CN108667001A - 一种110kV晶闸管阀型可控避雷器装置及验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种110kV晶闸管阀型可控避雷器装置及验证方法，包括：共同位于低压端的受控元件模块和晶闸管阀开关模块，以及位于高压端的固定元件模块，当系统操作过电压超过控制电压阈值时，晶闸管阀型开关模块导通，受控元件模块被短接，固定元件模块残压低，深度限制系统操作过电压；在系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下，晶闸管阀开关模块断开，受控元件模块和固定元件模块共同承受系统电压或过电压；利用晶闸管阀型可控避雷器装置分别开展静态电位分布试验，在暂时过电压、操作过电压和雷电过电压下的动作特性试验，以及残压试验，能够有效验证可控避雷器的工作原理的正确性，及其在各种过电压下的动作准确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及计量校准领域，并且更具体地，涉及一种110kV晶闸管阀型可控避雷器装置及验证方法。
背景技术
在特高压输电系统中，空气间隙操作冲击放电电压的饱和特性更加显著，深度降低操作过电压水平对减小线路空气间隙有至关重要的作用。操作过电压从1.7pu下降到1.6pu，输电线路空气间隙就平均减小0.6m。此外，操作过电压水平对输变电设备的制造难度亦有一定影响，因此，深度降低操作过电压倍数十分必要。
目前，降低操作过电压主要采取2种方案：1)金属氧化物避雷器和断路器加装合闸电阻2种措施联合使用。两者共同作用可将系统的最大相对地2％统计操作过电压限制在1.6-1.7pu。但是，由于合闸电阻在运行可靠性和经济性方面仍存在较大不足，断路器加装合闸电阻后机构复杂，大幅增加断路器的运行风险，同时断路器加装合闸电阻后成本增加较多，电力系统运行部门和制造厂商均倾向于在系统条件允许的情况下断路器不采用合闸电阻。2)当2个特高压变电站之间的线路较短时，将避雷器额定电压降低，也可以将系统操作过电压限制在1.6-1.7pu。例如，淮南—南京—上海交流特高压输电工程中的最短线路段——苏州-上海段的线路长度仅为60km，如果不采用断路器加装合闸电阻，仅采用金属氧化物避雷器，须将金属氧化物避雷器的额定电压从目前的828kV降至804kV(额定电压降低了3％)，避雷器的荷电率将从目前的0.77升高至0.79。但再长一点的线路，即使将避雷器额定电压降至804kV也无法满足要求。例如特高压交流输电线路长度为85.5km时，采用804kV的避雷器仅能将沿线过电压降至1.74pu，仍然无法满足要求，必须将避雷器的额定电压降至更低，甚至需降至762kV(额定电压降低了8％)才能满足要求。此时避雷器的长期运行荷电率将从目前的0.77升高至0.83，从而使避雷器电阻片在正常运行条件下的老化速度加快，可靠性裕度大幅降低。而且使用762kV避雷器的前提条件还必须是将系统工频过电压限制在母线侧1.2pu、线路侧1.3pu，使用条件极其受限。
因此，研究一种自适应运行条件变化的操作过电压柔性限制方法，该方法的核心内容是将在变电站线路侧安装可控避雷器和在线路中部安装常规避雷器结合起来，深度降低操作过电压，取消断路器合闸电阻。可控避雷器技术是操作过电压柔性限制方法的核心。
晶闸管阀型可控避雷器的结构示意图如图1所示，避雷器本体分为固定元件金属氧化物避雷器2(Metal Oxide Arrester，MOA)和受控元件MOA1，控制单元(Control Unit，CU)由晶闸管阀和触发控制系统组成，MOA1和CU并联。晶闸管阀型可控避雷器的工作原理为：(1)操作过电压下，K触发导通，CU闭合，MOA1被短接，MOA2残压低，可深度降低系统操作过电压。(2)系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下，CU断开，MOA1和MOA2共同承担系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压。
