流导向槽，使得续流间隙也具有一定的“磁吹”作用，迫使后续电弧能够在电极表面循环燃烧，尽量减少间隙电极的烧蚀，延长间隙使用寿命。

触发间隙的工作原理可描述如下：假设火花间隙系统承受了2.30p.u.的暂态过电压。此时，根据均压电容器的具体数值，触发间隙也将承受大约0.25×2.30p.u.=0.575p.u.的暂态过电压。但是通过调整两个电极之间的距离，触发间隙的自触发电压被整定到高于其承受的暂态过电压10%的水平，即自触发电压约为0.6325p.u.，所以在所承受的工频过电压下，触发间隙不会自触发放电。

由于触发间隙的两端设置了触发脉冲引入机构，电极上设置了火花塞，当高电压通过触发脉冲引入机构施加在火花塞上时，就会在火花塞头部与电极外表面之间产生电火花，在过电压下该电火花将促使触发间隙立即放电。

500kV串补系统自投运以来，无论是GE公司串补间隙，还是SIEMENS公司串补间隙，均多次发生过主间隙自触发造成串补旁路的问题。

主间隙由闪络间隙和续流间隙构成。闪络间隙是放电起始间隙，其整定原则是保证在没有触发的情况下间隙在最大可能经受的过电压下不会自放电。闪络间隙由两个半球形石墨电极组成，一般来讲，球形或半球间隙自放电电压稳定性好、分散性较小。但串补平台放置在户外，较容易受到环境因素影响，这些影响因素包括：污秽物、尖端、毛刺、温度、气压、湿度。根据现场观察，由于间隙房底部网孔开得较大，导致小鸟进入间隙房并污染了电极，在石墨电极表面存在鸟粪等污物堆积现象；温度变化时，湿气在间隙顶部凝结成水滴从顶部石墨电极流下，并在闪络间隙表面电极上形成水珠。

通过试验研究发现，在污秽条件下闪络间隙的自触发电压分散性大，这是500kV串补系统火花间隙自触发的根本原因。在电极表面光滑、洁净的情况下，击穿电压分散区间为理论击穿值的±11.5kV；在不利天气条件下，如果电极表面有尖端、水珠或污秽物等，击穿电压约降低至正常值的65.3%~71.2%，最低约为正常值的47.4%，容易导致闪络间隙自触发。

因此，串补系统的火花间隙在运行过程中，必须加强运维工作，另外需要在保证设计要求的条件下，采取措施防止火花间隙自触发的发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少串补系统运行过程中火花间隙自触发的500kV串补系统火花间隙的自触发电压整定方法。

本发明的技术方案是：本发明的500kV串补系统火花间隙的自触发电压整定方法，所述串补系统火花间隙的结构包括有两台自触发型主间隙设备G1、G2，两台触发放电型密封间隙设备TRIG1、TRIG2，两只限流电阻器R1、R2，两个脉冲变压器T1、T3；两台高绝缘脉冲变压器T2 、T4；4只均压电容器C1、C2、C3 和C4，其中，主间隙G1、G2如图2所示，每个主间隙G1由闪络间隙（两个半球形石墨电极）及续流间隙（两个球形石墨电极）构成。电路图如图1所示，主间隙G1、G2串联，均压电容器C1、C2串联后与主间隙G1并联，均压电容器C3、C4串联后与G2并联，密封间隙设备TRIG1、限流电阻器R1、脉冲变压器T3原边及高绝缘脉冲变压器T4原边串联后与均压电容器C1并联，密封间隙设备TRIG2、限流电阻器R2串联后与均压电容器C2并联。脉冲变压器T1与高绝缘脉冲变压器T2同步接收外部点火信号构成密封间隙TRIG1的双触发信号；密封间隙TRIG1导通后，回路电流通过脉冲变压器T3与高绝缘脉冲变压器T4触发密封间隙TRIG2。

所述串补系统火花间隙的自触发电压整定方法依据串补额定电压的1.8p.u.调整单个闪络间隙距离，从而使闪络间隙自触发电压高于并联支路上两个触发间隙的自触发电压之和；

