脉冲气流灭弧装置在500kV串补上的机制探讨

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论文字数:36566 论文编号:sb2022012420400743328 日期:2022-02-01 来源:w88官方网页版
本文是一篇工程硕士论文,本文基于保护间隙的自触发采取的主要措施包括提高闪络间隙的自触发定值,对间隙加强维护而难以从实质上提高串补的可靠性的问题,基于目前串补对于MOV压力释放,爆炸采取的主要措施是停用串补的自动重投功能,以降低 MOV 容量不足或工艺改造难的问题,研究脉冲气流灭弧原理在的串补间隙上的应用。

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义
长距离大容量输电是当今解决能源不均衡问题的有效方式。南方电网包括广东,广西,云南,贵州,海南,经济发展和能源分部不配备,东部经济发展强劲,需要大量的能源,而西部经济发展相对滞后,但蕴含大量的水利,煤炭资源。“西电东送”战略应运而生,在南方电网,即西电东送的南通道,电力的输送距离基本上长达 1000km,为了提高输送效率一般都采用超高压,即 500kV 及以上的电压等级,具体的工程包括天广一回,二回,三回,四回工程等,为南方区域的经济社会发展发挥了强大的能源支撑作用。
长距离输电的线路长,等值电路中,感性阻抗大,其中的电压降,功率角变化大,对于输电线路的送电极限有很大的限制。为了解决该问题,进一步提高输电容量和增强系统的稳定性,技术上,采取在线路中串接容性装置,如电容器组的方式,对线路感性电抗进行补偿,该技术就是串联补偿技术,相应设备称为串联补偿设备,简称串补[1,2]。
除了提高输送容量之外,串补还具有不增加输电线路通道占地面积,投资省,可控串补还可以抑制电网的低频振荡等优点。所以在国内外得到了广泛的应用。
超高压输电公司维护的电力主通道均为超高压远距离输电系统,输送距离长,线路感抗大,导致电压损耗,功率角偏移大,线路的功率极限受到很大影响,为了解决该问题,充分利用现有的输送通道,在线路上串接电容器组,减小线路电抗,即采用串补技术提高长距离输电线路的输送容量,是南网超高压采用的技术手段。目前已经在天平 III 线,山河甲乙线,马百线,西百甲乙线,砚崇线等装设串联补偿装置[3]。其中,南网超高压公司陆续建成 7 座串补站共 17 套串补装置,总补偿容量达到 7527 Mvar。
超高压输电公司的串补技术应用自 2003 年平果串补开始。总体来说,各串补运行情况还是比较好,但也发生了不少故障,如 MOV 压力释放或爆炸,间隙自触发,控制保护和测量系统运行不够稳定性,阻尼回路烧损或爆炸等问题[1]。
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1.2 串补技术国内外应用情况
电网中应用串联补偿技术的时间还是比较早的,主要是因为它具有建设速度快,资金投入不大且能提高线路输送容量等优越性。
1.2.1 串补
在国外的应用
33kV 系统是最早使用串补技术的电力系统,当时美国的 NY Power &Light 公司出于解决线路潮流问题的目的。随后,串补技术发展迅速,在前苏联,日本等国家也逐步应用[1]。
但是,串补技术本身是为了解决长距离输电问题的,在电压等级较低的系统中,其使用的效益,性价比并不明显,所以真正发挥其作用的是 1950 年开始的在 500kV 线路上的使用,后来巴西在 750kV 的特高压上也采用了该技术。
目前所有电压等级的输电线路都有使用串联补偿装置的例子,统计起来超过了五百万套,这是统计到 2005 年 12 月的数据。表 1-1 是串联补偿装置在国外应用情况表。

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第二章 串补原理和 MOV,保护间隙典型故障

2.1 串补装置工作原理和相关参数
2.1.1 串联补偿的原理及作用
正常输电线路等值电路中的阻抗包括电阻,电抗,而电抗由感抗和容抗组成,电抗的存在导致输电线路上存在较大的压降和功角偏移,为了改善这种情况,有效的办法之一是在电力系统中串接如容性电气,如电容器等,则在等值电路中,线路本身的感抗被容抗抵消,即补偿,如此可提高线路的稳定极限,提高有功输送能力,这就是串联补偿技术的原理,俗称线路变短了。按此原理,如果能够利用电子晶闸管技术动态控制电容的补偿量,则称为可控串补(TCSC),不能动态控制容抗补偿量的称为固定串补(fixed series compensation,FSC)。可控串补由于可以根据系统的需要自动调节补偿度,对维持系统的稳定非常有利。
输电线路从电能输送的角度来考虑,主要考虑导线的热效应极限和线路两端电压变化和电压电流夹角。一般来说,短线路对电压损耗和功率夹角的影响小,主要考虑线路导线在通流过程中的热效应极限。而长线路中电压损耗和功角偏移就比较大,对电力系统的稳定产生较大影响,所以必须优先于导线发热极限进行考虑。综合来说,以其中的小者为输电线路的极限。
串补装置的补偿度一般定义是串接容抗与原有电抗的比值。以图 2-1 为例的简易电网中,两端发电机以输电线路连接,线路的原电抗是 X,在此线路中串接了容抗为 Xc的电容器,串接后电路的电抗为 Xeff=X-Xc。线路两端的电压分别为 Us 和 Ur。
在输电线路中采用串补技术的优点包括提高系统的输送能力,使线路的电压损耗变小,调节无功功率,实际上潮流分布也会得到改善。
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2.2 串补 MOV 工作原理,故障原因分析及对策
2.2.1 串补 MOV 工作原理,特性和参数
2.2.1.1 金属氧化物限压器的工作原理
电容器组在等值电路中是一个电容元件,本身具有电抗,当电流流通时,电容器上会存在压降,从电路基本原理可知,该压降与电流大小,电容大小正相关。电容器组一定的情况,电流越大,电容器组的压降越大。尤其是线路故障的时候,流经电容器组的短路大电流可能造成电容器组的过电压,对电容器造成损坏。为了防止过电压,必须采取限压措施,一般采用的就是与线路避雷器性能原理相同的 ZnO 限压器(即简称 MOV),充分利用 ZnO 优良的电压,电流特性,实现大电流低电阻和低电流高阻的功能,保护电容器组。串补的补偿元件是电容器,是发挥提高输送功率的主要元件,而 MOV 则是电容器组的主要保护手段,对于电容器的安全至关重要。一般设计的保护能力是 2.3-2.5 倍 p.u.。
MOV 的化学成分分子形式为 ZnO(即氧化锌),氧化锌电阻的电压,电流曲线具有平缓的非线性特点,即大电流情况下,呈现低阻特性,即使在线路故障短路大电流情况下,也能保证电压处于较低水平,其残压低于被保护设备(电容器组)的过电压保护水平,而当电流变小时,呈现高阻特性,阻断电流,确保电容器组投入正常运行。MOV 的 U,I非线性曲线见图 2-5。