为确定晶闸管型可控避雷器的工作原理的正确性，以及晶闸管阀型可控避雷器在操作过电压、系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下的动作准确性和可靠性，需要一种晶闸管阀型可控避雷器装置并进行验证试验。
发明内容
本发明提出了一种110kV晶闸管阀型可控避雷器装置及验证方法，以解决如何对晶闸管阀型可控避雷器的可行性进行验证的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种110kV晶闸管阀型可控避雷器装置，其特征在于，所述装置包括：共同位于低压端的受控元件模块和晶闸管阀开关模块，以及位于高压端的固定元件模块，当系统操作过电压超过控制电压阈值时，晶闸管阀型开关模块导通，受控元件模块被短接，固定元件模块残压低，深度限制系统操作过电压；在系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下，晶闸管阀开关模块断开，受控元件模块和固定元件模块共同承受系统电压或过电压；其中，
所述受控元件模块，与所述晶闸管阀开关模块并联，与所述固定元件模块串联，所述受控元件模块为氧化锌避雷器，为由多个串联的电阻片构成的单柱结构，安装在一个瓷套内；
所述晶闸管阀开关模块，包括：多组由晶闸管、均压电阻片和限流电抗器组成的开关单元，安装在一个瓷套内；
所述固定元件模块，包括：安装在一个瓷套内并联连接的氧化锌避雷器和均压电容，所述氧化锌避雷器为由多个串联的电阻片构成的单柱结构。
优选地，其中所述受控元件模块的氧化锌避雷器和固定元件模块的氧化锌避雷器均采用QE22型电阻片。
优选地，其中所述限流电抗器为空芯电抗器。
优选地，其中所述受控元件模块和晶闸管阀开关模块的两个瓷套通过铝板连接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用如上所述的装置对晶闸管阀型可控避雷器的可行性进行验证的方法，其特征在于，所述方法包括：
进行静态电位试验，采用光纤-电流法，利用光纤超/特高压避雷器测量仪测量采样电阻的电压，获得流过可控避雷器的电阻片的电流，将各电阻片的电流和平均电流进行对比，确定可控避雷器的电位分布；
进行动作特性试验，对110kV级晶闸管阀可控避雷器装置分别施加工频过电压、操作过电压和雷电过电压，施加每种电压时，均从电压阈值以下的低幅值电压开始施压，逐步上升至电压阈值以上的高幅值电压，通过监测受控元件模块和固定元件模块的总电压以及受控元件模块和晶闸管阀开关模块的并联电压，来判断晶闸管阀开关模块的导通状态，以验证晶闸管阀开关模块在不同电压下的导通和关断性能；
进行残压试验，获得各种规定的电流和波形下的最大残压，以确定可控避雷器的保护性能；
将静态电位试验、动作特性试验和残压试验的试验结果和理论分析结果进行比较，确定晶闸管阀型可控避雷器的可行性。
优选地，其中所述受控元件模块的氧化锌避雷器和固定元件模块的氧化锌避雷器均采用QE22型电阻片。
优选地，其中所述限流电抗器L为空芯电抗器。
优选地，其中所述受控元件模块和晶闸管阀开关模块的两个瓷套通过铝板连接。
本发明提供了一种110kV晶闸管阀型可控避雷器装置及验证方法，包括：共同位于低压端的受控元件模块和晶闸管阀开关模块，以及位于高压端的固定元件模块，当系统操作过电压超过控制电压阈值时，晶闸管阀型开关模块导通，受控元件模块被短接，固定元件模块残压低，深度限制系统操作过电压；在系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下，晶闸管阀开关模块断开，受控元件模块和固定元件模块共同承受系统电压或过电压；利用晶闸管阀型可控避雷器装置分别开展静态电位分布试验，在暂时过电压、操作过电压和雷电过电压下的动作特性试验，以及残压试验，能够有效验证可控避雷器的工作原理的正确性，及其在操作过电压、系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下的动作准确性和可靠性。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为晶闸管阀型可控避雷器的结构示意图；