1）当闪络间隙的半球形石墨电极上存在积污时，其自触发电压将降低，按照此方法整定闪络间隙距离后，避免因闪络间隙自触发电压降低所导致的火花间隙系统误触发现象；

2）在串补装置过电压为1.8p.u.保护水平时，触发间隙在点火信号作用下动作，闪络间隙能够可靠击穿，从而保证了串补火花间隙系统的设计要求。

依据不同的自触发电压值分别整定触发间隙和闪络间隙的间隙距离，通过增大闪络间隙的自触发电压，从而减少串补系统运行过程中火花间隙误自触发的发生，并解决了由闪络间隙的石墨电极上存在积污、水珠、毛刺等引起的火花间隙系统自触发电压下降的问题。

本发明的500kV串补系统火花间隙的自触发电压整定方法使火花间隙的自触发电压整定为串补装置保护水平的1.1倍，而且触发间隙和闪络间隙的间隙距离均是按此要求整定的。由于闪络间隙自触发电压分散性较大，按此值整定，火花间隙自触发误动作是不可避免的。因此，本发明提出将闪络间隙自触发电压整定为1.8p.u.，触发间隙自触发电压依然整定为保护水平的1.1倍。这样，即满足了设计要求，又能避免闪络间隙自触发电压下降所带来的影响。

附图说明

图1为串补装置中火花间隙系统的构成和工作原理图。

图2为主间隙的内部构造和工作原理示意图。

具体实施方式

本发明500kV串补系统火花间隙的自触发电压整定方法，所述串补系统火花间隙的结构包括有两台自触发型主间隙设备G1、G2，两台密封间隙设备TRIG1、TRIG2，两只限流电阻器R1、R2，两个脉冲变压器T1、T3；两台高绝缘脉冲变压器T2 、T4；4只均压电容器C1、C2、C3和C4，其中，主间隙设备G1、G2串联，均压电容器C1、C2串联后与主间隙设备G1并联，均压电容器C3、C4串联后与主间隙设备G2并联，密封间隙设备TRIG1、限流电阻器R1、脉冲变压器T3原边及高绝缘脉冲变压器T4原边串联后与均压电容器C1并联，密封间隙设备TRIG2、限流电阻器R2串联后与均压电容器C2并联，其中串补系统火花间隙的自触发电压整定方法是：脉冲变压器T1与高绝缘脉冲变压器T2同步接收外部点火信号构成密封间隙TRIG1的双触发信号；密封间隙TRIG1导通后，回路电流通过脉冲变压器T3与高绝缘脉冲变压器T4触发密封间隙TRIG2，所述串补系统火花间隙的自触发电压整定方法依据串补额定电压的1.8p.u.调整每个主间隙设备G1、G2的单个闪络间隙距离，从而使闪络间隙自触发电压高于并联支路上两个触发间隙的自触发电压之和。目前运行中的串补装置闪络间隙与其并联支路上两个触发间隙的自触发电压整定值相同，而本发明不同于这种设置方式，本发明增加串补装置内主间隙设备G1、G2的闪络间隙距离，使其自触发电压增加，避免因闪络间隙的半球形石墨电极积污导致的自触发现象。上述1.8p.u.这个电压值是根据积污后自触发电压测试结果，及运行经验得出的。过大或过小均不行，过大会导致主间隙G2无法导通，过小则失去调整的意义。一般的串补装置中闪络间隙自触发电压等于并联支路上两个触发间隙的自触发电压，本发明提出调整单个闪络间隙距离，从而使得使闪络间隙自触发电压高于并联支路上两个触发间隙的自触发电压之和。

上述两台自触发型主间隙设备G1、G2是半球形石墨型三电极间隙设备，每个主间隙设备由闪络间隙及续流间隙构成。

上述两台自触发型主间隙设备G1、G2的闪络间隙是两个半球形石墨电极，续流间隙是两个球形石墨电极。本发明通过调整现有500kV串补装置火花间隙中每个主间隙设备的单个闪络间隙距离，从而使闪络间隙的自触发电压升高，使闪络间隙自触发电压略高于其并联支路上两个触发间隙的自触发电压之和。按照本发明方法整定后，可有效减少串补系统运行过程中火花间隙的自触发，并解决了闪络间隙半球形石墨电极表面积污引起的自触发电压下降的问题，最终实现串联火花间隙自触发电压的自保护功能。本发明可有效减少串补系统运行过程中火花间隙的自触发，并解决了闪络间隙半球形石墨电极表面积污引起的自触发电压下降的问题，最终实现串联火花间隙自触发电压的自保护功能。

