基于500 kV线路区外故障引发的串补旁路分析

夏 武，黄 聪，欧俊延

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司柳州局，广西 柳州 545006)

0 引 言

火花放电间隙(GAP)是500 kV串联系统电容器的过压保护设备。线路故障期间，通过串补控制保护系统的触发信号，使之迅速触发击穿，从而使串联在线路上的电容器组和金属氧化物避雷器(MOV)旁路，避免金属氧化物避雷器因发热而爆炸损坏。因此，在串补设备投运前，火花间隙的耐压水平均经过严格的仿真计算以及人工短路试验的实际考核，就是防止在线路区外故障期间或其他系统扰动下，间隙发生自触发现象，从而使串补旁路，影响输电线路的经济运行以及电力系统的稳定性[1-2]。该文针对某500 kV乙线路区外故障期间，对某500 kV甲线路串补火花间隙的自触发现象进行合理性分析，其分析方法有助于运维人员快速判断设备的具体状态并作出应对措施，防止对火花间隙进行过度的试验和调整。

1 基本情况

2021-07-04 04:52:46:530，监控系统报：500 kV甲线串补A、B套保护出口合闸，甲线串补在旁路状态。现场一次设备检查无异常，保护动作情况为500 kV山河甲线串补主一、主二保护A相间隙自触发，间隙三相旁路。通过查找问题得知，2021-07-04 04:52，500 kV乙站500 kV乙线跳闸，AB相间故障，而500 kV乙线故障对于500 kV甲线而言属于区外故障，500 kV甲线串补单相一次接线如图1所示。

图1中，G1为串补旁路开关，DS1、DS2为串补与输电线路的隔离开关，GS1、GS2为串补电容两端的接地开关，Igap为火花间隙支路电流，Imov为MOV(金属氧化物可变电阻)支路的总电流，Imov1为MOV1分支支路的电流，Icap为串补电容支路电流，Iunb为串补电容不平衡电流，Iby为旁路开关电流，Iline为串补线路电流。

图1 串补单相一次接线图Fig.1 Single phase primary wiring diagram of series compensation

2 间隙自触发原理分析

当火花间隙两端承受的电压超过其特定的耐受电压时，无需接收控保系统的触发命令，即利用过压将电极两端击穿，通过电极电弧形成稳定的放电回路。这一物理现象，是通过火花间隙其自身的物理特性而决定的。

500 kV甲线串补平台的XLSK-45PL型火花放电间隙用于过电压保护，当超过特定的耐受电压后，火花间隙被击穿，MOV和电容器组被旁路，防止了MOV和电容器组因过电压或过热而损坏。

XLSK-45PL型火花放电间隙有两种触发方式：第一种为强迫触发，第二种为自触发。XLSK-45PL型火花放电间隙不是自熄灭型，本身没有灭弧能力，其电弧要在旁路开关合上或线路开关跳闸后才能熄灭，由主间隙、阻尼电阻、分压电容器、脉冲变压器组成。

XLTK-45 PL型火花放电间隙原理图如图2所示，具体如下。

图2 XLTK-45PL型火花放电间隙原理图Fig.2 Schematic diagram of XLTK-45PL spark discharge gap

主间隙触发原理：密封间隙TRIG1在来自触发控制箱的高压脉冲的作用下触发；TRIG1导通后，均压电容器C1经TRIG1和限流电阻R1放电，放电时间大约为18 μs(该时间由C1和R1确定)。C1放电电流流经密封间隙TRIG2的初级绕组，相应的，在次级绕组产生触发脉冲将TRIG2触发。TRIG2导通后分压电容器均压电容器C2经TRIG2和限流电阻R2放电，放电时间大约为18 μs(该时间由C2和R2确定)；当C1、C2放电后，触发电压将全部加在均压电容器C3、均压电容器C4上，此时主间隙G2也承受相同的电压，G2触发导通；G2导通后触发电压全部加在主间隙G1上，G1导通；在G1、G2导通的共同作用下，整个火花放电间隙击穿导通，两间隙间的电弧将移向最终的燃弧位置[3-4]。

3 保护动作行为分析

2021-07-04 04:52:46:530，500 kV甲线串补第一套、第二套控制保护系统PCS-9570C均动作出口合上三相旁路断路器(重投功能根据调度规定已退出)，两套系统动作时序如表1所示。

表1 控制保护系统动作时序表Table 1 Action sequence of control and protection system

3.1 故障波形及保护逻辑分析

串补保护触发间隙后要求火花间隙能够迅速(几毫秒以内)将串补旁路退出运行，为检测火花间隙动作是否迅速且正确，间隙保护主要设置有间隙自触发保护、持续触发保护、延迟触发保护和拒触发保护。间隙保护定值如下表2所示。

