矯立新，郭 潔，列劍平，劉 赫，劉俊博

（1．國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021；2．西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049）

500 kV串聯(lián)補償裝置MOV運行工況及暫態(tài)負荷應(yīng)力分布研究

矯立新1，郭 潔2，列劍平1，劉 赫1，劉俊博1

（1．國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021；2．西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049）

金屬氧化物限壓器（MOV）作為輸電線路串聯(lián)補償裝置的重要組成部分，限制系統(tǒng)故障時電容器極間的暫態(tài)過電壓。MOV通常由多個單元并聯(lián)構(gòu)成，故障瞬間會通過大電流、吸收高能量。MOV單元間暫態(tài)負荷應(yīng)力的分布狀況直接影響MOV的保護特性，應(yīng)通過優(yōu)化設(shè)計確保其暫態(tài)運行可靠性。以某500 kV交流超高壓帶串補裝置的系統(tǒng)為例建立了數(shù)值仿真模型，利用EMTP-ATP研究了串聯(lián)補償裝置在不同運行方式下區(qū)外故障和區(qū)內(nèi)故障時MOV的負荷應(yīng)力。綜合MOV的電壓-溫度特性試驗結(jié)果，深入研究了MOV并聯(lián)單元間暫態(tài)負荷應(yīng)力分布特性及其影響因素。研究結(jié)果表明，在暫態(tài)過程中由于電阻片阻抗的負溫度系數(shù)特性導(dǎo)致MOV并聯(lián)單元間的電流分流不均勻程度加劇，使各單元的吸收能量極不均衡，若參數(shù)控制不當會導(dǎo)致MOV局部單元負荷應(yīng)力惡性發(fā)展直至損壞。通過研究，獲得了MOV單元間暫態(tài)能量應(yīng)力不均勻度與靜態(tài)固有不均勻度間的關(guān)系，為優(yōu)化MOV多柱單元間參數(shù)配置提供了依據(jù)。

串聯(lián)補償；MOV；溫度系數(shù)；暫態(tài)負荷應(yīng)力分布

0 引言

目前，我國已經(jīng)在多條超特高壓、遠距離交流輸電線路上加裝串聯(lián)補償裝置，以補償輸電線路的感抗提高輸電線路的送電能力[1]。串聯(lián)補償電容器是串聯(lián)補償裝置的核心組成部分，也是過電壓保護的重要對象，國內(nèi)外電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用MOV對其進行保護[2]。盡管MOV的應(yīng)用技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用范圍也越來越廣泛，但其在實際運行中仍存在一定問題，威脅串補系統(tǒng)的安全運行[3]。運行經(jīng)驗表明，自2008年以來，我國有多個500kV串補站發(fā)生了串補MOV個別單元爆炸或壓力釋放動作事故[4]，事故原因有待深入研究。

以某500 kV交流帶串聯(lián)補償實際工程為研究背景，試驗和仿真計算相結(jié)合的方法，研究了500 kV串聯(lián)補償裝置MOV的運行工況及其暫態(tài)負荷應(yīng)力，研究了MOV并聯(lián)單元間的暫態(tài)負荷應(yīng)力的分布狀況及其影響因素，從而提出了優(yōu)化和改善MOV并聯(lián)單元間暫態(tài)負荷應(yīng)力分布的方法與原則。

1 串聯(lián)補償系統(tǒng)

研究的串補系統(tǒng)包括甲、乙和丙三個變電站，包括甲乙I回、II回緊湊型單回線路和甲丙常規(guī)單回線路在甲站側(cè)裝有串補裝置。串補裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 500 kV串補裝置主接線單相示意圖Fig.1 Schematic diagram of 500 kV series compensation

系統(tǒng)正常運行時，串補電容器串接在線路中補償無功。系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，串補電容器流過最高幾十千安的短路電流，此時MOV動作保護將電容器組的電壓迅速限制在標準規(guī)定的范圍內(nèi)，一般為2.0 p.u.～2.5 p.u.。但由于MOV承受的是工頻電壓，流通大電流，對MOV的性能要求極為嚴苛，因此需要及時觸發(fā)火花間隙保護MOV免于損壞。設(shè)置旁路斷路器是用于旁路間隙，為火花間隙熄弧提供條件。

2 MOV運行工況研究

在超高壓串聯(lián)補償系統(tǒng)中，考慮的典型故障形式主要有線路單相接地、兩相接地、三相接地和兩相相間短路。根據(jù)故障發(fā)生的位置分為區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障。串補所在線路上發(fā)生的故障稱為區(qū)內(nèi)故障；串補所在線路以外的故障稱為區(qū)外故障[4，5]。

