特高压交流输电系统用操作过电压柔性限制方法

摘要

本发明提供了一种特高压交流输电系统用操作过电压柔性限制方法，包括：在特高压交流输电系统中变电站线路的入口处安装可控避雷器，并依据变电站线路的长度L确定可控避雷器的可控比；依据变电站线路的长度L，判断在变电站线路中部是否安装常规避雷器。与现有技术相比，本发明提供的一种特高压交流输电系统用操作过电压柔性限制方法，可以有效降低特高压线路沿线的过电压水平，特别是线路中部的操作过电压水平得到了有效降低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种过电压限制方法，具体涉及一种特高压交流输电系统用操作过电压柔性限制方法。

背景技术

从超高压(330kV～750kV)输电系统开始，操作过电压对输变电设备的绝缘水平已经起着控制作用，随着系统电压等级的升高，影响越来越大，须将操作过电压倍数限制得越来越低。在特高压(1000kV)输电系统中，空气间隙的操作冲击放电电压呈现饱和特性，操作过电压水平对输变电设备的造价和制造难度影响更大，因此，深度降低操作过电压倍数、合理选取设备绝缘水平是十分必要的。

避雷器是电力系统过电压保护的主要装置。避雷器电阻片从早期以碳化硅(SiC)为主要原料发展到现今以氧化锌(ZnO)为主要原料，避雷器的性能在几十年间得到了极大的提高，应用范围越来越广。

常规金属氧化物避雷器的工作原理是利用金属氧化物电阻片高电压下呈现低阻值的特性，通过避雷器本体来释放过电压能量，将系统过电压水平限制到较低数值。

近年来，研究人员通过改进金属氧化物电阻片的配方和生产工艺，研制出了性能更优越的高性能金属氧化物电阻片，其中日本东芝公司研制的电阻片性能处于世界领先水平，主要指标为：能量吸收能力为300J/cm³，标称电流下压比1.55，允许荷电率92％，电位梯度200～600V/mm。但是在超、特高压系统中，仅靠采用高性能电阻片的避雷器，仍无法将操作过电压水平限制到规定的数值。

以特高压系统为例，目前主要是应用金属氧化物避雷器和断路器加装合闸电阻两种措施联合使用。两者共同作用可将系统的最大相对的2％统计操作过电压限制在1.6p.u.～1.7p.u.。但是，由于合闸电阻在运行可靠性和经济性方面仍存在较大不足，断路器加装合闸电阻后机构复杂，大大增加断路器的运行风险，同时断路器加装合闸电阻后成本增加较多，电力系统运行部门和制造厂商均倾向于在系统条件允许情况下断路器不采用合闸电阻。

当两个特高压变电站之间的线路较短时，将避雷器额定电压降低，也可以将系统操作过电压限制在1.6p.u.～1.7p.u.。例如，某特高压线路段仅为60km，如果不采用断路器加装合闸 电阻，仅采用金属氧化物避雷器将操作过电压限至标准允许的范围内，须将金属氧化物避雷器的额定电压从目前的828kV降至804kV(额定电压降低了3％)，避雷器的荷电率将从目前的0.77升高至0.79。但再长一点的线路，即使将避雷器额定电压降至804kV也无法满足要求。例如某特高压线路长度为85.5km，采用804kV的避雷器仅能将沿线过电压降至1.74p.u.，仍然无法满足要求。必须将避雷器的额定电压降至更低，甚至需降至762kV(额定电压降低了8％)才能满足要求。此时避雷器的长期运行荷电率将从目前的0.77升高至0.83，从而使避雷器电阻片在正常运行下的老化速度加快，可靠性裕度大大降低。而且使用762kV避雷器的前提条件还必须是将系统工频过电压限制在母线侧1.2p.u.、线路侧1.3p.u.，使用条件极其受限。

另外，线路沿线操作过电压在断路器取消合闸电阻后一般呈现中间高、两端低的趋势，沿线最大过电压出现在线路中部。如能在线路中部安装避雷器，可有效降低线路上高幅值的操作过电压，使线路操作过电压均降至标准允许范围内。

因此，非常有必要研究一种自适应运行条件变化的操作过电压柔性限制方法，采用避雷器快速控制技术和灵活布置方法，在系统正常运行时提高避雷器运行可靠性，暂态情况下能够深度降低系统操作过电压，取消断路器合闸电阻，进一步提高特高压输电系统的安全性、可靠性和经济性。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种特高压交流输电系统用操作过电压柔性限制方法。