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第三章 500kV 交流电弧形成机理及相关特性分析...............................26
3.1 电弧的形成机理.........................26
3.2 电弧物理特性............................................27
第四章 脉冲气流灭弧原理,气流耦合电弧数学模型及仿真...........................37
4.1 脉冲气流及其灭弧原理.................................37
4.1.1 工作的内在机理.............................................37
4.1.2 脉冲气流的产生...............................................39
第五章 灭弧试验与应用..........................................48
5.1 工频电流灭弧试验...............................................48
5.1.1 灭弧试验原理...............................................48
5.1.2 灭弧试验结果...............................49

第五章 灭弧试验与应用

5.1 工频电流灭弧试验
5.1.1 灭弧试验原理
为了验证灭弧防雷装置的灭弧能力,研究团队对31? 10A,35 .2? 10A,310 .8? 10A 三种工频大电流进行灭弧试验,试验单位为西安高压研究院。
图 5-1 即是工频大电流灭弧试验的接线原理图。其中包括了电阻,交流电源发生器,试验变压器,交流开关,示波器,高压表,灭弧装置,保险丝等[71]。

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试验的原理是,用熔断丝短接正极之间的大部分间隙,逐步升压,剩下的间隙被电压击穿放电,随着熔断丝的逐渐燃烧,间隙变大,电弧也一直燃烧成为工频短路电弧,随着电弧形成,电路导通,触发脉冲气流灭弧装置喷发高速高压气体,作用于间隙电弧,致电弧熄灭。
试验过程的录像拍摄可以采用高速,普通摄像机来实现,以便观察电弧被脉冲气流影响的过程,这对于试验至关重要。
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第六章 结论与展望

6.1 结论
本文基于保护间隙的自触发采取的主要措施包括提高闪络间隙的自触发定值,对间隙加强维护而难以从实质上提高串补的可靠性的问题,基于目前串补对于MOV压力释放,爆炸采取的主要措施是停用串补的自动重投功能,以降低 MOV 容量不足或工艺改造难的问题,研究脉冲气流灭弧原理在的串补间隙上的应用。
脉冲气流灭弧装置,通过触发产生爆轰级高压高速气流,作用于间隙短路电弧,能够快速扩散电弧热量,中和电弧带电粒子,能够在继电保护动作前熄灭电弧,防止电弧重燃,从而防止串补旁路。从能量,质量,动量三个守恒定理为依据来分析,在脉冲气流的高速高压喷射作用下,电弧弧柱变小,造成绝缘增大,导致电弧熄灭;而耦合模型也表明电弧中的热能容易不高压高速脉冲气流带走,而去游离增强,可以导致电弧熄灭。
通过仿真试验,在脉冲气流的高速高压喷射作用下,电弧弧柱变小,造成空气绝缘恢复,导致电弧熄灭;而耦合模型也表明电弧中的热能容易被高压高速脉冲气流带走,而去游离增强,可以导致电弧熄灭,说明了脉冲气流对电弧的显著作用。工频大电流短路试验表明,在工频大电流电弧情况下,灭弧装置能很好的扩散电弧热量,中和电弧带电粒子,在很短的时间内熄灭电弧,这些试验条件切合串补保护间隙击穿电弧的特征。500kV 超高压等级试验,依旧表明,在如此高电压等级下,脉冲灭弧装置能够正确动作,爆轰级高压高速气体对电弧熄灭有很好的作用。这些试验结果,为灭弧装置在实际应用上提供了更多的数据和依据。
脉冲灭弧装置在实际的 220kV 线路上试用表明,装置能够在继电保护动作前熄灭雷电击穿空气间隙产生的续流工频短路电弧,未发生线路跳闸。从实际应用证明了脉冲灭弧装置的有效性和可用性,为其在串补保护间隙上的机制提供了实际运行经验依据。
参考文献(略)

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