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可控金属氧化物避雷器操作冲击动作特性试验方法

作者:泰宜电力 阅读次数:43次    发布时间:2017-08-11 17:56:53
贺子鸣1 ,陈维江2 ,陈绣娟1 ,颜湘莲1
(1.中国电力科学研究院,北京100192;2.国家电网公司,北京100031)
        摘 要:可控金属氧化物避雷器(简称可控避雷器)是一种可以深度降低特高压交流输电系统操作过电压的新型设备,现有的避雷器试验方法无法检验其在操作冲击下的动作特性。为此,分析了可控避雷器在操作冲击下的动作特性,设计了检验可控开关动作时延和可控开关动作前后避雷器残压这两个动作特性的试验方法,采用操作冲击电流和操作冲击电压分别进行了试验。通过在现有残压试验回路中并联调波电容实现了冲击电流试验方法。采用冲击电压发生器及其调节和测试回路实现了冲击电压试验方法。研制了一种110kV 电压等级的可控避雷器模型,利用该模型开展了试验研究;结果表明,可控避雷器在操作冲击电压下能够可靠动作。与常规避雷器相比,在相同电流下,可控避雷器模型的残压降低幅度与设计可控比(25%)接近,所设计的可控避雷器模型具有预期的限压效果。验证了提出的可控避雷器动作特性试验方法的有效性。
关键词:可控金属氧化物;操作过电压;动作特性;可控比;动作阈值;晶闸管导通时延
DOI:10.3969/j.issn.1003-6520.2012.04.010     文章编号:1003-6520(2012)04-0838-09
        Test method for switching impulse response properties of controllable metal oxide surge arresterHE Ziming1,CHEN Weijiang2,CHEN Xiujuan1 ,YAN Xianglian1
(1.China Electric Power Research Institute ,Beijing 100192,China;
2.State Grid Corporation of China,Beijing 100031,China)
         Abstract:The controllable metal oxide surge arrester is a new electrical set-up which can deeply reduce switching overvoltage in UHV transmission system. The conventional arrester method could not be used to validate the switching impulse response properties of the controllable metal oxide surge arrester. Consequently, we discussed the switching impulse response properties of the controllable metal oxide surge arrester, and put forward a new test method which switching impulse current test and switching impulse voltage test were carried out respectively fitting test requirements. Moreover, we verified the response delay of controllable switch and the residual voltage of controllable metal oxide surge arrester in the test. The parallel modulated wave capacitor was used in the exiting residual voltage test circuit to implement the switching impulse current test method, the impulse voltage generator, regulator and measurement circuit were used to implement the switching impulse voltage test method, and a designed 110kV controllable metal oxide surge arrester was used in the verification test. In the test, the controllable arrester could respond reliably under switching impulse voltage. By comparing with the conventional arrester, the decreased range of the residual voltage of controllable arrester was close to the designed controllable rate of 25% in the same current. Furthermore, the designed controllable arrester with expected limit effect was verified, and the availability of the approach was verified.
        Key words: controllable metal oxide surge arrester; switching overvoltage; response properties; controllable rate; response voltage threshold; thyristor self-trigger delay