本发明的技术方案是：

所述方法包括：

在所述特高压交流输电系统中变电站线路的入口处安装可控避雷器，并依据所述变电站线路的长度L确定所述可控避雷器的可控比；

依据所述变电站线路的长度L，判断在变电站线路中部是否安装常规避雷器。

优选的，所述依据变电站线路的长度L确定可控避雷器的可控比包括：

当0≤L＜180km时，所述可控避雷器的可控比为10％；

当180≤L＜250km时，所述可控避雷器的可控比为17％；

当250≤L＜330km时，所述可控避雷器的可控比的取值至少为10％；

当L≥330km时，所述可控避雷器的可控比的取值至少为10％。

优选的，所述依据变电站线路的长度L，判断在变电站线路中部是否安装常规避雷器， 包括：

当0≤L＜180km时，不安装常规避雷器；

当180≤L＜250km时，不安装常规避雷器；

当250≤L＜330km时，安装一台常规避雷器；

当L≥330km时，安装至少两台常规避雷器。

优选的，当L≥250km时，在变电站线路上安装避雷器的方式为：所述可控避雷器的可控比的取值至少为10％，且在变电站线路中部安装至少一台常规避雷器。

优选的，所述特高压交流输电系统中的断路器不安装合闸电阻。

优选的，所述可控避雷器包括第一MOA、第二MOA和控制单元；所述第一MOA和第二MOA串联，控制单元并联在第二MOA两端，第一MOA接入变电站线路中。

所述常规避雷器包括一个MOA，所述MOA一端接地，另一端接入变电站线路中。

优选的，所述控制单元包括晶闸管开关，该控制单元的控制模式包括：

(1)当特高压交流输电系统处于持续运行电压下，所述晶闸管开关断开，第一MOA和第二MOA共同承担所述持续运行电压；

(2)当特高压交流输电系统处于暂时过电压下，若所述暂时过电压小于U_s0则晶闸管开关断开，若暂时过电压达到或者大于U_s0则控制单元触发，经过预置延迟时间t_gt后晶闸管开关导通，第一MOA承担暂时过电压；U_s0为特高压交流输电系统在控制单元触发时刻的控制阈值；

(3)当特高压交流输电系统处于操作过电压下，若所述操作过电压小于U_s0则晶闸管开关断开，若操作过电压达到或者大于U_s0则控制单元触发，经过预置延迟时间t_gt后晶闸管开关导通，第一MOA承担暂时过电压；

(4)当特高压交流输电系统处于雷电过电压下：

若所述雷电过电压的波头时间t_f＞t_gt，则晶闸管开关在雷电过电压的波头处导通，第一MOA承担雷电过电压；

若所述雷电过电压的波头时间t_f≤t_gt，则晶闸管开关在雷电过电压的波尾处导通，第一MOA和第二MOA共同承担雷电过电压。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明技术方案中，可控避雷器在现有金属氧化物电阻片制造水平的基础上，将避雷器制造技术与开关制造技术、测量控制技术、继电保护技术等结合起来，能够深度降低特高压输电系统用金属氧化物避雷器的残压，提高保护水平，而且长期运行可靠，是一种高性能的过电压保护装置；

2、本发明技术方案中，可控避雷器尤其适用于特高压输电系统的过电压保护，优异的保护性能允许系统降低电力设备和输电线路绝缘水平，减少输电成本；对于特高压输电系统，在维持现有电力设备和输电线路绝缘水平不变的前提下，允许取消断路器的分、合闸电阻，经济效益十分显著；

3、本发明技术方案中，特高压线路中部安装避雷器的方法直接针对线路沿线操作过电压在断路器取消合闸电阻后一般呈现中间高两端低的趋势、沿线最大过电压出现在线路中部的特点，在线路中部安装避雷器，有效降低线路上高幅值的操作过电压，使线路操作过电压均将至标准允许范围内；

4、本发明提供的一种特高压交流输电系统用操作过电压柔性限制方法，可以有效降低特高压线路沿线的过电压水平，特别是线路中部的操作过电压水平得到了有效降低。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种特高压交流输电系统用操作过电压柔性限制方法流程图；

图2：本发明实施例中可控避雷器结构示意图；

图3：本发明实施例中控制单元的控制逻辑示意图；

图4：本发明实施例中常规避雷器结构示意图；

图5：本发明实施例中断路器取消合闸电阻后，变电站线路中部未安装避雷器时，操作过电压幅值的沿线分布趋势图；

图6：本发明实施例中断路器取消合闸电阻后，变电站线路中部安装避雷器时，操作过电压幅值的沿线分布趋势图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种特高压交流输电系统用操作过电压柔性限制方法的实施例如图1所示，具体为：

在特高压交流输电系统中变电站线路的入口处安装可控避雷器，并依据变电站线路的长度L确定可控避雷器的可控比；依据变电站线路的长度L，判断在变电站线路中部是否安装常规避雷器。同时，特高压交流输电系统中的断路器不安装合闸电阻。通过上述两种措施，在断路器取消合闸电阻的情况下，将系统操作过电压限制在标准允许范围内。

