快速开关型串联补偿装置中MOV容量的确定

朱跃，周越，张金凤（.国网陕西省电力公司，陕西西安　70048；.西安交通大学电气工程学院，陕西西安　70049）

快速开关型串联补偿装置中MOV容量的确定

朱跃1，周越2，张金凤2
（1.国网陕西省电力公司，陕西西安710048；2.西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049）

金属氧化物限压器（MOV）是快速开关型串联电容补偿装置中的关键元件之一，其容量的选择取决于快速开关合闸时间、短路电流值的大小、非线性阀片并联时的不均匀系数以及阀片温度特性等因素。由于MOV的工况与ZnO避雷器不同，其承受的负荷是由工频而不是雷电或者操作过电压产生，作用时间长，因而，MOV容量的选择与常规避雷器存在很大差别。采用EMTP数值仿真方法对上述各影响因素进行了计算分析，给出了各因素与MOV吸收能量的关系，提出了在实际串联补偿装置设计时必须综合考虑各方面的因素并进行技术经济分析后确定MOV的容量。

串联电容补偿；金属氧化物限压器；快速开关；配电线路

串联电容补偿（串补）技术具有无时滞正向补偿无功功率的特性，对于提高配电线路功率因数，解决线路末端低电压问题，降低线损，提高电压稳定性具有技术上的先进性［1-2］，目前开始在配电网辐射状线路上应用。配电网串补装置主要有MOV+快速开关型和可控硅+负荷开关型2种形式，以前者应用较多。图1为MOV+快速开关型串补装置电路原理接线图，其工作原理如下：

图1　快速开关型串联电容补偿装置原理接线Fig.1　Schematic diagram of highspeed-switchgear-type series capacitor compensation

1）串补正常工作时，检修刀闸闭合，旁路刀闸打开，快速开关处于分闸状态，电容器C流过工作电流对线路实现补偿，MOV不动作。

2）当串补之后的线路发生两相或三相短路时，短路电流流过电容器C，C两端电压迅速升高，达到MOV动作电压后MOV无时延动作限制电压，保护电容器绝缘不被击穿，同时向快速开关发合闸信号。

3）快速开关合闸，将短路电流转移到开关回路，保护电容器和MOV。

4）线路出线开关分闸，切断短路。

图2为线路发生三相短路全过程电容器C两端电压和MOV电流的典型仿真波形图，可以看到，当线路发生短路时，MOV首当其冲发挥限压保护作用并在快速开关合闸之前始终承受过电压应力作用，因而是串补装置中重要的核心保护元件，在串补装置设计中MOV容量的确定是非常关键的工作，过大的冗余容量不仅造成装置成本的增加，更重要的是带来MOV因并联柱数过多制造困难，容量设计不足，将直接发生短路故障时MOV的损坏，因而造成电容器的击穿损坏［3］。

图2 短路过程串补电容器电压及MOV电流波形Fig.2　Curve of capacitor voltage and MOV current in the short circuit

1　快速开关合闸时间对MOV容量的影响

快速开关在线路发生短路时起到旁路电容器和MOV的作用，其关合时间的快慢直接关系到MOV中流过电流时间的长短，从而是决定MOV容量最直接的因素［4］。图3是对一个实际串补工程开关合闸时间与MOV承受能量关系的仿真结果，图中给出的是三相中MOV承受能量最大一相的结果，串补电容器容抗Xc=7.07 Ω，线路三相短路电流有效值（无MOV接入时的短路电流值）1 060 A。

可以看出，快速开关关合时间从5～40 ms，MOV承受的能量从27.6 kJ增大到218 kJ，MOV吸收的能量与开关合闸时间呈线性增长，因此，在不考虑快速开关拒动的情况下，选择尽可能短的合闸时间开关可以大大减小MOV吸收的能量，进而减少MOV并联的柱数，降低制造难度和成本。

