特高压混合直流工程快速旁路保护用兆伏级SF_6间隙等离子体喷射触发特性及工程设计

在江苏白鹤滩±800 kV特高压混合直流工程中,受端交流侧三相接地故障穿越失败时,会在±400 kV柔直母线上产生高幅值过电压,严重威胁柔直阀组安全,而基于等离子体喷射的超快速旁路开关1 ms内将柔直母线快速接地保护柔直阀组是一种全新的解决方案。DC 400 kV触发间隙需满足高耐压(>1.2 MV)、低工作系数(<5%)、短延时(<1 ms)、大通流等严苛要求,而如何实现高气压、长间隙的可靠触发导通,并提出工程化设计方案是关键难题。为此搭建了增强型等离子体喷射触发间隙导通研究平台,重点研究触发电压、气压、间隙长度以及工作系数等关键影响因素对SF_(6)触发间隙导通特性的影响规律。结果表明,提升触发电压可显著提升触发导通概率、降低触发延时,但存在一定的饱和现象;在固定的工作电压下,随气压或间隙长度的增加,工作系数显著减小,导致触发延时骤增且导通概率急剧减小;在相同工作系数下,高气压短间隙的触发导通性能更强。据此提出满足特高压混合直流工程400 kV柔直母线快速接地用DC 400 kV间隙开关,间隙采用复合外套单间隙结构,轮转型触发腔设计实现多次触发。研制了触发间隙试验样机(间隙距离为10 cm、压强为0.5 MPa的SF_(6)),其雷电耐压>1250kV,临界可触发电压<50 kV,导通时延<0.5 ms。该研究结果为特高压混合直流输电系统中柔直阀组快速保护用兆伏级SF_6触发间隙工程应用提供了理论支持和工程初步设计方案。

等离子体喷射触发型SF_(6)间隙开关触发寿命试验研究

为实现白鹤滩—江苏±800kV特高压混合直流输电工程可控自恢复泄能装置的快速控制,研制高气压大触发能量的新型等离子体喷射触发型SF_(6)间隙开关样机,该间隙开关触发腔采用两级触发腔沿面放电接续触发结构,可以实现在极低工作系数下1ms内的快速可靠触发。为提高SF_(6)间隙开关的触发寿命,搭建试验平台并进行试验研究。首先研究触发腔结构尺寸对SF_(6)间隙开关寿命的影响,结果表明增加第一级触发腔的沿面距离可以有效提高触发寿命,但不宜过长,否则会产生熄弧现象,故触发腔尺寸采用3.5mm+6mm;然后研究触发腔材料对触发寿命的影响,结果表明聚四氟乙烯的产气能力和抗烧蚀能力比较均衡,综合性能要优于添加二硫化钼或氮化硼的聚四氟乙烯,可以有效提高触发寿命达到583次;研究表明触发腔劣化是SF_(6)间隙开关触发寿命终止的根本原因,据此提出触发腔劣化过程的监测方法,根据触发过程中一级腔沿面闪络电压、二级腔导通时储能电容的剩余电压、二级腔导通时延、主间隙导通时延等特征参量随触发次数的变化可以监测触发腔的劣化过程,从而监测触发腔状态,提高可靠性。通过上述研究,SF_(6)间隙开关样机的触发寿命达到了583次,满足了工程需求,并具备触发腔状态监测功能,提高了可靠性。

特高压换流变用550kV防爆燃间隙油中电弧转移熄弧性能试验研究

特高压换流变充油量大,内部短路故障时会产生高能油中电弧,出现大的机械冲击力并产生大量高温高压油气,容易导致油箱结构撕裂和爆炸起火。为此提出在换流变网侧并联SF_6间隙,1 ms内导通并形成低阻气体电弧通道,快速转移熄灭高弧阻油中电弧的防爆燃技术方案,将传统故障清除时间缩短约80%。油中电弧转移受故障电弧特性的影响,但相关研究主要针对小电流的短油隙(<50 mm),长距离高能油中电弧特性仍未阐明。该文等效模拟换流变网侧内部放电工况,设计了试验回路、试验方式、油中燃弧模拟装置和高精度试验测控系统,成功开展6种方式油中电弧转移熄弧试验,获得了油中电弧特性和间隙转移熄弧能力。试验中设计油隙长度为250~650 mm,覆盖换流变500 kV和750 kV网侧最小油隙长度,参考换流站短路电流水平设计试验电流为20~50 kA、参考换流变保护出口时间设计间隙触发时延控制油中燃弧时间为2~10 ms。6次试验中间隙均能在1 ms内转移熄灭油中电弧。试验结果分析表明,换流变网侧最小油隙起始弧压不低于10 kV,随着油隙长度增加,单位长度弧压略微增加;在10~50 kA级短路电流下,油中弧压受电流幅值影响很小。该试验表明了间隙转移熄弧防爆燃的可行性和防爆燃间隙设计的有效性,为特高压换流变防爆燃提供了新的解决方案。

极低工作系数下SF6间隙开关喷射等离子体诱导击穿作用规律

喷射等离子体触发型SF_(6)间隙开关用于混合直流输电系统消能装置控制开关的优势十分明显,但极低工作系数下的喷射等离子体诱导SF_(6)间隙开关击穿作用规律尚不明晰。为此搭建了喷射等离子体诱导击穿试验平台,研究了SF_(6)间隙中喷射等离子体特征参数的时空分布特性,以及触发条件参数和主间隙施加电压的作用规律。结果表明,喷射等离子体呈高亮度的类圆锥形状,其初始发展速度可达2.0km/s以上。提高SF_(6)间隙开关触发腔中第2级腔(连接中间电极)的电容值和充电电压,其第2级间隙的沿面放电电流随之增大,触发腔的导通时延及其分散性也会随之降低;同时喷射等离子体的几何特征量(面积、径向和轴向长度以及发展速度等)和电气参量均随之渐进增大。增大间隙开关高压电极的施加电压,即提高其工作系数,SF_(6)间隙开关诱导击穿末期的等离子体喷射速度出现抬升现象;且随着工作系数的增大,喷射等离子体的头部局部电场畸变增强,引起其头部带电粒子的运动速度进一步提高,喷射速度的抬升效应愈加显著。研究成果为高压大容量强绝缘气体间隙开关的等离子体喷射触发性能的提升方法提供理论指导。