本发明依据不同的自触发电压值分别整定触发间隙和闪络间隙的间隙距离，通过增大闪络间隙的自触发电压，从而减少串补系统运行过程中火花间隙误自触发的发生，并解决了由闪络间隙的石墨电极上存在积污、水珠、毛刺等引起的火花间隙系统自触发电压下降的问题。

实施例1：

天平I回、II回串补位于平果串补站，其串补保护水平为190kVp（2.3p.u.），自触发电压整定值为209kVp。火花间隙型号为XLSK-30PL，由两个火花间隙室构成，每个间隙室的闪络间隙自触发电压为104.5kVp，每个间隙室有两个触发间隙，每个触发间隙自触发电压整定值为52.3kVp。根据试验研究结果，在电极表面光滑、洁净的情况下，闪络间隙自触发电压范围为93~116kVp；如果电极表面有尖端、水珠或污秽物等，闪络间隙自触发电压可降至68~74.4kVp，也就是说整个闪络间隙的自触发电压正常范围为186~232kVp，不正常情况下，自触发电压为136~148.8kVp；极端情况下，自触发电压为99kVp。正因为如此，天二线发生故障时，天平I回、天平II回串补在串补电压为123.67~156.87kVp情况下发生火花间隙自触发，与试验结果完全一致。

为了防止天平I回、II回串补火花间隙自触发，我们建议调整火花间隙的闪络间隙自触发电压整定值，即增大闪络间隙距离。因为，触发间隙一般能够按整定值自触发，整个火花间隙也能自触发，就能够实现火花间隙自触发保护功能。根据火花间隙工作原理，触发间隙动作后，与触发间隙并联的闪络间隙及均压电容上的电压迅速下降，约50~100μs完成放电（放电常数约为10~20μs），此时所有串补电压都施加在另一个间隙室的闪络间隙上，也就是说闪络间隙将承担209kVp电压。因此，我们设想每个闪络间隙自触发电压按209kVp整定，正常情况下，每个闪络自触发电压范围为197.5~220.5kVp，考虑电极表面尖端、水珠或污秽物时，每个闪络间隙击穿电压范围为136~148.8kVp，极端情况下，自触发电压为99kVp，也就是说，整个火花间隙的闪络间隙自触发电压最低值为198kVp。在这种情况下，天二线再发生类似故障，串补电压最大值为175.34kVp，小于198kVp，天平I回、II回串补的火花间隙就不会自触发了。

上述分析过于理想，一是触发间隙自触发后，与触发间隙并联的均压电容放电，相应的闪络间隙上承担的电压下降，另一个闪络间隙承担的电压上升。在这个过程中，认为所有串补电压都施加在另一个闪络间隙上过于理想；二是没有考虑闪络间隙触发电压的分散性。如上所述，每个闪络间隙自触发电压定值为209kVp，但该间隙在209kVp电压下可能不放电，在这种情况下，就达不到保护电容器组的目的；三是闪络间隙自触发电压整定值还应与最低动作电压（1.8p.u.）相配合。因为，南方电网串补系统技术规范规定，串补系统在1.80p.u.过电压下，火花间隙在触发信号作用下，应强制触发。如果我们按209kVp整定闪络间隙自触发电压，而串补系统发生1.80p.u.过电压，控制保护系统发出触发信号，如线路保护联动信号、MOA高能量信号等，触发间隙动作，1.80p.u.过电压相当于148.66kVp，该电压作用在闪络间隙上，不会使闪络间隙放电。