图3合闸时间-MOV吸收能量Fig.3　Close time-energy MOV recieved

快速开关型串补装置中的快速开关是特殊设计的开关，采用电磁斥力结构或大功率永磁结构，可以将合闸时间减小到10 ms以内，为降低MOV的容量奠定了一定的基础。但过快的合闸速度也导致开关可靠性的降低，动作稳定性下降，拒动概率增加，特别是带来开关造价的大幅度增加，因此，快速开关的合闸时间选取应当与MOV容量综合考虑，取得技术经济上的最优，特别是如果将开关拒动因素考虑后，MOV容量的选取将不再由快速开关的合闸时间作为唯一因素，过快的合闸时间已没有实际意义。

2　线路短路电流对MOV容量的影响

一般10 kV辐射状线路三相短路电流均大于两相短路，而发生在串补装置出口处的三相短路通常使流过串补装置的电流最大。因而计算MOV承受能量时均以装置出口三相短路作为计算条件。影响短路电流大小的因素很多，变电站出口电压、串补安装的位置（变电站到串补安装点线路的阻抗）是最主要的2个因素，而在同样的开关合闸时间下，短路电流越大，MOV承受的能量越大。

图4给出了快速开关10 ms合闸时间下，MOV同样的V-A特性短路电流与MOV吸收能量的关系曲线。可以看出，随短路电流的增大，MOV吸收的能量呈线性并有向指数发展的趋势，这是因为MOV阀片非线性V-A特性带来的结果。

当采用欠补偿时，串补电容容抗与变电站到串补安装点线路的感抗有可能相等，形成电感电容全谐振的短路状况。此时三相短路的电流有可能较大，MOV的负荷较重。但通常辐射状配电线路考虑到造价和电压提升等原因，串补常采用过补偿方式，因而一般不会发生上述谐振状况，过分靠近线路出线端安装串补装置，由于线路电阻较小，将带来大的短路电流，从而使MOV吸收的能量增大。一般建议串补安装的位置位于全线电压降落的1/2～1/3区段［1］。

图4短路电流-MOV吸收能量Fig.4　Short current-energy MOV received

3　阀片不均匀系数及温度系数对MOV容量的影响

由于串补装置中MOV是在工频过电压下工作，并且耐受过电压的时间远比雷电或操作过电压长，因而其吸收的能量大，通常都由多柱并联组成一个单元组。当单元组中各柱阀片的不均匀系数较大时，在短路故障情况下各柱通过的电流不均匀，会形成MOV元件的“短板”效应，导致MOV的损坏［5］。标准DL/T1156-2012“串联补偿装置用金属氧化物限压器”中规定：所有并联在一起使用的MOV电阻片柱电流分布系数λ应不大于1.1，其中电流分布系数的定义为并联在一起的电阻片柱（或单元）之间，流过的最大电流与平均电流之比［6］。因电流分布不均匀导致MOV损害的根本原因是阀片的负温度系数特性。表1为［7］给出的用于MOV的非线性阀片在200～2 000 A范围内的温度系数，可以看到，电流在1 200 A以下温度从10～70℃时阀片的温度系数都是负数，且电流越小负温度系数越大。

阀片负的温度系数导致当其流过更大的电流而温度升高时，阀片的电阻值降低，从而导致流过的电流更大，温度更高的恶性循环，最终导致阀片热崩溃损坏［8-12］。研究结果表明［7］，多柱并联时，将λ控制在1.1以下需要超过22%或更大的冗余容量才能保证MOV的可靠运行，建议控制λ≤1.05并留有25%的冗余容量。

表1用于MOV的阀片的温度系数Tab.1　Temperature coefficient of MOV valve

在10 kV配电等级的串补MOV中，每柱阀片动作时通过的电流在100～500 A范围，工作在负温度系数区间。要保证λ≤1.05比较困难。表2为用于MOV典型的D105阀片伏安特性，阀片厚度2.2 cm，U1mA= 5.3 kV，因为10 kV串补通常MOV的动作电压在3.0～8.0 kV范围，每柱中阀片一般为1～2片，有时单片还需要磨片，难以通过多片选配来保证λ≤1.05的要求，只能通过大量选片，增加了制造难度和MOV造价。