研究的串聯(lián)補償裝置中的火花間隙和旁路斷路器的觸發(fā)參量和閾值有明確規(guī)定：系統(tǒng)出現(xiàn)區(qū)外故障時，串補裝置MOV及時動作限制串補電容器兩端的過電壓，火花間隙和旁路斷路器不動作；系統(tǒng)出現(xiàn)區(qū)內(nèi)故障時，在檢測到MOV吸收能量或者放電電流超過火花間隙的觸發(fā)閾值后，觸發(fā)火花間隙，1ms內(nèi)閉合旁路斷路器[6]。

利用EMTP－ATP電磁暫態(tài)程序建立了包括三個變電站和多條出現(xiàn)的串補系統(tǒng)仿真計算模型，計算中采用統(tǒng)計方法，即設(shè)定接地故障發(fā)生時刻在一個周期（20 ms）內(nèi)均勻分布，統(tǒng)計次數(shù)為120次·相，計算出各仿真結(jié)果的統(tǒng)計值。

2.1 甲乙線區(qū)外故障

系統(tǒng)出現(xiàn)區(qū)外故障時，故障點距離串補站越近，短路故障電流越大，則MOV吸收能量和流通電流越大。仿真中重點確定了甲乙I線區(qū)外故障點如圖2所示，B1故障在串補線路側(cè)，B2故障在串補母線側(cè)。計算結(jié)果如表1所示。

圖2 甲乙I線區(qū)外故障位置Fig.2 External fault points of Jia Yi I line

表1 甲乙I線區(qū)外故障時計算結(jié)果Table 1 Calculated results of Jia Yi I line external faults

表1中計算結(jié)果表明：甲丙線的串補線路側(cè)區(qū)外三相接地故障時，甲乙串補中串補電容器和MOV的運行負荷最高，串補電容器兩端的最大過電壓為2.04 p.u.，MOV吸收的最高能量為 47.4 MJ，MOV的最大放電電流為11.8 kA；

2.2 甲乙線區(qū)內(nèi)故障

區(qū)內(nèi)短路故障時該線路上出現(xiàn)過電流，直接威脅串補電容器，MOV花間隙的可靠配合可以確保MOV的安全運行。區(qū)內(nèi)故障的故障點在串補電容器母線側(cè)、串補電容器線路側(cè)和羅百I線沿線，由百色站到羅平站沿線故障點設(shè)定為線路的30%、60%和90%節(jié)點處。仿真計算結(jié)果如表2所示。

表2 甲乙I線區(qū)內(nèi)故障時計算結(jié)果Table 2 Calculated results of Jia Yi I line regional faults

表2中計算結(jié)果表明：甲乙區(qū)內(nèi)故障MOV吸收能量最大為51.0 MJ，放電電流最大為29.3 kA，此時甲乙II線退出運行。

綜上，將甲丙線的串補線路側(cè)三相接地故障確定為典型的甲乙線區(qū)外故障工況；將甲乙II線退出運行時60%線路節(jié)點三相接地故障確定為典型的甲乙線區(qū)內(nèi)故障工況。后文進行的MOV多單元間暫態(tài)負荷應(yīng)力分布研究均在此基礎(chǔ)上完成。

3 MOV暫態(tài)負荷應(yīng)力分布研究

3.1 MOV的暫態(tài)熱特性

MOV多單元間暫態(tài)負荷應(yīng)力分布研究的關(guān)鍵點是暫態(tài)中MOV電阻片的特性，包括熱特性和電特性。MOV的暫態(tài)熱特性涉及MOV的溫升、散熱和熱平衡整個過程，在結(jié)構(gòu)一定的前提下，電阻片的熱特性起決定作用[7-10]。系統(tǒng)故障時，MOV吸收大量過電壓能量，電阻片溫度升高，故障清除后，在持續(xù)運行電壓下MOV的散熱必須大于發(fā)熱，使MOV溫度逐漸下降回到穩(wěn)定運行溫度，否則，MOV的溫度繼續(xù)上升，最終導(dǎo)致熱崩潰[11]。在實際的系統(tǒng)中，由于MOV單元間的暫態(tài)熱特性存在差異，影響因素包括MOV各單元自身參數(shù)存在的固有差異和暫態(tài)溫度特性差異。

研究中，對工程中采用的某公司生產(chǎn)的MOV電阻片取樣進行V-A特性和阻抗-溫度特性測試研究，實驗得到了MOV電阻片在小電流區(qū)和工作區(qū)的電壓-溫度系數(shù)，研究表面MOV電阻片阻抗在穩(wěn)態(tài)和流過幾百安培電流暫態(tài)過程中均具有負的溫度系數(shù)特性。依據(jù)DL/T1156-2012“串聯(lián)補償裝置用金屬氧化物限壓器”標準電流分布系數(shù)λ定義為并聯(lián)在一起的電阻片柱（或單元）間流過的最大電流與平均電流之比[12]。

