可控避雷器中晶闸管阀电压和电流上升率仿真分析、试验检测及限制措施

晶闸管器件的断态(开断状态)电压上升率du/dt和通态(导通状态)电流上升率di/dt是决定可控金属氧化物避雷器(CMOA)晶闸管阀工作安全性的关键参数。以长治—南阳—荆门特高压交流试验示范工程为背景,对晶闸管阀中晶闸管器件需要承受的最大du/dt和di/dt进行了仿真计算,提出了技术要求,并给出了限值要求,即du/dt和di/dt均不允许超过其临界值du/dtcrit和di/dtcrit。根据实际使用条件对所选晶闸管器件的du/dtcrit和di/dtcrit进行了试验测试。测试结果和技术要求对比表明:2.0～3.0英寸晶闸管du/dtcrit不小于45kV/μs,大于技术要求28.3kV/μs,无需限制措施;di/dtcrit为865～910A/μs,远小于技术要求87kA/μs,须采取适当的限制措施。研究表明,采用3～5mH的限流电抗器可以将di/dt限制在容许范围内,且限流电抗器对CMOA限制系统操作过电压的效果影响不大,可以采用限流电抗器限制晶闸管器件的di/dt。

可控避雷器晶闸管阀串联均压方法

可控避雷器晶闸管阀主要由反并联晶闸管对串联而成,为保证各个晶闸管承受电压的一致性,必须采取适当的均压措施。根据晶闸管阀串联均压的技术要求,利用电力电子系统设计程序,对传统RC均压方法的可行性进行了计算分析。研究得出RC均压方法可能严重破坏可控避雷器的静态电位分布,不适用于晶闸管阀。提出采用晶闸管与金属氧化物电阻片一对一并联的均压方法,利用金属氧化物电阻片良好的非线性伏安特性限制晶闸管的过电压,并对电阻片的均压效果进行了仿真计算。结果表明,合理选择电阻片的串、并联数和尺寸参数,可以将串联晶闸管的开通过冲电压均限制在要求的范围内。

可控避雷器的静态电位分布计算方法

可控避雷器的晶闸管开关中晶闸管的等效电容CT随端电压UT的变化而变化,在计算可控避雷器静态电位分布时,须考虑该特点。将"场路结合法"与CT随UT的变化规律相结合,提出了可控避雷器静态电位分布计算方法,即先建立受控元件、固定元件和晶闸管均压电阻的电场数值计算模型,求出等效杂散电容网络;再通过试验检测和曲线拟合,求出晶闸管CT和UT之间的函数关系;然后建立可控避雷器等效电路模型,将CT和UT之间的函数代入电路模型中,通过反复迭代,求得各电极电位UFi与避雷器端电压Us之间的函数;最后将UFi与Us之间的函数代入电场数值计算模型中,求出可控避雷器静态电位分布随Us的变化规律。经试验验证,该计算方法用于求解可控避雷器静态电位分布是有效的。

110和220kV不接地运行变压器中性点保护方式

为保护110、220 kV不接地运行变压器中性点绝缘,并克服间隙、避雷器等现有保护方式存在的缺陷,推荐一种新型可控间隙与金属氧化物避雷器并联保护方式,可控间隙与避雷器共同配合以实现对变压器中性点的有效保护。当系统发生单相接地且失地或非全相运行故障时,可控间隙动作以保护变压器中性点绝缘,同时,避雷器被短接,以免避雷器在工频过电压下运行发生危险。雷电过电压下,可控间隙不动作,由避雷器动作限制变压器中性点过电压。其他过电压下,可控间隙和避雷器均不动作,变压器中性点绝缘能够耐受。可控间隙与避雷器并联保护方式可有效保护变压器中性点绝缘,并解决了现有保护方式存在的问题,具有一定的工程应用价值。