图2为根据本发明实施方式的110kV晶闸管阀型可控避雷器装置200的结构示意图；
图3为根据本发明实施方式的110kV晶闸管阀型可控避雷器装置的结构图；
图4为根据本发明实施方式的110kV晶闸管阀型可控避雷器装置的外形示意图；以及
图5为根据本发明实施方式的利用110kV晶闸管阀型可控避雷器装置对晶闸管阀型可控避雷器的可行性进行验证的方法500的流程图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图2为根据本发明实施方式的110kV晶闸管阀型可控避雷器装置200的结构示意图。如图2所示，本发明的实施方式提供的110kV晶闸管阀型可控避雷器装置，包括：共同位于低压端的受控元件模块和晶闸管阀开关模块，以及位于高压端的固定元件模块，当系统操作过电压超过控制电压阈值时，晶闸管阀型开关模块导通，受控元件模块被短接，固定元件模块残压低，深度限制系统操作过电压；在系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下，晶闸管阀开关模块断开，受控元件模块和固定元件模块共同承受系统电压或过电压。本发明的实施方式利用晶闸管阀型可控避雷器装置分别开展静态电位分布试验，在暂时过电压、操作过电压和雷电过电压下的动作特性试验，以及残压试验，能够有效验证可控避雷器的工作原理的正确性，及其在操作过电压、系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下的动作准确性和可靠性。本发明的实施方式提供的110kV晶闸管阀型可控避雷器装置200包括：共同位于低压端的受控元件模块201和晶闸管阀开关模块202，以及位于高压端的固定元件模块203，当系统操作过电压超过控制电压阈值时，晶闸管阀型开关模块202导通，受控元件模块201被短接，固定元件模块203残压低，深度限制系统操作过电压；在系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下，晶闸管阀开关模块202断开，受控元件模块201和固定元件模块202共同承受系统电压或过电压。优选地，所述受控元件模块201，与所述晶闸管阀开关模块并联，与所述固定元件模块串联，所述受控元件模块为氧化锌避雷器，为由多个串联的电阻片构成的单柱结构，安装在一个瓷套内。
优选地，所述晶闸管阀开关模块202，包括：多组由晶闸管、均压电阻片和限流电抗器组成的开关单元，安装在一个瓷套内。
优选地，其中所述限流电抗器为空芯电抗器。
优选地，其中所述受控元件模块和晶闸管阀开关模块的两个瓷套通过铝板连接。
优选地，所述固定元件模块203，包括：安装在一个瓷套内并联连接的氧化锌避雷器和均压电容，所述氧化锌避雷器为由多个串联的电阻片构成的单柱结构。
优选地，其中所述受控元件模块的氧化锌避雷器和固定元件模块的氧化锌避雷器均采用QE22型电阻片。
图3为根据本发明实施方式的110kV晶闸管阀型可控避雷器装置的结构图。如图3所示，在本发明的实施方式中，110kV级晶闸管阀型可控避雷器装置主要由受控元件MOA1、固定元件MOA2和晶闸管阀开关K组成。其中，MOA2并联有均压电容Cx，晶闸管阀开关K包括：均压电阻片MOR、反并联晶闸管对SCR和限流电抗器L。MOA1和K并联，MOA1和MOA2串联。
设备总的额定电压UR＝93kV，受控元件的额定电压URMOA1＝23.25kV，固定元件的额定电压URMOA2＝69.75kV；设备持续运行电压UC＝73kV，受控元件的持续运行电压UCMOA1＝18.25kV，固定元件的持续运行电压UCMOA2＝54.75kV；可控比α＝25％；控制电压阈值US0＝128kV。
当系统操作过电压超过控制电压阈值US0时，K导通，受控元件MOA1被短接，MOA2残压低，深度限制系统操作过电压；在系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下，K断开，MOA1和MOA2共同承受系统电压或过电压。