表2D105阀片V-A特性Tab.2　V-A data of D105 valve

4　工程设计时MOV容量的确定

串补工程是一对一设计的工程，原则上讲必须每一个具体工程具体设计，包括其中的MOV元件。上述各节把影响MOV容量的因素及影响程度进行了计算分析。在实际工程中，MOV容量选取应当以实际线路为仿真对象进行计算，计算中必须考虑的参数包括：

1）线路参数。线路的长度、导线的型号及架设方式。

2）串补装置安装位置。具体在线路中的安装点。

3）串补度。实际的串补电容器电容量或容抗值。

4）负荷参数。负荷大小、功率因素、运行方式。

5）保护动作时间。考虑最严酷的保护动作方式。

因为必须考虑快速开关拒动的可能，因此实际串补工程中都设计了后备保护方案，以保证发生快速开关拒动时仍然能够保护串补装置不至损坏。此时，MOV容量的确定必须以最长动作时间最为计算的基础。例如，目前大多数串补装置均以变电站出线开关作为后备保护，则MOV容量的选择就不能以快速开关的合闸时间而必须以出线开关的短路分闸动作时间来确定，通常这个时间≥100 ms，MOV的容量会大幅度增加。较为先进的串补装置中采用了双断路器设计，不仅可以将保护的可靠性提高一倍，而且因为大大缩短了MOV通流的时间，使MOV的容量大幅度降低，装置的综合造价反而有可能降低，设计时，MOV的容量可以按照第二开关的合闸时间作为基础来计算。综合以上各点，实际串补工程设计中MOV容量可以按照以下步骤来计算确定：

1）满足可靠性要求的前提下，按照设计中保护最长动作时间和最严重短路方式计算MOV承受的能量。

2）验算发生铁磁谐振时上述容量是否满足要求，如不满足应调整铁磁谐振保护方案。

3）根据MOV制造厂商的能力确定其保证的λ值。

4）根据实际的λ值确定裕度。当λ≤1.05时，应当在上述容量计算值的基础上预留25%～30%的容量裕度，以此作为MOV的实际容量设计值。

5　结语

本文研究了10 kV配电线路串补装置中影响MOV容量选择的主要因素，得出断路器合闸时间是决定MOV容量的主要因素。合闸时间与MOV容量呈线性正比关系，阀片的负温度系数是造成多柱并联MOV较大λ值故障损坏的根本原因，必须在实际串补工程设计时根据实际λ值留有足够的容量冗余。文中还给出了10 kV串补装置MOV设计的一般步骤。

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Capacity Determination of MOV for the 10 kV Highspeed-Switchgear-Type Series Capacitor Compensation

ZHU Yue1，ZHUO Yue2，ZHANG Jinfeng2
（1.State Grid Shaanxi Electric Power Company，Xi'an 710048，Shaanxi，China；2.School of Electrical Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，Shaanxi，China）

MOV is one of the key elements of highspeedswitchgear-type series capacitor compensation，and its capacity is determined by the close time of highspeed-switchgear，the current value of short circuit and the nonuniform coefficient of shunt connected non-line valves and the temperature characteristic of valves.Because of the different working conditions，MOV bears the power frequency stress rather than lighting or switching stress，thus the stress applied is longer，and the method to determine the capacity of MOV is quilt different from those for conventional lightning arrestors.This paper makes an analysis of the above effect factors using the EMTP，and gives the relationship between the energy MOV received and the effect factors.The paper puts forward the MOV capacity which should be determined by comprehensively considering all the effect factors and through the tech-economic analysis in the practical design of the series shunt reactors.

series capacitor compensation；MOV；highspeed-switchgear；distribution line

1674-3814（2016）06-0007-04

TM862

A

2016-03-27。

朱跃（1958—），男，工学硕士，高级工程师，研究方向为过电压数值仿真，过电压与绝缘配合，高电压测量技术。

（编辑冯露）

国家自然科学基金项目支持（51277148）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51277148）.