可控串补区内故障间隙自触发问题分析及处理建议

王俊平

(黑龙江省电力有限公司检修公司齐齐哈尔分部,黑龙江 齐齐哈尔 161000)

可控串补区内故障间隙自触发问题分析及处理建议

王俊平

(黑龙江省电力有限公司检修公司齐齐哈尔分部,黑龙江 齐齐哈尔 161000)

针对冯屯500 kV可控串补站在区内瞬时性单相接地故障过程中的火花间隙系自触发问题,笔者根据火花间隙的结构和原理,结合伊冯甲线可控串补保护动作和录波数据, 分析了火花间隙的自触发原因,结果表明,火花间隙的自触发与火花间隙元件本身和环境因素有关,伊冯甲线可控串补火花间隙自触发属于误触发。同时,为保证伊冯甲线可控串补系统安全运行,提出对投运火花间隙进行定期维检建议。

可控串补;火花间隙;金属氧化物限压器;保护动作;间隙自触发

可控串补(TCSC)是灵活交流输电技术(FACTS)中较成熟的技术之一,在一定范围内灵活改变串补装置的电抗,可以有效缩短交流输电的等值电气距离,提高输电能力和系统运行的稳定性,同时还具有阻尼系统低频功率振荡、调节线路潮流的作用,与固定串补相(FCS)比,能够在故障期间通过晶闸管旁路降低短路电流,对抑制系统次同步谐振能够起到一定的作用。因此,本文阐述了可控串补火花间隙的结构和触发原理,以2014年7月9日伊冯甲线发生W相瞬时性接地故障为例,分析了可控串补火花间隙自触发的原因,提出了保证火花间隙可靠运行措施,以提高可控串补可用率。

1 故障情况概述

冯屯500 kV串补站2014年7月9日15时46分,伊冯甲线发生W相瞬时性接地故障,线路保护正确动作,线路重投成功,故障测距107 km,故障电流4200 A。伊冯甲线固定串补装置W相固定串补重投成功;可控串补金属氧化物限压器(MOV)保护动作,线路保护退W相可控串补,W相间隙自触发保护动作,线路联跳保护动作,合三相可控旁路断路器,可控串补装置退出运行,未自动重投。在此期间伊冯甲线正常运行,伊冯甲线可控串补控制保护SOE信息如表1所示。

2 冯屯500 kV可控串补火花间隙及火花间隙自触发保护

2.1 冯屯500 kV可控串补火花间隙结构及触发原理

火花间隙系统是串补补偿平台的关键设备,是串联补偿电容器组工频暂时过电压和金属氧化物限压器过载的重要保护设备。由于触发方式不同,火花间隙可为分压式间隙和等离子间隙两种类型,一般设计为强制触发型。火花间隙强制触发回路如图1所示。

表1 伊冯甲线可控串补保护动作SOE信息

图1 火花间隙强制触发回路

冯屯串补站可控串补火花间隙的触发方式采用强制触发方式,火花间隙采用单间隙型式,由触发回路和主间隙组成。主间隙内部又分为闪络间隙和续流间隙两部分。为使火花间隙系统能够安全运行,火花间隙的自触发电压应高于金属氧化物限压器的过电压保护水平,并留有安全裕度,两者的配合系数一般取1.1,当MOV的电压保护水平为2.4 p.u,则保护火花间隙的自触发电压为2.5 p.u。火花间隙触发的导通时间、不触发条件下的最小工频放电电压、火花间隙介质强度的恢复时间以及恢复电压等性能指标需通过试验确定。

火花间隙是金属氧化物限压器的主保护和电容器的后备保护,接受到触发命令,可以瞬间放电,在线路出现故障、MOV过载或其他需要快速旁路电容器组的情况下,通过触发调节间隙的距离以满足不同的保护整定值和故障情况[2]。对火花闪络间隙的要求:间隙距离固定,自然闪络电压稳定,重复闪络多次后仍能维持稳定的自然闪络电压;触发闪络电压不应受环境条件影响。

火花间隙自放电原理如下:火花间隙两端承受串联电容器组上的电压,电压平均分配在均压电容上,当电压达到密封间隙T1的自放电电压时,两个密封间隙导通;后电压通过电容的充电过程全部集中在电容器C1上,主间隙M1击穿,电容器放电;电压过渡到电阻器R上,主间隙M2击穿,火花间隙自放电导通[3]。火花间隙自触发动作完全取决于间隙两端的电压,不依赖与控制保护逻辑和故障点范围。火花间隙的自放电应设置高于金属氧化物限压器建立的保护电压水平。有指令时快速触发,无指令时不动作。可见,火花间隙的快速性、可靠性影响了整个可控串补系统的安全。因此,有必要对火花间隙自触发进行研究分析。

2.2 火花间隙的自触发保护功能及串补保护录波分析

火花间隙工作应在可控触发模式下,在串补控制保护装置判断MOV电流、吸收能量或温升超过定值的情况下应可靠触发。火花间隙自触发保护是指火花间隙自主击穿,保护系统在未发出间隙触发命令时检测到间隙有电流,火花间隙没有自熄灭功能,则该保护动作,保护动作闭合三相旁路断路器[4]。火花间隙自触发保护设置主要目的是作为火花间隙的自身保护。若最近两次间隙自触发间隔超过1 h,则本次保护动作后经延时串补自动重投,否则禁止重投。伊冯甲线可控串补保护录波如图2所示。