         0  引言
  
        在超、特高压交流输电系统中,操作过电压倍数对输变电设备的造价和制造难度影响较大,降低操作过电压倍数,有利于合理选取设备绝缘水平。为了深度降低特高压甲流输电系统的操作过电压,文献[4-6]提出并研究了特高压可控金属氧化物避雷器(以下简称可控避雷器)方案。
        可控避雷器是不同于常规避雷器的一种新型设备,通过动态改变金属氧化物避雷器的伏安特性达到限压的目的。它在结构上由避雷器本体和可控开关构成。避雷器本体由受控元件和固定元件两部分串联组成,可控开关可采用电力电子开关或可控间隙,它与受控元件并联组成可控部分。受控元件的额定电压与避雷器本体的额定电压之比为可控比,是可控避雷器的一个关键参数。在系统正常运行时,可控开关断开,受控元件和固定元件共同承受运行电压,通过提高避雷器本体的额定电压来降低避雷器正常运行时的荷电率,提高可靠性。瞬态情况下,当避雷器本体上的电压高于设定的动作阈值时,可控开关导通,受控元件被短接,整支可控避雷器的残压仅为固定元件的残压,可以深度降低系统的过电压水平。
        在运行过程中,可控避雷器要承受系统持续运行电压、工频过电压、操作过电压和雷电过电压,在上述电压下,可控避雷器的特性各不相同。在系统持续运行电压下,可控避雷器应能够安全可靠地长期运行。在超、特高压输电系统中,主要采用安装并联高抗等措施限制工频过电压,避雷器不作为限制系统工频过电压的手段。对于雷电过电压,由于其波前时间较短,所以可控避雷器无法再雷电过电压到达峰值前导通。以采用晶闸管的可控开关为例,从检测出过电压信号到晶闸管完全导通要延时几us,晶闸管开关来不及在雷电过电压到达峰值前导通,过电压水平由可控避雷器本体决定。对于操作过电压,其波前时间较长,特别是在特高压输电系统,一般为600-4500us,90%以上的操作过电压波前时间>1000us。以特高压交流是哦眼示范工程中操作过电压的波前时间为例,各种操作方式所产生的过电压波前时间最小为2800us,最大为4800us,所以可控避雷器能够在操作过电压达到动作阈值时动作,将系统的操作过电压水平限制在允许范围内。
        可控避雷器在操作过电压下的动作特性由避雷器本体和可控开关共同决定,该动作特性是否能达到预期的效果,则需要通过动作特性试验加以检验。本文拟通过分析可控避雷器在操作过电压下的动作特性和现有避雷器试验方法存在的问题,提出检验可控避雷器操作冲击动作特性的试验方法,并通过模型试验验证所提出的试验方法的有效性。
        1  操作过电压下的动作特性
        当操作过电压作用于可控避雷器时,若电压瞬时值超过可控避雷器的动作阈值,则可控开关动作,将可控避雷器的受控元件短接,可控避雷器仅有固定元件起作用,从而达到深度降低操作过电压的目的。为了便于定量分析可控避雷器在操作过电压下的动作特性,本文选取一支特高压可控避雷器作为研究对象,其额定电压为890kV,本文以额定电压为基准值,动作阈值的标幺值为1.3(即1 167kV),可控比为25%,阀片参数与1000kV 特高压工程用避雷器阀片参数相同。导通时延△t是可控开关的固有特性,综合考虑测量、触发等环节后取值为5us。利用电磁暂态软件ATP构建仿真模型,研究可控避雷器在操作冲击电压下的特性,电压取双指数波,视在波前时间为250us,半峰值时间为2500us,电压峰值为1850kV,该电压作用下的计算结果如图1所示,其中图1(a)为可控避雷器在此操作冲击电压下的电压、电流关系。为了详细说明可控开关动作时的情况,将图1(a)局部放大为图1(b)。 
        图中U1为预期输出的操作冲击电压;U2为可控避雷器上的电压;I为可控避雷器中流过的电流。
        当可控避雷器两端的电压瞬时值超过动作阈值1167kV 时,可控开关经过导通时延△t(本文取5us)后才导通,此时电压已上升到1230kV(标幺值为1.37),比设定的动作阈值1167kV(标幺值为1.3)略有提高,即△t所对应的电压上升率的增大,导通时延△t的影响增大,会直接影响可控避雷器的限压效果。可控开关导通后,仅由固定元件限制操作过电压,由于此时施加在固定元件上的电压已超过拐点电压值,所以避雷器电流迅速增大,当固定元件的电压达到峰值时,电流同时达到峰值。
        此外,本文还以特高压交流试验示范工程为例,利用电磁暂态软件ATP研究运行于实际系统中、计及可控开关的动作特性后,可控避雷器在系统操作过电压下的电流、电压关系,仿真中采用的可控避雷器的参数与前文相同。结果表明,在各种操作方式下,当断路器无合闸电阻、仅采用常规避雷器时,线路中部相对地的统计过电压的标1.95~2.10,相间为3.3~3.5;而采用可控避雷器时,可将系统相对地和相间统计过电压的标幺值分别限制在1.6和2.7以内。图2分别为南阳站合空线操作时可控避雷器上的电压和流过的电流。从图2中可以看出,在操作过电压下,可控避雷器中的电流为脉冲电流,且电流和电压同时到达峰值。
        综上所述,可控避雷器的动作特性包括可控开关的动作时延和可控开关动作前后避雷器的残压。这些参数都有设计预期值,但实际效果必须通过动作特性实验加以验证,因此,有必要研究可控避雷器动作特性的实验方法。
        2  操作冲击动作特性实验方法
        2.1 整体思路
        通过电流源向可控避雷器中注入冲击电流,能够同时得到可控避雷器在操作大电流冲击下的动作时延参数及残压。因此,可控避雷器在实际系统中的动作特性能够通过冲击电流实验完全反映出来。按照现有实验室的水平,在个别研究性质的实验室中,冲击电流发生器回路能够满足≤220kV 等级的整支可控避雷器的实验要求。对于超、特高压系统用可控避雷器来说,其额定电压较高,现有实验室无法进行整支可控避雷器的冲击电流实验,而研制满足整支可控避雷器实验要求的冲击电流源设备投入较大。,因此,对于≤220kV等级的可控避雷器,实验时应采用整支。对于>220kV 等级的可控避雷器,实验设备若能满足可控部分全尺寸实验要求,则在全尺寸可控部分上进行实验;若不满足要求,则应在可控部分尺寸尽可能大的比例元件上进行实验。本实验应作为可控避雷器型式实验的一项内容。为了检验可控避雷器的动作特性参数是否与设计指标一致,出厂前必须检验每一个产品能否在设计的动作阈值下可靠动作,并检验可控开关的动作时延,通常情况下,工厂仅具备对阀片进行冲击电流实验的能力。因此,考虑采用冲击电压实验作为检验可控避雷器动作特性的一项例行实验内容。