基于上述分析，我们建议平果串补站火花间隙的每个闪络间隙自触发电压定值最低应为1.8p.u.，即148.66kVp。

下面，我们对平果串补站火花间隙的闪络间隙自触发电压定值调整情况进行校核计算，计算结果如表1所示。

表1 平果串补站火花间隙的闪络间隙自触发电压计算

单位：kVp

Figure 2013105113497100002DEST_PATH_IMAGE001

由表1可见，每个闪络间隙距离按1.80p.u.（148.66kVp）整定时，对于表面光滑、干净的电极，触发间隙未动作时，整个间隙击穿电压范围为274.32~320.32kVp，该闪络间隙不会发生自触发；对于电极有水珠的情况，该闪络间隙平均自触发电压为210.20kVp，运行中不会发生间隙自触发；电极表面有污秽物时，该闪络间隙平均自触发电压为211.68kVp，运行中不会发生间隙自触发。而在实际运行中，触发间隙自触发后，整个火花间隙能够可靠自触发。

上述计算结果表明，对于天平I回、II回串补的火花间隙闪络间隙，将每个闪络间隙自触发电压定值由104.5kVp提高到148.66.kVp，可基本上避免火花间隙误触发。对于上述整定方案，一旦触发间隙自触发，即串补过电压超过209kV，则闪络间隙也能正确动作。可见，将火花间隙的每个闪络间隙自触发定值调整至1.8p.u.是可行的。

实施例2：

按照本发明所提出的调整策略，将南京南瑞继保电气有限公司生产的PCS-GAP-160型火花间隙的每个闪络间隙自触发定值调整至1.8p.u.，并测试其工作可靠性。

测试包括3个方面：

1、将火花间隙两端电压升高至间隙击穿，多次测量表明闪络电压为1.8p.u.×2，即调整闪络间隙后，依然能够通过触发间隙将串补过电压抑制在1.8p.u.×2。

2、设定火花间隙两端电压升高至1.8p.u.时，发触发信号。多次测量表明，调整后能够稳定触发火花间隙。

3、设定火花间隙两端电压升高至1.9p.u.时，发触发信号。多次测量表明，调整后能够稳定触发火花间隙。

Claims

1.一种500kV串补系统火花间隙的自触发电压整定方法，所述串补系统火花间隙的结构包括有两台自触发型主间隙设备G1、G2，两台密封间隙设备TRIG1、TRIG2，两只限流电阻器R1、R2，两个脉冲变压器T1、T3；两台高绝缘脉冲变压器T2 、T4；4只均压电容器C1、C2、C3和C4，其中，主间隙设备G1、G2串联，均压电容器C1、C2串联后与主间隙设备G1并联，均压电容器C3、C4串联后与主间隙设备G2并联，密封间隙设备TRIG1、限流电阻器R1、脉冲变压器T3原边及高绝缘脉冲变压器T4原边串联后与均压电容器C1并联，密封间隙设备TRIG2、限流电阻器R2串联后与均压电容器C2并联，其特征在于串补系统火花间隙的自触发电压整定方法是：脉冲变压器T1与高绝缘脉冲变压器T2同步接收外部点火信号构成密封间隙TRIG1的双触发信号；密封间隙TRIG1导通后，回路电流通过脉冲变压器T3与高绝缘脉冲变压器T4触发密封间隙TRIG2，所述串补系统火花间隙的自触发电压整定方法依据串补额定电压的1.8p.u.调整每个主间隙设备G1、G2的单个闪络间隙距离，从而使闪络间隙自触发电压高于并联支路上两个触发间隙的自触发电压之和。

2.根据权利要求1所述的500kV串补系统火花间隙系统自触发电压的整定方法，其特征在于上述两台自触发型主间隙设备G1、G2是半球形石墨型三电极间隙设备，每个主间隙设备由闪络间隙及续流间隙构成。

3.根据权利要求1所述的500kV串补系统火花间隙系统自触发电压的整定方法，其特征在于上述两台自触发型主间隙设备G1、G2的闪络间隙是两个半球形石墨电极，续流间隙是两个球形石墨电极。

4.根据权利要求3所述的500kV串补系统火花间隙系统自触发电压的整定方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的500kV串补系统火花间隙系统自触发电压的整定方法，其特征在于依据不同的自触发电压值分别整定触发间隙和闪络间隙的间隙距离，通过增大闪络间隙的自触发电压，从而减少串补系统运行过程中火花间隙误自触发的发生，并解决了由闪络间隙的石墨电极上存在积污、水珠、毛刺等引起的火花间隙系统自触发电压下降的问题。