3.2 仿真條件

研究中依據(jù)超特高壓系統(tǒng)對MOV電流分布系數(shù)的要求和生產(chǎn)技術(shù)水平分別將λ設(shè)置為1.03、1.05和1.10。為方便敘述，將MOV并聯(lián)單元中局部阻抗處于極小值，即分流差異最大的單元命名為1號MOV單元，其它特性視為相同的均為2號MOV單元。

甲乙串補MOV的結(jié)構(gòu)和能量參數(shù)如表3所示。

表3 甲乙串補MOV的結(jié)構(gòu)和能量參數(shù)Table 3 Structure and energy parameters of Jia Yi series compensation MOV

3.3 MOV并聯(lián)單元間暫態(tài)負荷應(yīng)力分布

3.3.1 MOV單元散熱特性相同

溫度作為MOV的運行參量，直接反應(yīng)了MOV的能量吸收情況，間接體現(xiàn)了各MOV單元或單元內(nèi)部電阻片的分流負荷均一性。筆者在研究MOV并聯(lián)單元間暫態(tài)負荷應(yīng)力分布時，考慮MOV的溫度特性，同時假設(shè)MOV并聯(lián)單元散熱性能基本相同，即各單元間僅存在有因電流分布不均而形成的溫差。

1）典型區(qū)外故障：計算結(jié)果如圖3所示。由圖3中數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫升的增加，MOV并聯(lián)單元件的電流分布越來越不均勻，電流分布系數(shù)λ越來越大，1號MOV單元吸收能量逐漸增大。系統(tǒng)第一次短路故障后2號MOV單元溫升45℃，對應(yīng)圖3中數(shù)據(jù)，1號MOV單元在λ=1.03時吸收能量4.557MJ；在λ=1.05時吸收能量4.678MJ；在λ=1.10時吸收能量4.986MJ。均未超過單臺MOV額定允許能量5.362 MJ。

圖3 區(qū)外故障時1號MOV單元吸收能量隨溫升變化情況Fig.3 The change of absorption energy with temperature rise of 1MOV under external fault

2）典型區(qū)內(nèi)故障：計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 區(qū)內(nèi)故障時1號MOV單元吸收能量隨溫升變化Fig.4 The change of absorption energy with temperature rise of 1MOV under regional fault

由圖4中數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)第一次短路故障后2號MOV單元溫升50℃，對應(yīng)圖4中數(shù)據(jù)，1號MOV單元在λ=1.03時吸收能量5.167 MJ；在λ=1.05時吸收能量5.300 MJ；在λ=1.10時吸收能量5.636 MJ。僅在λ=1.10時超過單臺MOV額定允許能量5.362MJ，但在λ=1.05時已經(jīng)接近能量上限。

λ=1.03和λ=1.05時1號MOV單元吸收能量如表4所示。1號MOV單元的吸收能量均未超出單臺MOV允許額定能量，且1號MOV單元的能量裕度隨著單相MOV能量裕度的減小而遞減。典型區(qū)內(nèi)故障工況下，λ=1.03時，對應(yīng)單相MOV 8.0%的能量裕度1號MOV單元的能量裕度僅為3.8%；λ=1.05時1號MOV單元的能量裕度降為1.2%，已接近單臺MOV設(shè)計能量上限。

3.3.2 MOV單元散熱特性不同

在實際的運行環(huán)境中，由于MOV自身固有特性的差異、結(jié)構(gòu)、位置布局和環(huán)境溫度等因素的影響，MOV并聯(lián)單元的溫度分布很難均勻一致，不僅系統(tǒng)故障時各MOV并聯(lián)單元的溫升不同，故障清除后各MOV并聯(lián)單元的散熱特性也不盡一致[13～14]。目前對各運行中MOV并聯(lián)單元溫度變化的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)還是空白，業(yè)內(nèi)人士主要通過實時模擬計算MOV并聯(lián)單元的暫態(tài)熱特性[15]。研究表明，串補系統(tǒng)出現(xiàn)第二次短路故障前MOV并聯(lián)單元間溫差大多處在10℃左右[16]。仿真研究中設(shè)定1號MOV單元比2號MOV單元的溫升高10℃。

表4 電流分布系數(shù)為1.03和1.05時MOV運行參數(shù)Table 4 Operation results of MOV under different λ1.03 and 1.05