        2.2 冲击电流实验方法
        常规避雷器残压实验方法是一种冲击电流实验方法,需要分析此方法能否直接应用于检验可控避雷器的动作特性。常规避雷器残压实验在冲击电流发生器回路中进行,且多针对阀片进行实验,在获得阀片的残压后,通过乘以阀片数量并考虑不均匀系数后获得整支避雷器的残压。图3为30/60us操作冲击电流下,避雷器阀片残压实验的典型残压与电流波形。从图3中可以看出,避雷器残压峰值时间明显超前于冲击电流峰值时间,残压峰值所对应的电流并非峰值;而当电流到达峰值时,残压已开始降低。造成这种现象的原因是:实验室所用冲击电流发生器可被认为是一种电流源设备,当负载为避雷器阀片时,残压由流过阀片的电流和阀片的等值阻抗的乘积决定。在伏安曲线的拐点以下,阀片为高阻抗,阀片上虽只流过很小的电流,但电压依然很高。随着阀片电流逐渐增大,其等值阻抗迅速减小,但二者的乘积变化并不明显,在波形上表现为残压峰值时间超前于电流峰值时间,残压保持峰值直到电流达到峰值,随后随着电流的下降而降低。对整支避雷器的残压实验同样会出现上述问题。
        在工程上,残压由电压峰值决定,对常规避雷器而言,残压实验的结果偏严,尚可满足其在应用上的要求;但对可控避雷器而言,该方法已不能满足检验其动作特性的要求。可控避雷器可控开关的导通有一定的时延,将可控避雷器置于冲击电流发生器回路中时,由于电压上升很快,可控开关来不及导通,表现为电压先上升到整支避雷器的残压值,如图4所示,图中波形分别为可控避雷器两端电压和避雷器中电流波形。此时,可控避雷器的残压由电压峰值决定,即由整支避雷器的特性决定,没有反映出可控避雷器的真实特性。所以,现有实验方法无法满足可控避雷器操作冲击电流动作特性的实验要求,需要加以改进、完善。
        可控避雷器的电流和电压需同时到达峰值,冲击电流实验回路应满足该要求,为此,本文通过引入调波电容,设计了改进后的实验回路。调波电容是指并联在可控避雷器试品两端、用于降低可控避雷器试品上电压上升率的电容器,它在现有冲击电流发生器回路中的配置方式如图5所示。在冲击电流发生器的充电电容充电后,点火触发球隙,充电电容向调波电容和可控避雷器放电。由于调波电容原本不带电荷,而此时可控避雷器的等效阻抗很大,因此,调波电容迅速充电,电压逐渐升高。可控避雷器和调波电容处于等电位,其电压会随调波电容的电压升高而升高,而电压上升过程会被调波电容拉缓。当可控避雷器的电压达到可控开关的动作阈值时,可控开关导通,将受控元件短接。可控避雷器此时的等效阻抗降低,电流将持续增大直到电压达到最大值。实际上,引入调波电容C2的目的就在于将电流源设备输出的电流转换成回路输出的电压,以模拟实际系统中作用于可控避雷器上的过电压,同时保证可控避雷器中流过较大幅值的冲击电流。

