可控避雷器冲击残压试验方法

可控避雷器冲击残压试验方法 中国电机工程学会高电压专委会学术年会论文集 可控避雷器冲击残压试验方法 贺子鸣,，陈秀娟,，颜湘莲,，沈海滨,，高飞,陈维江, (,(中国电力科学研究院,(国家电网公司)摘 要:可控避雷器作为一种深度降低超,特高压交流输电系统操作过电压的新型设备，由于其结构的特殊性，现有常规残压试验方法无法检验可控避雷器的限压效果，有必要对可控避雷器残压试验方法进行研究。本文结合可控避雷器的动作特性，分析了常规残压试验方法的不足，给出了可控避雷器的残压试验要求，基于理论分析，通过在现有残压试验回路中并联调波电容改善电压波形，提出了能够测量可控避雷器限压效果的残压试验方法，利用仿真计算和试验的手段，验证了该方法的可行性，及可控避雷器在操作过电压下的限压效果(关键词:可控避雷器操作过电压残压试验试验方法, 引言 缺点也是明显的。考虑到单个阀片特性具有 一定的分散性，阀片或比例的特性与整 在超,特高压交流输电系统中，操作过电 只避雷器不可能完全一致，特别是对于特高压对输变电设备的绝缘水平起着制约作用。 压避雷器，其高度大，阀片数量多，且为多目前采用避雷器和断路器加装合闸电阻联合 柱并联结构，影响将更大。整只避雷器的残限压的方式存在一定的不足，，训。基于动态改 压试验作为型式试验的一项重要内容，在现变金属氧化物避雷器伏安特性的设想，中国 有国家中并没有要求。对于电压等级比电力科学研究院提出并研究了特高压可控避 较低的避雷器，如,,,,,、,,,,,等级避雷雷器，利用晶闸管开关短接部分避雷器 器，可以考虑采用整只避雷器的残压试验方本体，实现深度降低暂态下的动作残压,,,。 法。在现有试验条件不能满足特高压避雷器 避雷器的残压试验作为避雷器型式试验 整只残压试验的情况下，只能采用以模型进中一项重要的内容，用以验证其保护性能是 行试验后等效的方法获得整只避雷器的残压否满足设计要求，关系着被保护对象的安全 特性。可靠。由于可控避雷器与常规避雷器动作特 对于特高压避雷器而言，特别需要关注性的不同，用现有残压试验方法检验可控避 的是系统操作过电压下操作冲击电流流过避雷器的限压效果，试验结果不符合可控避雷 雷器的问题。对金属氧化物避雷器，标准规器在实际系统中的动作特性，需结合可控避 定应作操作冲击残压试验，波前时间取,,,雷器自身特点，对残压试验方法进行研究。 ,,,邺，半峰值时间为波前时间的,倍以上 本文分析现有残压试验方法不能满足可 卜孔。图,为,,,,,,,,冲击电流下的避雷器阀控避雷器试验要求的原因，提出可控避雷器 片残压的典型波形。残压试验要求，通过理论分析和仿真计算， ’,,……一’,,提出能够测量可控避雷器限压效果的残压试 (,…一一一, ,验方法，应用所提出的试验方法，对可控避 :,雷器在操作冲击电流下的残压进行试验验 ,: ,; ，’…一一…一…“,,, :: ‘‘’，‘证。 :: ，,卡? 一: , ?,可控避雷器残压试验要求 常规避雷器的残压试验，由于受到试验设备的限制，通常采用以阀片或比例单元进 ??叠??,,,,,?儒儡,?，一五‘拍，?(，?,柚，，,?,，??‘,?,,,,,,?(,，,,??,一行试验后，乘以阀片数量和系数的方法进行。 图, ,,,,,，,,冲击电流下避雷器阀片残压这种方法虽在工程实际中得到广泛应用，其 ——,,,—? 过电压与绝缘配合 从图中可以看出，避雷器上残压的峰值时间明显超前冲击电流的峰值时问。其原因为:试验室所用冲击电流发生器可认为是一种电流源设备，其电流值的太小主要由主电容器的充屯电压决定，而波形由回路中的电感和电容决定。当冲击电流发生器的负载为避雷器阎片时，其残压由 流过阀片的电流和阀片的等值阻抗乘积决定(在阀片拐点以下时(阀片为高阻抗。其上电压会报快地建立起来，表现为很硅的电压上升。随着避雷器 图,单目,台目操作《雷,,?,自流中电流的逐渐增大，阉片的等值阻抗迅速减小，但二者的乘积变化不明显。