500 kV 串联补偿装置自触发及主间隙放电分散性研究

林 敏，李 杰

(1.江苏省电力公司，江苏南京 210024；2.江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京 211103)

超高压远距离输电工程中采用串联电容补偿技术可有效补偿输电线路电抗，缩短线路等值电气距离，提高系统输送容量，增强系统的稳定性，同时对输电线路的潮流分布具有一定的调节作用[1]。500 kV 输电线路固定式串联补偿装置投运后，受环境温湿度、电磁干扰等多种因素影响，火花间隙在低于自点火电压定值下易产生自触发，造成串补旁路退出，甚至联跳线路，严重影响电网稳定运行，国内多台固定式串联补偿装置发生过此类故障[2-7]。

国内外研究学者通过对串联补偿装置的检测与分析，认为受现场温度、气压、湿度等因素影响，火花间隙击穿电压存在一定的分散性，间隙间距整定较难控制，易在无触发情况下发生击穿[6-8]。

1 串联补偿装置结构及间隙动作情况

某500 kV 固定式串联补偿装置结构如图1 所示，参数如表1、表2 所示。串联补偿装置由串联电容器、金属氧化物限压器（MOV）、放电间隙、旁路断路器、阻尼元件、触发装置及控保系统组成。其中金属氧化物限制器为电容器主保护，放电间隙为MOV 和电容器后备保护，旁路断路器用于投入和退出串联电容器，阻尼元件用于限制电容器放电电流。

图1 串联补偿装置结构示意图

据统计，该串联补偿装置5年内放电间隙发生了14 次自触发行为，放电电压最小值为148 kV，最大值为218 kV，远远小于间隙放电电压设定值321 kV，如图2 所示。串联补偿装置发生自触发行为条件有2个：间隙因放电分散性自击穿或触发装置产生触发脉冲。为甄别自触发行为的原因，开展间隙放电分散性研究。

表1 串联补偿装置电容器参数

表2 串联补偿装置MOV 参数

图2 放电间隙放电电压情况

2 放电间隙电场不均匀度分析

由于放电间隙为空气间隙，其放电特性与电场的均匀程度密切相关，通过分析空气间隙的电场不均匀度，可为放电特性试验提供参考。

2.1 放电间隙击穿原理

放电间隙是串联补偿装置的核心部分之一，由主间隙G1，G2组成，其结构如图3 所示。

图3 间隙及触发装置工作原理图

正常条件下，2个串联的主间隙G1，G2参数一致，分别承担串联补偿电容器组两端电压的1/2。线路发生故障时，电容器两端出现较大的暂态过电压，触发控制系统向脉冲变压器T1和T2发出点火脉冲，经升压后使密封间隙TRIG1，TRIG2火花塞对球面放电。C1，C2两端的电压迅速降低，主间隙G2上的电压快速升高，主间隙G2发生击穿，电容器组两端电压迅速击穿间隙G1，使得串补电容器组被旁路[9]，因此，放电间隙G1，G2的放电分散性非常关键。

串联补偿装置主间隙G1的结构如图4 所示，包括球形电极g1、球形电极g2、球形电极g3、球形电极g4，其半径分别为r1，r2，r3，r4。其中，球形电极g1、球形电极g4 通过外层铝屏蔽相连；球形电极g2、球形电极g3 通过钢管相连。球形电极g1、球形电极g2的间距d1 很近，构成主放电通道，球形电极g2、球形电极g4 构成引弧通道。球形电极g2、球形电极g3 通过穿墙套管与主间隙G2相连。

图4 主间隙结构图

2.2 主间隙电场计算

以图1 所示的500 kV 固定式串联补偿装置间隙为例，其主间隙的各参数如表3 所示，采用ANSYS 对间隙的电场分布进行计算[10]，分析其电场不均匀度。假设在球形电极g1 上施加100 kV 工频交流电压，球形电极g2 设置为零电位，间隙电场分布如图5 所示，电极g1 和g2 之间场强分布曲线如图6 所示。

表3 串联补偿装置主间隙参数 mm

图5 主间隙电场分布图

图6 主间隙空间电场分布曲线图

由图6 可知，两侧球电极表面最大场强基本相当，中部空间场强最低。当d1=62 mm时，主间隙最大场强为1975 V/mm，最小场强为1400 V/mm，平均场强为1688 V/mm，间隙电场不均匀系数f=1.17，空间电场不均匀度很小，为稍不均匀电场。调整间隙间距d1值，获得不同间距下的间隙空间电场强度最大值，如图7 所示。

图7 不同间距下主间隙空间电场场强最大值

由图7 可知，间隙间距d1在[55 mm，70 mm]之间与空间电场强度基本呈反比线性关系，且均匀度较好。

3 主间隙放电特性试验研究

以主间隙G1为例，搭建主间隙工频放电特性模拟试验平台，如图8 所示。其中，电源采用工频电压发生器[11]，输出电压幅值最高可达600 kV；阻尼电阻值为100 kΩ；高压电极与试品间加装电容分压器，分压器低压侧安装峰值电压表，测量放电电压峰值；主间隙由支柱绝缘子固定。不同间距下主间隙G1 放电电压值如图9 所示。环境相对湿度78%，温度26℃。

图8 试验回路示意图

图9 不同间距下主间隙放电电压值

由图9 试验结果可知：（1）主间隙放电电压值随着间隙间距的增加而增大，当间隙间距增加1 mm时，放电电压平均增大约2 kV。（2）主间隙中d1在[55 mm，70 mm]之间放电电压分散性较小，当间隙间距为55 mm，60 mm，62 mm，65 mm，70 mm，75 mm时，放电电压偏差分别为7.5%，1.7%，2.5%，3.9%，1.6%，1.6%，与仿真结果较为接近。针对图1 所示的串联补偿装置，取间距d1=62 mm时，主间隙G1 和2个间隙G1 串联后的放电电压值如表4 所示。

表4 间隙放电电压值 kV

由表4 可知：（1）主间隙G1+G1 串联后放电电压值约为单个间隙G1的2 倍，放电电压基本为线性增长关系。（2）当d1=62 mm时，两间隙串联后放电电压平均值为315.7 kV，与串联补偿装置的整定值相差1.8%，说明间隙击穿整定值是基于实际放电值设定。

4 结束语

（1）串联补偿装置主间隙三维立体仿真表明，主间隙电场不均匀系数f=1.17，为稍不均匀电场，电场不均匀度很小。

（2）主间隙G1 试验结果表明在[55 mm,70 mm]之间时，间隙的放电分散性较小，放电电压较为稳定，与仿真结果一致。

（3）两间隙串联后的试验结果表明当d1=62 mm时，串联补偿装置放电间隙的放电电压平均值与整定值相当，且远大于历次自触发过程中的放电电压最大值，故放电间隙因放电分散性自击穿的可能性较小。

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