表2 间隙保护定值表Table 2 Setting value of gap protection

根据间隙自触发保护逻辑(如图3所示)，如果之前没有发出触发命令(且另一套串补保护没有间隙触发信号，该信号由另一套保护输出一副接点作为本套保护的开入接入本套保护装置)而间隙电流(I_SG_A)幅值高于定值SG_I2，经过25 ms延时后间隙自触发保护动作，旁路串补三相[5]。

图3 A相间隙自触发保护动作逻辑图Fig.3 Logic diagram of A phase gap self triggering protection action

经暂时闭锁SG_T22时间后准备重投，若为单相故障且线路电流满足重投条件则发出重投允许命令，最后保护根据其他保护的动作情况和闭锁信号判断是否发分闸命令，电容器过负荷保护和间隙自触发保护则允许三相重投，但是当间隙自触发的次数或过负荷的次数达到定值时，会串补永久旁路，闭锁串补重投，否则串补三相旁路、永久闭锁。

若在时间窗SG_T21内自触发动作次数超过自触发允许动作次数定值SG_NO则三相旁路且永久闭锁，不再重投，注意这里的动作次数是分相计数，即A相动作一次，B相动作一次并不会统计为两次。

从当前时间往前推SG_T21时间内最早一次间隙自触发动作时刻，即为自触发允许间隔时间的基准，在时间窗SG_T21后，间隙自触发次数自动减1，时间窗向后推移。

3.2 波形分析

对500 kV甲线串补第一套控制保护系统PCS-9570C导出的动作波形展开分析。

如图4所示，0 ms时刻保护启动，A相电容器电压采样值Ua为43 kV。7 ms时Ua为200 kV，A相间隙电流开始明显出现，说明火花间隙A相已经触发导通，同时A相MOV也逐渐开始吸收能量。

根据设备参数，单个自触发间隙电压范围：49～63 kV(峰值)，自触发间隙组合的电压范围：196～252 kV(峰值)，而此次火花间隙自触发的电压值为200 kV(峰值)，满足动作要求。

34 ms时刻，控保系统发断路器三相合闸命令使串补旁路，与装置动作报文相符。7 ms处间隙自触发后，经过27 ms延时，串补控制保护动作，与保护说明书上“间隙自触发保护延时25 ms动作”基本吻合，保护正确动作。

除此之外，由图4波形可知保护启动后8.5 ms，A相间隙电流TA开始流过电流，电流幅值为720 A,大于200 A的保护定值，保持25 ms后自触发保护动作出口，合上三相断路器，旁路串补。

图4 500 kV甲线串补第一套控制保护系统A相波形图Fig.4 A phase waveform of the first set of control and protection system of 500 kV line a series compensation

根据图5、图6的波形，故障时刻，500 kV甲线线路电压互感器(TV)与甲线高抗电压互感器(TV)(分别安装在串补前后) 二次电压相差约50 V， 换算至一次侧250.16 kV，超越火花间隙击穿值(244 kV)。

图5 甲线线路TV电压波形图Fig.5 TV voltage waveform of line a

图6 甲线高抗TV电压波形图Fig.6 High reactance TV voltage waveform of line a

根据故障波形及保护逻辑分析，系统内发生AB相间区外故障，线路保护正确不动作且未发联跳串补命令，串补MOV正确吸能且未过负荷，串补控保系统正确未主动触发平台上的火花间隙，但间隙达到自触发条件导通，产生的间隙电流促使控保系统延时25 ms动作旁路串补三相，该次串补旁路故障为火花间隙在线路远方故障扰动下自触发，串补保护动作正确；由于甲线属于长线路，串补平台配置于线路尾端，故障时可能产生的操作过电压可能造成串补火花间隙两端的电压达到了自触发电压整定值244 kV，火花间隙瞬时自触发保护了串补设备。

4 结 语

火花间隙自触发的电压水平具有一定的离散性。敞开式的火花间隙由于长期处于户外，间隙放电特性会受外界环境影响，如：温度、气压、湿度等，对电极表面清洁度影响较大，在线路故障期间间隙自触发是较为常见的现象。初步判断，该次间隙自触发主要受温度、气压、湿度等因素影响导致。日后，在发生近端区外故障后，应结合线路停电检修规程要求对串联补偿装置火花检修开展一次专项检查，内容包括：外观检查、间隙房检修、间隙电极检修、火花间隙套管、支柱绝缘子、脉冲变压器的绝缘电阻测试；开展火花间隙的限流电阻测量、分压电容器分压比及电容量测量、触发回路试验检，对放电间隙距离进行检查，避免同类情况发生。