敲表现为残 对于可控避雷器来说(由于晶闸管开关压峰值较冲击电流峰值时间的超前，而后残 的导通需要一定的时间，在用常规避雷器的压峰值维持比较长的时间，随着电流的下降 试验方法进行操作冲击残压试验时(对于很残压降低。 陡的电压上升，晶闸管开关根本来不及导通， 对于常规避雷器而言(通过分别电 在波形上表现为一个很高的电压上升后(晶流的峰值和残压的峰值作为避雷嚣残压试验 闸管开关导通后电压继而下降，下降到固定的结果，其伏安特性即为电流峰值和残压峰 部分残压的承平(如图,所示，图中从上到值对应点，作为保护性能的依据。但从图中 下波形分别为避雷器残压、避雷器中的电流、可以看出，残压峰值所对应的电流并非峰值， 可控部分的电压、晶闸管开蓑回路的电流。而当电流到达峰值时，残压有所下降，两者相差,,以内。在工程应用场合，这一试验结果是信严格的，可以满足工程上的需要，但其物理意义并非操作冲击下避雷器的残压。 在实际系统中(避雷器在操作过电压下，其中渡过的操作冲击电流与避雷嚣上表现的残压之间是同相位的，并不存在残压相位明显超前电流相位的情况(以某一,,,,,变电站单相重合闸操作进行仿真计算，得到在这一操作巾，避雷器残压与电流的关系(如图 图, ,,,,,,，,冲击电濂下可控避雷嚣实捌波彤,所示。从图中可以看出，在实际系统中( 从上图中可以看出，避雷器残压波形中避雷器上的残压与电流同时到达峰值，与试 有一很陡的电压上升，其产生原凼与前述常验室中利用冲击电流发生器进行进雷器残压 规避雷器试验中电压的快速建立一致。若使试验时记录的残压波形有明显不同。对于常 用常规避雷器的保护性能判据，可控避雷器规避雷器而言，前面提到的残压试验方法尚 的残压将由这一根高的电压上升决定(其幅能满足试验要求，通过分别记录电流的峰值 值作为保护水平的依据，高于设定的可控避和残压的峰值作为避雷罂残压试验的结果， 雷嚣的保护水平。然而这一过程并不是实际作为保护性能的依据。但对于可控避雷器来 系统中所固有的，而是由于试验方,去不完全说(这种试验方法已不能满足验证其保护特 等效遗成的，故对于可控避雷器(针对现有性阿璺求。 操作冲击残压试验方法不能满足其限压效果 试验验证要求这一不足，应使用更加合理的 试验方法，以验证可控避雷器在操作冲击电 ,,, 中国电机工程学会高电压专委会学术年会论文集流下的动作特性。 针对可控避雷器的试验方法改进，首先要明确可控避雷器运行于实际系统中时，其中流过的电流与其上残压的关系。本文以特高压交流试验示范工程为例，用电磁暂态软件,,,,,,,,进行仿真计算，计算了合闸过电压，包括合空线过电压和单相重合闸过电压。图,、图,分别为南阳站合空线操作、 图,合空线操作时的可控避霄器电流采用可控避雷器时，避雷器上的电压和流过避雷器中的电流。从图中可以看出，电压和 ,可控避雷器残压试验方法电流基本是同时到达峰值的，也就是说基本 (,) 理论分析是同相位的。因此，可控避雷器在操作冲击 根据仿真结果对试验波形的要求，对现电流残压试验中应保证避雷器中流过的电流 有冲击电流发生器回路进行改进。方法为在和避雷器上的电压相位基本一致。 冲击电流发生器回路中并联一定容量的电容 器，其原理示意图如图,所示。 当冲击电流发生器的主电容充电后，点 火触发球隙，向调波电容器和可控避雷器放 电。由于调波 电容器不带电荷，而此时电流 的等效频率很高，调波电容迅速充电，电压 逐渐升高，此时避雷器中电流很小。由于可 控避雷器和调波电容器等电位，避雷器上的 电压也相应升高，其上升过程较缓。当避雷 器上的电压达到晶闸管开关的触发阈值时， 图,合空线操作时的可控避雷器端电压 晶闸管开关导通，将可控部分的避雷器阀片 短接。避雷器此时的等效阻抗降低，避雷器 中电流将增大。但由避雷器的伏安曲线可知， 在操作过电压下，残压变化不明显。 图,可控避雷器残压试验方法原理示意图(,) 仿真计算 根据残压试验要求的不同，调波电容可取为 根据上述思路，利用,,,,,,,,对试验 不同的值，在这里调波电容取,(,心。仿真结回路进行仿真计算。