MOA1和MOA2的参数和芯体设计为：MOA1和MOA2均采用QE22型电阻片，尺寸为Φ75mm×22mm，MOA1为单柱、7片电阻片串联结构，MOA2为单柱、21片电阻片串联结构，MOA1和MOA2分别安装在两个瓷套内。
MOA2的均压电容的参数和结构设计为：均压电容Cx的容量值为57.6pF，由15只950～990pF的小电容串联组成，和MOA2并联安装在同一瓷套内。
晶闸管阀开关K单独安装在一个瓷套内，包括晶闸管SCR、均压电阻片MOR和限流电抗器L。SCR采用ABB公司生产的5STP 08F6500型晶闸管。MOR采用QE15.4型电阻片，尺寸为Φ75mm×15.4mm型电阻片。L为空芯电抗器，尺寸为Φ75mm×33.6mm，单只电抗器电感值约16μH。SCR、MOR和L串联，共十组。
图4为根据本发明实施方式的110kV晶闸管阀型可控避雷器装置的外形示意图。如图4所示，固定元件MOA2与Cx安装在一只瓷套里，布置在高压端；受控元件MOA1安装在一只瓷套里，由SCR、MOR和L组成的K单独安装在一个瓷套内，MOA1和K两只瓷套之间通过铝板连接，两者共同处于低压端。
图5为根据本发明实施方式的利用110kV晶闸管阀型可控避雷器装置对晶闸管阀型可控避雷器的可行性进行验证的方法500的流程图。如图5所示，本发明的实施方式提供的使用如图2所示的110kV晶闸管阀型可控避雷器装置对晶闸管阀型可控避雷器的可行性进行验证的方法500从步骤501处开始，在步骤501进行静态电位试验，采用光纤-电流法，利用光纤超/特高压避雷器测量仪测量采样电阻的电压，获得流过可控避雷器的电阻片的电流，将各电阻片的电流和平均电流进行对比，确定可控避雷器的电位分布。
优选地，在步骤502进行动作特性试验，对110kV级晶闸管阀可控避雷器装置分别施加工频过电压、操作过电压和雷电过电压，施加每种电压时，均从电压阈值以下的低幅值电压开始施压，逐步上升至电压阈值以上的高幅值电压，通过监测受控元件模块和固定元件模块的总电压以及受控元件模块和晶闸管阀开关模块的并联电压，来判断晶闸管阀开关模块的导通状态，以验证晶闸管阀开关模块在不同电压下的导通和关断性能。
优选地，在步骤503进行残压试验，获得各种规定的电流和波形下的最大残压，以确定可控避雷器的保护性能。
优选地，在步骤504将静态电位试验、动作特性试验和残压试验的试验结果和理论分析结果进行比较，确定晶闸管阀型可控避雷器的可行性。
在本发明的实施方式中，分别利用所提出的110kV级晶闸管阀型可控避雷器装置开展了静态电位分布试验，在暂时过电压、操作过电压和雷电过电压下的动作特性试验，以及残压试验。试验方法如下：
对于静态电位分布试验：采用光纤-电流法，主要利用光纤超/特高压避雷器测量仪，通过测量采样电阻的电压，获得流过避雷器电阻片的电流，将各电阻片电流和平均电流进行对比，得到避雷器的电位分布。若110kV电压等级可控避雷器静态电位分布计算和测试结果基本一致，说明计算方法正确、试验方法可行。
对于动作特性试验：给110kV级晶闸管阀可控避雷器模型分别施加工频过电压、操作过电压和雷电过电压，施加每种电压时，均从电压阈值以下的低幅值电压开始施压，逐步上升至电压阈值以上的高幅值电压，通过监测MOA1和MOA2的总电压、MOA1和K的并联电压，来判断K的导通状态，验证K在不同电压下的导通和关断性能，从而验证控制原理的可行性和准确性。若可控避雷器在暂时过电压、操作过电压和雷电过电压下的试验均表明所制定的动作特性试验方法是可行的，可控避雷器可在暂时过电压和操作过电压下准确动作。
对于残压试验：获得各种规定的电流和波形下某种给定设计的最大残压，以确定可控避雷器的保护性能。可控避雷器的残压试验表明改进回路可以有效延长避雷器残压的波头时间，所获得的可控避雷器电压电流相位关系更具有系统等效性，改进的残压回路和试验方法均具有可行性。