针对实际特高压系统条件和线路长度，操作过电压柔性抑制方法可以采用多种组合方式，均可以在断路器取消合闸电阻条件下将操作过电压限制在标准运入范围内，具体为：

1、依据变电站线路的长度L确定可控避雷器的可控比包括：

①：当0≤L＜180km时，所述可控避雷器的可控比为10％；

②：当180≤L＜250km时，所述可控避雷器的可控比为17％；

③：当250≤L＜330km时，所述可控避雷器的可控比的取值至少为10％；

④：当L≥330km时，所述可控避雷器的可控比的取值至少为10％。

2、依据变电站线路的长度L，判断在变电站线路中部是否安装常规避雷器，包括：

①：当0≤L＜180km时，不安装常规避雷器；

②：当180≤L＜250km时，不安装常规避雷器；

③：当250≤L＜330km时，安装一台常规避雷器；

④：当L≥330km时，安装至少两台常规避雷器。

3、当L≥250km时，在变电站线路上安装避雷器的方式为：可控避雷器的可控比的取值至少为10％，且在变电站线路中部安装至少一台常规避雷器。

上述操作过电压柔性抑制方法的组合方式如表1所示：

表1

如图2所示，本实施例中可控避雷器包括第一MOA、第二MOA和控制单元。其中，第一MOA和第二MOA串联，控制单元并联在第二MOA两端，第一MOA接入变电站线路中。如图4所示，本实施例中常规避雷器包括一个MOA，MOA一端接地，另一端接入变电站线路中。

本实施例中可控避雷器的控制单元包括晶闸管开关，该控制单元的控制模式包括：

(1)当特高压交流输电系统处于持续运行电压下，晶闸管开关断开，第一MOA和第二MOA共同承担持续运行电压。

如图3所示，可控避雷器工作于曲线2的区域A，通过提高避雷器本体的额定电压来减小避雷器的运行荷电率，提高可靠性。

(2)当特高压交流输电系统处于暂时过电压下，若暂时过电压小于U_s0则晶闸管开关断开，若暂时过电压达到或者大于U_s0则控制单元触发，经过预置延迟时间t_gt后晶闸管开关导通，第一MOA承担暂时过电压；U_s0为特高压交流输电系统在控制单元触发时刻的控制阈值。

目前中国特高压输电系统相对地暂时过电压的限制目标为：变电站侧1.3p.u.，线路侧1.4p.u.(≤0.5s)及其以下。可控避雷器主要用于限制系统操作过电压，并非用于限制暂时过电压，但是为了保证可控避雷器对操作过电压的限制效果，控制阈值U_s0可能需要选择得小于1.4p.u.。此时若暂时过电压小于U_s0则晶闸管开关断开，仍然由第一MOA和第二MOA共同承担暂时过电压，可控避雷器工作于图3中曲线2的区域A；若暂时过电压达到或者大于U_s0则控制单元触发，经过预置延迟时间t_gt后晶闸管开关导通，可控避雷器工作于图3中曲线2的区域B，第一MOA的残压低，可以适当降低系统暂时过电压。

本实施例中预置延迟时间t_gt一般为几微秒至几十微秒。

(3)当特高压交流输电系统处于操作过电压下，若操作过电压小于U_s0则晶闸管开关断开，若操作过电压达到或者大于U_s0则控制单元触发，经过预置延迟时间t_gt后晶闸管开关导通，第一MOA承担暂时过电压。

在特高压输电系统中，操作过电压波头时间t_f较长，一般为600～4500μs，有90％以上的波头时间t_f＞1000μs，以特高压交流试验示范工程中操作过电压的波头时间为例，各种操作方式所产生过电压的波头时间最小为2800μs，最大为4800μs，均远大于预置延迟时间t_gt。控制单元的响应速度完全能够满足可控避雷器对操作过电压的限制要求。

目前中国特高压输电系统的2％操作过电压如果不加以限制，可能超过2.0p.u.，大于控制阈值U_s0，控制单元触发，经过预置延迟时间t_gt后导通，可控避雷器工作于图3中曲线2的区域B，第一MOA的残压低，可以深度降低系统操作过电压水平。

(4)当特高压交流输电系统处于雷电过电压下：

目前数据统计结果表明，约85％的雷电流波头长度在内1～5μs内，平均为2.6μs。雷电流所产生的雷电侵入波过电压波头时间和雷击形式紧密相关，反击和绕击所产生的雷电侵入波过电压波头时间不同。一般由反击引起的过电压波头时间为几十微秒，由绕击引起的过电压波头时间为几微秒。从而可以确定，雷电侵入波过电压波头时间和预置延迟时间t_gt相差不多，预置延迟时间t_gt对可控避雷器限压效果的影响不可忽略。

①：若雷电过电压的波头时间t_f＞t_gt，则晶闸管开关在雷电过电压的波头处导通，第一MOA承担雷电过电压。可控避雷器工作于图3中区域C的曲线1上部分，第一MOA的残压低，可以适当降低雷电过电压水平。

②：若雷电过电压的波头时间t_f≤t_gt，则晶闸管开关在雷电过电压的波尾处导通，第一MOA和第二MOA共同承担雷电过电压。可控避雷器工作于图3中区域C的曲线1下部分，同样幅值的雷电流下，设备上的雷电过电压会比用常规避雷器时高，可以通过优化避雷器对电气设别的保护距离来限制电气设备上的雷电过电压，使其小于电气设备的雷电冲击耐受水平。

本发明中以特高压系统为例，图5和6分别示出了操作过电压柔性抑制方法实施前后的线路过电压水平仿真结果对比。对比结果表明，操作过电压柔性抑制方法可以有效降低特高压沿线的过电压水平，特别是变电站线路中部的操作过电压水平得到了有效降低。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。