由图2分析可知,在保护发出间隙触发命令(低电平有效)前间隙已有电流,保护检测到火花间隙电流且此时保护装置未发出间隙触发命令,故间隙自触发保护动作,保护动作符合其判据,动作正确。另外,在保护最初设计时,为保障可控串补的安全,在间隙自触发保护动作后,若再有其他保护动作如单相金属氧化物限压过电流、单相线路联动等,则可控串补不再自动重投。线路保护动作退故障相可控串补保护是指可控串补控制保护系统收到线路保护的联动信号,确认该信号有效则该保护动作,触发故障相火花间隙(包括晶闸管阀),单相线路联动则闭合故障相旁路断路器(故障相两侧线路断路器跳闸后,避免了线路断路器暂态恢复电压超标[5];为了减少潜供电流,保证重合闸的快速动作[6])且经延时自动重投,多相线路联动闭合三相旁路断路器且不重投。录波器波形开关量信息及保护动作SOE信息表均表明,这种工况属于火花间隙自触发伴随线路故障(线路联动)发生,与固定串补相比,可控串补多了晶闸管阀组,其安全运行条件较苛刻,故此种情况下固定串补可以重投,而可控串补不再自动重投。

图2 伊冯甲线可控串补保护录波图

3 火花间隙自触发原因分析

火花间隙的主要特点体现在火花间隙导通的可控性。火花间隙自触发是指当火花间隙两端的电压达到一定的电压水平时,在未接收到串补保护装置发送的触发命令时,火花间隙的电极过压击穿,形成放电回路从而导通,这是火花间隙本身的物理特性[7]。火花间隙自触发击穿(包括强制触发击穿),电容器组中巨大能量可以释放,可靠保护金属氧化物限压器,并间接保护串联补偿电容器组。从火花间隙系统及触发原理可知,导致间隙自触发的原因,主要可能有以下几种。

1) 火花间隙放电电压具有一定的分散性。火花间隙的触发动作不应受温度、湿度、大气压力、电磁干扰等外界环境因素的影响[8]。球形或半球形火花间隙放电电压稳定性好,但现场串补装置的火花间隙受上述诸多因素影响,放电电压因而具有一定分散性。

2) 触发火花间隙放电电压的影响。触发火花间隙被密封在瓷套内,受环境因素影响较小,其放电电压具有较好的稳定性。触发火花间隙放电电压与气隙距离成线性关系,只要气隙距离不发生变化,放电电压不会发生变化。

3) 电容均压系统的影响。由于串补装置投入运行时间较长,火花间隙相关元件可能出现缺陷,如均压电容元件可能发生部分电容击穿,使电容器电容量减少,导致火花间隙电压分布不均匀。如果低压侧间隙承担电压高,就会导致火花间隙在串补未到定值就发生自放电[9]。

可控串补火花间隙自触发,必将造成可控串补不再重投。冯屯串补站投运以来,由于夏、秋季气温高,空气相对密度低,火花间隙放电电压低,易放电等多种因素,先后导致3起线路瞬时性故障可控串补未重投:2009年09月01日,500 kV伊冯甲线U相线路故障,重合成功,串补固定重投成功,可控未重投;2014年07月09日,伊冯甲线发生W相线路故障,串补固定重投成功,可控未重投;2014年9月25日,伊冯甲线U相瞬时故障重合成功,伊冯甲线固定串补装置重投成功,可控串补未重投。为了保证火花间隙在任何条件下都有触发系统控制放电,而不发生自放电,闪络间隙的距离必须根据夏天的最低大气密度来整定。由于线路故障电流较大,造成电容器两端电压突然急剧增大,再加上间隙导通受环境、气候等不确定外界因素的影响,导致主间隙两端绝缘降低而击穿,进而主间隙导通。保护动作发生在阴雨天气,依据掌握的其他线路串补装置的运维数据,在天气为阴雨、下雪或大雾天气情况下线路发生短路故障时极易发生主间隙在没有达到设计导通电压的情况下导通而引发火花间隙自触发保护动作。因此,2014年7月9日15时46分伊冯甲线可控串补火花间隙自触发属于误触发。

4 结论及建议

通过伊冯甲线可控串补保护录波信息和火花间隙自触发分析结果可知,伊冯甲线单相瞬时性接地过程中,可控串补装置控制保护动作正常,可控火花间隙在没有收到点火触发信号的条件下发生区内故障提前击穿,属于误触发。火花间隙自触发的原因与火花间隙元件本身和环境因素有关。因此,为了伊冯甲线可控串补的安全可靠运行,建议定期对投运的火花间隙参数进行以下几个方面维护检试。

1) 间隙的间隙外壳、支撑绝缘子、穿墙套管、各电极以及均压电容器等其他零部件的外观检查,确认无破损和漏油情况。

2) 各电极、支撑绝缘子、穿墙套管和均压电容器表面需要用布将其表面擦拭干净。如果石墨电极表面有灼烧痕迹,需用锉刀和砂布小心打磨,使其表面平整、光滑后再用布擦拭干净。

3) 定期对投运的串补装置火花间隙参数进行测试,如均压电容参数、触发间隙放电电压、穿墙套管介质损失和电容量及均压电容放电回路的电阻。

4) 火花间隙放电电压可能会受到环境因素影响,需要在实验室环境做各种温度和湿度下间隙放电电压检测,研究火花间隙在不同温度、气压和湿度情况下火花间隙放电电压的变化规律。

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(责任编辑 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,高级技师,现从事变电站、串补站运行维护工作。

TM772

A

2095-6843(2015)04-0364-04