冲击电流发生器的充电 果如图,,图,中所示，其中，图,为充电电压可取为不同值，其等值电容量为,(,心。 电压取值不同时，避雷器中流过的电流波形 —?,,,—? 过电压与绝缘配台和残压波形，图,为避雷器上的残压与晶闸 囤,最首器上的残?与晶闸臂开炳端的电压管开关两端的电压(图,为避雷器上的残压与避雷器回路中电流的相位关系。 由图,可知，在不同充电电压下，电流幅 ？…一上升较缓，不存在明显的值变化明显。其波形变亿不明显。残压的 ，;,? 电压过冲。 从圉,中可以看出。当避霄器上的残压达到晶闸管开关的设计导通阁值时，品闸管 图,避霄,残?与避需,中电流的目位关系开关导通，将可控避雷器的可控部分短接。 (,)试验验证可控避雷器的限压效果就是通过这一过程实 在上述理论分析的基础上(在国家电同现的。 公司特高压直流试验基地避雷器试验室，进 在对试验同路的仿真中，避雷器中流过 行了可控避雷器操作冲击残压试验方法的验的电流和避雷器上的残压同时到达峰值，仿 证试验。根据避雷器试验室试验设备情况，真结果与原理分析相符(对试验回路的改造 可进行,,,,,整只避雷器的残压试验(选用可以满足可控避雷器残压试验的要求，能够 试品为一支,,,,,可控避雷器(调波电容为验证可控避雷器的限压效果。 三台, ,,，,的脉冲电容器串联，额定电压 ,?,,。 试验中，首先将可控避雷器的可控部分 解开。这时的可控避雷器试品相当于一支篙 规避雷器，测试其在本试验回路中的动作特 性(通过示波器采集避雷器残压、流过避雷 器的电流，其波形如图,,所示。从圈中可阱 看出，避雷器上的电压和屯流几乎同时到达 峰值。 (,)电藏 在随后进行的可控避雷器残压试验中， 通过示渡器采集避雷器残压、流过晶闸管珏 关的电流，其波形如图，，所示。从图中可以 看出，避雷器上的电压和电流几乎同时到选 峰值，两者基本处于同相位，与理论分析、 仿真计算结果相符(与对试验回路改进的目 的一致，通过本试验回路对可控避雷器进行 操作冲击电流下的残压试验(能够验证可控 (,)氇压 避雷器是否具备预期的限压敲果。 固,主电容取不同充电电压时避首,中的电 ，,,, 图,,常规霹雷器在改进试验同路中的动怍特性 一,,, 中国电机工程学会高电压专委会学术年会论文集 在孱家电阿公司特高压直流试验基地避雷器 ‘ , ,::::、:(嗡 ,?,, ,二(公:引 试验室，进行了可控避需器限压效果的验证 试验。报据避雷器试验室试验设蔷情况，选 用试品为支,,,,,可控避雷器，可控比为 ,,,。调波电容为三台, ,心的脉冲电容器串 焉 ,,,,:::羔。一,蛩 联，额定电压,,,,,。 为了验证可控避田器的限压效果(记录 了在不同冲击电流幅伉,(避雷器上的残压， 目,,日,《,,?改,《,嗣镕中的动作特性 并与不带品闸管开关的常规避霄器进行对 前述可控避雷器操作冲击残压试验方 比(其对比结果如图,,所示，国中标识 的数法，其蛙终,的是验证可控避雷器在操作冲 据点为试验数据点，曲线为按指数规律拟音 薹蓁薹蓁羹击下的限压效果。在上述理论分析的基础上( 得到的趋势线。 ～譬?薯:??里三丰兰,,, ,;,璺兰三三:,二,三一::,一 …巨雾蕈薹兰蚕囊差霉姜 萋差薹兰至重量量, ::,薹星薹主至堇薹曼薹主量 , , , , , , ,,，, , , , , ’ ‘ 网,,日控避雷?与常规避雷,的试验对? 从图中可以看出，可控避雷器与常规避 〔,〕刺振?特离?电叫呻〕(,京,十目经济女版雷器相比，在相同电流下的残压有明显降低， ,(,,,,其降低的幅度与设计可控比,,,接近。可以 〔,〕,顿(撩?珩交流电力系统过电?防护及绝验证所,殳计的可控避霄器具有预期的限压效 缘配合〔蝴北京:中国电力出版杜(,,,,果。 【,】陈秀娟(陈维?，沈海演，等特高压输电系 统操作过电?秉性限制方法〔刀高屯?拉,，,结论 ,,,,(,,(,,):,一, (,,可控避雷器与常规避雷器动作特性 〔？ ,,,,,,,—,,,,交流无月琼金属氧化物避雷,不同。现有残雎试验方法不能用于检验可控 .