        假设可控避雷器(CMOA)的电压、电流分别为Ucmoa、Icmoa,非线性伏安特性为Ucmoa=f(Icmoa),对于图5所示的实验回路,其回路方程可以描述为以下形式

        式中,C1为充电电容;C2为调波电容;R为回路中电阻;L为回路中的电感;uc1、uc2、iL分别为充电电容电压、调波电容电压、回路中电感电流。初始条件为:充电电容电压初始值uc1(0-)=U0;调波电容电压初始值uc2(0-)=0;回路中电感电流的初始值iL(0-)=0。C2的值决定了放电时间常数,而C1的充电电压初始值决定了放电后试品上电压的峰值。
        由上述回路方程可分别得到下面两式:

        将可控避雷器的伏安特性代入联立求解式(2)、式(3),可以得到可控避雷器的电流、电压。考虑到可控避雷器的伏安特性进行分段线性化并计及动作时延后,采用数值计算的方法研究可控避雷器在改进实验中的动作特性。对于实验室中已有的冲击电流发生器来说,其充电电容C1、回路中电阻R、回路中的电感L皆为已知量,方程中未知量仅有调波电容C2、负载可控避雷器的伏安特性以及C1电压初始值。所以,设计实验改进回路就是在不同的冲击电容电压下、根据不同额定电压的可控避雷器确定合适的调波电容参数。本文以中国电力科学研究院特高压直流实验基地避雷器实验室中,220kV等级的整支避雷器残压实验的冲击电流发生装置为例,假定负载为一支额定电压为93kV、动作阈值为128kV、可控比为25%的可控避雷器,计算得到C1在不同充电电压Uc1下、试品上电压的波前时间与调波电容C2的对应关系如表1所示。
        由表1的计算结果可知,在同一充电电压下,C2越大,试品电压的波前时间越长;在同一调波电容下,C1的充电电压越高,试品电压的波前时间越短。通过调整C2的值和C1的充电电压值能够调节电压上升率,但二者有相互制约的关系:若C2太大,则虽可大大延长波前时间,但为了使可控开关电压达到动作阈值,C1的充电电压值也
要相应提高,利用实验室既有设备可能难以实现;若C2太小,则无法起到延长波前时间的目的。因此,在既有设备的基础上设计改进实验回路,使C2的取值在一定范围内变动,根据本文选取的冲击电流发生器回路参数及假定负载的情况,为获得合适的电压上升率且使可控避雷器中流过的冲击电流和电压同时到达峰值,调波电容的取值范围应为0.25~1uF。以调波电容取0.7uF、充电电容电压取300kV为例,计算得到可控避雷器电压、电流与可控开关电压的对应关系如图6所示。从图6中可以看出,冲击电流峰值为3.8kA,可控避雷器的电压在上升过程中不存在明显的电压过冲;当电压瞬时值达到可控避雷器的设计动作阈值时,可控开关经过时延后导通,将可控避雷器的受控元件
短接。可控避雷器的电流和电压同时到达峰值,仿真结果与理论分析相符,该改进实验回路可以满足可控避雷器操作冲击动作特性实验的要求。为了得到不同峰值的冲击电流,调节冲击电流发生器回路中充电电容C1的充电电压,充电电压越高,冲击电流峰值越大。
        冲击电流试验方法中采用的试品因电压等级的不同而不同,≤220kV等级的可控避雷器为整支。对于>220kV等级的可控避雷器,若试验设备能满足可控部分全尺寸试验要求,则在全尺寸可控部分上进行试验;若不满足要求,则在可控部分尺寸尽可能大的比例元件上进行试验。试验中,需分别检验可控避雷器在正、负极性操作冲击电流0.5、1、2、4kA下的动作特性。
         2.3 冲击电压试验方法
        采用冲击电压试验方法检验可控避雷器的动作特性是可控避雷器例行试验的内容之一,是为了在出厂前检验设计的可控避雷器是否能在设计的动作阈值下可靠动作,并检验可控开关的动作时延参数。因此,试验中选择试品为可控避雷器的可控部分,试验中分别施加正、负极性标准冲击电压各3次,峰值为可控避雷器受控元件额定电压峰值的操作冲击电压,试验回路采用冲击电压发生器及其调节和测试回路。
        可控开关动作后,可控部分电压瞬时值直接跌落到零,记录跌落时刻的电压峰值作为可控避雷器的实际动作电压值,测量电压跌落时刻相对于动作阈值时刻之间的时间表,求出测量结果的平均值作为可控避雷器动作时延的实测值。比较动作时延的实测值和设计值,若实测值小于设计值,则认为此参数满足技术指标,可控避雷器能够在设计的动作阈值下可靠动作。
        3  试验验证
        为了验证可控避雷器动作特性试验方法的有效性,根据可控避雷器的原理,设计了一台额定电压为93kV、动作阈值为128kV、可控比为25%的110kV电压等级可控避雷器模型,如图7所示,并选用此模型作为试品开展研究。此模型中,可控开关采用基于BOD自触发方式的晶闸管开关导通时延的设计预期值为3us。
        3.1 冲击电流动作特性试验
        试验在特高压直流试验基地避雷器实验室进行,根据220kV等级整支避雷器残压试验的冲击电流发生装置参数及110kV电压等级可控避雷器模型参数,选用的调波电容为0.7uF,由3台电容量2.1uF、额定电压100kV的脉冲电容器串联构成。试验中,分
别测试了避雷器本体、可控避雷器在操作冲击电流下的特性,通过示波器采集避雷器电
压、电流波形,如图8、图9所示。从图8、图9中可以看出,避雷器上的电压和电流几乎同时到达峰值,与理论分析、仿真计算结果相符,证明了操作冲击电流试验方法的有效性。通过该方法进行可控避雷器操作冲击电流动作特性试验,能够验证它是否具备预期的限压效果。
        利用该方法,进行了可控避雷器操作冲击电流动作特性实验,分别测量了在不同冲击电流峰值下可控避雷器的动作时延,结果如表2所示。由表2可知,其实测值均小于设计预期值,此参数满足技术指标。同时,记录了在不同冲击电流峰值下可控避雷器的残压,并与避雷器本体残压进行对比,其对比结果如图10所示,图中标识的数据点为实验数据点,曲线为按指数规律拟合得到的趋势线。从图10中可以看出,与常规避雷器相比,在相同电流下可控避雷器的残压有明显降低,其降低的幅度与设计可控比(25%)接近,可以验证所设计的可控避雷器具有预期的限压效果。
        3.2 冲击电压动作特性实验
        实验在中国电力科学研究院高压大厅进行,采用250/2500us正极性标准操作冲击电压波。由于实验中采用的可控避雷器模型额定电压较低,因此采用整支进行实验。当可控避雷器放置在地面、可控部分放置于避雷器低压端时,可控避雷器电压U3和可控部分电压U4的波形如图11所示。图中,