安装新型铅减震器的500kV氧化锌避雷器动力特性

为研究新型铅金属减震器对高压电气设备动力特性的影响,对安装该减震器前后500kV氧化锌避雷器采用单输入单输出(SISO)方法进行了动力特性试验和有限元分析。试验结果表明:安装新型铅减震器前后500kV氧化锌避雷器的基频在1～10Hz之间且相差很小,振型基本一致;反映了设备整体刚度较小,新型铅金属减震器基本没有改变设备的频率和振型。安装新型铅金属减震器后500kV氧化锌避雷器的阻尼比比原来增大了近3倍,说明这种减震器是以提供设备附加阻尼的方式实现减震控制的。新型铅金属减震器可使避雷器支持瓷套根部应变减少46%以上且可以明显降低其顶部的加速度和位移。有限元分析结果表明:安装新型铅减震器前后500kV氧化锌避雷器的振型以水平振型为主,竖向振型和扭转振型不明显。

可控金属氧化物避雷器操作冲击动作特性试验方法

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。

选相抑制1000kV线路合闸过电压的仿真研究

为分析选相技术抑制1000k V空载输电线路合闸过电压的效果,首先研究了断路器的合闸预击穿特性和目标合闸相位,然后利用PSCAD/EMTDC软件的自定义模块建立了能考虑合闸预击穿特性及选相控制策略的合闸模型,最后对应用选相技术的1000k V空载线路统计合闸过电压进行了仿真分析,并与随机合闸、加装合闸电阻和金属氧化物避雷器下的统计过电压倍数进行了对比。结果表明:采用选相合闸技术配合避雷器的过电压抑制方式能将计划合闸过电压限制在1.6p.u.以下,将单相重合闸过电压限制在1.7p.u.以下,满足相关标准的要求,同时能够降低避雷器的吸收能量,并有效改善合闸的过渡过程。

多脉冲雷电冲击下金属氧化物的破坏形式

氧化锌(ZnO)压敏电阻是金属氧化物避雷器(MOA)的核心器件,对ZnO压敏电阻老化劣化以及破坏形式的研究对于MOA性能的改进具有重要意义。为此,借助同时序多脉冲雷电冲击高电压测试平台,研究了ZnO压敏电阻在动作负载以及不同多脉冲雷电冲击下的性能变化。研究结果表明:(1)多脉冲雷电冲击下,金属氧化物均匀度不同会导致不同的破坏形式,贴片接触结构均匀度较差的金属氧化物的破坏形式主要是贴片的融化剥落,热物理性能均匀度较差的金属氧化物的破坏形式则以ZnO压敏电阻体的热燃烧和粉碎性破裂为主;(2)多次单脉冲雷电冲击会导致ZnO压敏电阻内部损伤积累,破坏形式主要是裂痕和边角损坏,而当多脉冲雷电冲击数量超出一定值时,金属氧化物ZnO压敏电阻的破坏形式则出现分散性;(3)改变雷电冲击中脉冲的数量(10个以内)比改变相邻脉冲雷电冲击的时间间隔(ms数量级)可以对ZnO压敏电阻产生更明显的破坏程度。多脉冲雷电冲击ZnO压敏电阻本身产生的热应力为其劣化损坏的主要原因。

受端混联LCC-VSC特高压直流输电系统故障穿越方法

针对受端由电网换相换流器(LCC)和电压源换流器(VSC)级联的混合直流输电系统中VSC在交流故障穿越时子模块过压的问题,文中提出在受端VSC直流侧安装耗能设备以抑制VSC子模块过压的方法,对比分析了基于直流斩波耗能电阻、泄流晶闸管和可控避雷器3种耗能设备的交流故障穿越原理及策略。基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了包含工程实际控制保护主机程序的受端混联LCC-VSC特高压直流仿真模型,对比分析了3种耗能设备的交流系统故障穿越特性,结果表明在受端VSC直流侧安装耗能设备可以有效抑制子模块过压,实现交流故障可靠穿越。其中可控避雷器方案具有控制原理简单、可靠性高等优点,更适用于受端混联LCC-VSC特高压直流输电系统。