优选地，其中所述受控元件模块的氧化锌避雷器和固定元件模块的氧化锌避雷器均采用QE22型电阻片。优选地，其中所述限流电抗器L为空芯电抗器。优选地，其中所述受控元件模块和晶闸管阀开关模块的两个瓷套通过铝板连接。
由于110kV可控避雷器的静态电位试验、动作特性试验和残压试验的试验结果和理论分析结果基本吻合，说明可控避雷器方案是可行的。因此，本发明的实施方式所提出的110kV级晶闸管阀型可控避雷器装置可有效验证可控避雷器工作原理的正确性，及其在操作过电压、系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下的动作准确性和可靠性。
本发明的实施例的利用110kV晶闸管阀型可控避雷器装置对晶闸管阀型可控避雷器的可行性进行验证的方法500与本发明的另一个实施例的110kV晶闸管阀型可控避雷器装置200相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (8)
1.一种110kV晶闸管阀型可控避雷器装置，其特征在于，所述装置包括：共同位于低压端的受控元件模块和晶闸管阀开关模块，以及位于高压端的固定元件模块，当系统操作过电压超过控制电压阈值时，晶闸管阀型开关模块导通，受控元件模块被短接，固定元件模块残压低，深度限制系统操作过电压；在系统持续运行电压、暂时过电压和雷电过电压下，晶闸管阀开关模块断开，受控元件模块和固定元件模块共同承受系统电压或过电压；其中，
所述受控元件模块，与所述晶闸管阀开关模块并联，与所述固定元件模块串联，所述受控元件模块为氧化锌避雷器，为由多个串联的电阻片构成的单柱结构，安装在一个瓷套内；
所述晶闸管阀开关模块，包括：多组由晶闸管、均压电阻片和限流电抗器组成的开关单元，安装在一个瓷套内；
所述固定元件模块，包括：安装在一个瓷套内并联连接的氧化锌避雷器和均压电容，所述氧化锌避雷器为由多个串联的电阻片构成的单柱结构。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述受控元件模块的氧化锌避雷器和固定元件模块的氧化锌避雷器均采用QE22型电阻片。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述限流电抗器L为空芯电抗器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述受控元件模块和晶闸管阀开关模块的两个瓷套通过铝板连接。
5.一种使用如权利要求1所述的装置对晶闸管阀型可控避雷器的可行性进行验证的方法，其特征在于，所述方法包括：
进行静态电位试验，采用光纤-电流法，利用光纤超/特高压避雷器测量仪测量采样电阻的电压，获得流过可控避雷器的电阻片的电流，将各电阻片的电流和平均电流进行对比，确定可控避雷器的电位分布；
进行动作特性试验，对110kV级晶闸管阀可控避雷器装置分别施加工频过电压、操作过电压和雷电过电压，施加每种电压时，均从电压阈值以下的低幅值电压开始施压，逐步上升至电压阈值以上的高幅值电压，通过监测受控元件模块和固定元件模块的总电压以及受控元件模块和晶闸管阀开关模块的并联电压，来判断晶闸管阀开关模块的导通状态，以验证晶闸管阀开关模块在不同电压下的导通和关断性能；
进行残压试验，获得各种规定的电流和波形下的最大残压，以确定可控避雷器的保护性能；
将静态电位试验、动作特性试验和残压试验的试验结果和理论分析结果进行比较，确定晶闸管阀型可控避雷器的可行性。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述受控元件模块的氧化锌避雷器和固定元件模块的氧化锌避雷器均采用QE22型电阻片。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述限流电抗器L为空芯电抗器。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述受控元件模块和晶闸管阀开关模块的两个瓷套通过铝板连接。
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