        U30为可控避雷器动作电压值;U40为可控部分动作电压值。
        由图11可知,可控避雷器电压U3上升至其动作阈值后,可控开关经过时延后导通,U4会在瞬间降到0,并一直维持到波尾,U3会在U4下降的同时出现截波,然后再缓慢下降。实测结果表明,可控避雷器动作时延为2.6us,动作电压值U30为133.2kV,相对于动作阈值128kV的误差为+4.1%;U40为32.3kV,相对于动作阈值32kV的误差为+0.9%;通过计算得到可控避雷器模型的可控比为24.2%,与理论设计值的相对误差为+3.2%。可以看出,晶闸管开关导通时延的实测值小于设计预期值,可控避雷器在操作冲击电压下能够可靠动作,且能够在波前动作,证明了冲击电压实验方法的有效性。
        4  结论
        1)本文提出了可控避雷器操作冲击动作特性实验方法,检验可控开关的动作时延、可控开关动作前后可控避雷器的残压,采用操作冲击电流和操作冲击电压分别进行实验。
        2)通过在现有残全自动变比组别测试仪压实验回路中引入调波电容设计出新的冲击电流实验回路,既降
低了避雷器上的电压上升率,又保证了电流、电压同时到达峰值,实现了可控避雷器动作特性的冲击电流实验方法。采用冲击电压发生器及其调节和测试回路,实现了可控避雷器动作特性的冲击电压实验方法。

        3)设计了一种额定电压为93kV、动作阈值为128kV、可控比为25%的可控避雷器模型,并利用此模型作为试品开展研究。结果表明,可控避雷器模型的动作时延实测值均小于设计预期值,其在操作冲击电压下能够可靠动作。与常规避雷器相比,在相同电流下,所设计的可控避雷器模型残压降低的幅度与设计可控比接近,具有预期的限压效果。验证了提出的可控避雷器动作特性实验方法的有效性。
 
                                                                                                  ——摘自《高电压技术》
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