特高压交流开关型可控避雷器的参数选择和样机研制

鉴于特高压交流输电系统深度降低操作过电压的迫切需求,及目前操作过电压常规限制措施——断路器加装合闸电阻和常规避雷器在经济性和运行可靠性方面存在的不足,提出一种自适应运行条件变化的操作过电压柔性限制方法。该方法的核心内容是将在变电站线路侧安装可控避雷器和在线路中部安装常规避雷器结合起来,深度降低操作过电压,取消断路器合闸电阻。可控避雷器技术是操作过电压柔性限制方法的核心,目前主要聚焦于特高压交流开关型可控避雷器技术研究。阐述了开关型可控避雷器技术的工作原理;给出特高压交流开关型可控避雷器的参数选择,包括额定电压、可控比、避雷器本体参数和控制单元（包括控制开关和控制器）参数等;研制出避雷器本体、控制单元和控制器;在此基础上,经过整体集成,研制出可控比为15%的特高压交流开关型可控避雷器样机。并对样机开展了电气性能试验研究,充分验证了开关型可控避雷器的可行性和可靠性。可控避雷器的研制成功为特高压交流输电系统操作过电压限制提供了一种新技术,可显著提高工程的经济性和可靠性。

特高压可控避雷器参数配置及控制策略

可控避雷器通过动态改变伏安特性可实现操作过电压的深度限制,进而取消特高压系统断路器合闸电阻,提高工程经济性和可靠性。该文研究了可控避雷器对合闸操作过电压幅值、分布、波形等特性的影响;研究了可控避雷器参数在不同系统条件、线路长度下的适应性,提出取消断路器合闸电阻的可控避雷器参数配置方案;分析了可控避雷器的控制策略和实现方法;研究了可控避雷器在不同参数、不同工况下的工作条件。研究结果表明:长度400 km以内的特高压线路,采用15%~25%可控比的可控避雷器,可将合闸操作过电压限制在允许范围;可通过监测线路电压判断线路状态进而实现可控避雷器的控制;在所提出的参数配置和控制策略下,可控避雷器能耗、工频电压耐受均满足要求。

交流半波长输电系统过电压机理和属性及其控制

半波长输电系统存在常规电力系统中持续运行电压、暂时过电压及操作过电压等作用电压类型,但产生工况、机理、分类及特性有诸多不同。通过机理分析与EMTP仿真验证,得到区内发生接地故障工况是半波长输电系统过电压抑制的重点,存在接地故障过电压、谐振过电压及功率波动过电压3种类型。呈现暂时过电压特征的谐振过电压及功率波动过电压幅值高、持续时间长、全线覆盖面广,抑制难度较大,沿线加装金属氧化锌避雷器(metal zinc oxide arresters,MOA)是必然选择,但须对MOA耐受此类作用电压的限制要求重新界定。因此,提出适用于半波长系统的过电压控制要求及沿线MOA差异化配置方法。参照常规特高压工程,提出点对网型特高压半波长输电系统过电压控制标准,包括预测工况、过电压幅值和持续时间以及沿线设备耐受性能等要素;给出过电压抑制方案:沿线配置90组额定电压为876kV的MOA,并可取消特高压断路器合闸电阻。

金属氧化锌避雷器试验分析

伴随着电力行业的快速发展,电气设备在电网系统中的作用与价值不断提高。近些年,有许多研究显示10 kV金属氧化锌避雷器存在故障现象。为了更好地明确10 kV金属氧化锌避雷器的使用效益,文章以实践性应用为目的,探讨本体绝缘电阻的试验、直流参考电压与泄漏电流、阻性电流和全电流等试验方式的差异,明确10 kV金属氧化锌避雷器的故障原因,并提出几点相关的劣化控制措施。