1）典型區(qū)外故障：計算結(jié)果如圖5所示，其中橫坐標為2號MOV單元的溫升。

圖5 區(qū)外故障時1號MOV單元吸收能量隨溫升變化Fig.5 The change of absorption energy with temperature rise of 1MOV under external fault

由圖5可以看出，系統(tǒng)第一次出現(xiàn)短路故障后2號MOV單元最高溫升至45℃，考慮散熱因素降溫10℃，2號MOV單元溫度為35℃，此時1號MOV單元在λ=1.03時吸收能量為5.025 MJ；在λ=1.05時吸收能量為5.160 MJ；在λ=1.10時吸收能量為5.502 MJ吸收能量超過MOV單元額定允許最大吸收能量5.362 MJ。

2）典型區(qū)內(nèi)故障：計算結(jié)果如圖6所示，其中橫坐標為2號MOV單元的溫升。

由圖6可看出，系統(tǒng)第一次發(fā)生短路故障后2號MOV單元最高溫升至51℃，考慮散熱因素降溫10℃，2號MOV單元溫度為41℃，1號MOV單元在λ=1.03時吸收能量為5.646 MJ；在λ=1.05時吸收能量為5.789 MJ；在λ=1.10時吸收能量為6.151 MJ。均超過了MOV單元額定允許最大能量5.362 MJ。

圖6 區(qū)內(nèi)故障時1號MOV單元吸收能量隨溫升變化Fig.6 The change of absorption energy with temperature rise of 1MOV under regional fault

分析結(jié)果如表5所示。由表5中數(shù)據(jù)可知，典型區(qū)內(nèi)故障工況下，特性差異最大的1號MOV單元在λ=1.03時吸收能量裕度為－5%，λ=1.05時吸收能量裕度為－7.4%，均已超過MOV單元額定最大允許吸收能量上限。

表5 電流分布系數(shù)為1.03和1.05時MOV運行參數(shù)Table 5 Operation results of MOV under different λ 1.03 and 1.05

上述研究結(jié)果表明：1號MOV單元吸收的最大能量與MOV單元間的電流分布系數(shù)、二次故障前的溫差成正比關(guān)系。若MOV并聯(lián)單元間最大電流分布不均勻系數(shù)λ控制在1.05以下，此時單相MOV的能量設(shè)計冗余須在22%以上，且二次故障前MOV單元間最大溫差應(yīng)能控制在10℃以內(nèi)，才能確保多單元并聯(lián)的MOV的運行可靠性。

4 結(jié)論

1）目前國內(nèi)配方工藝生產(chǎn)的MOV電阻片具有很強的阻抗溫度特性，在0～幾十甚至幾百A內(nèi)等值阻抗均呈現(xiàn)明顯的負溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高，阻抗顯著減小，導(dǎo)致分流不均進一步加劇。

2）暫態(tài)過程中單元吸收的能量與MOV單元間的靜態(tài)電流分布不均勻系數(shù)、二次故障前的溫差成正比關(guān)系。

3）若MOV單元間電流分布系數(shù)λ控制在1.05以下，二次故障前MOV單元間的溫差控制在10℃以內(nèi)，則MOV的吸收能量設(shè)計冗余應(yīng)在22%以上，才能保證在最嚴酷工況下MOV單元吸收能量不超過預(yù)期設(shè)計值，從而保證MOV運行安全。

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Research on Operation Conditions and Transient Load Distribution of 500 kV Series Compensation MOV

JIAO Lixin1，GUO Jie2，LIE Jianping1，LIU He1，LIU Junbo1
（1.State Grid Jilin Province Electric Power Research Institute，Changchun 130021，China；2.College of Electrical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

As an important part of series compensation device，the Metal-Oxide Varistors（MOV）are applied to protect the series compensation capacitors from overvoltage damage.One MOV group has multiple units to absorb a huge amount of energy when a fault occurs in series compensation system.The operation reliability of series compensation is directly determined by transient load distribution of 500 kV series compensation MOV.The reasonable design is urgently needed to insure the excellent transient thermal reliability of series compensation.This paper studies external fault and regional fault of series compensation system under different operation conditions by building simulation models of one 500 kV series compensation systems using EMTP-ATP.According to the test results and typical fault conditions，study of transient load distribution among multiple MOV units and its influencing factors has been done.The results show that the current distribution of parallel MOV units will be more uniform because of the negative temperature coefficient，and the absorption of energy will be extremely imbalance to damage the MOV units.The author studies the relationship between transient and static ununiformity of energy to provide evidence for optimize the parameter configuration of MOV.

series compensation；MOV；temperature coefficient；transient load distribution

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.03.014

2016-03-23

矯立新（1989—），男，碩士，主要研究方向為電力系統(tǒng)過電壓及其防護。