220kV串联补偿电容器用大容量金属氧化物避雷器Word文档格式.docx
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HighCapacityMetalOxideSurgeArresterUsedin220kVSeriesCompensationPowerCapacitor
Hejimou，ZhuJiaxi
（Xi’anElectroceramicResearchInstitute，Xi’an710077，China）
Abstract：
Thispaperintroducestheapplicationofmetaloxidesurgearresterstoprotectionofseriescompensationpowercapacitors，andanalysesthecharacteristicsandstructureofarresters．Thecurrentdistributiontestmethodforarresterisdescribed．
Keywords：
Seriescompensationcapacitor；
Arrester；
Currentdistribution
1 引言
随着“三峡工程”的建设，西部电力的开发，我国电力工业有了很大的发展，装机容量不断增加，电网不断扩大。
由于负荷中心与能源中心距离较远，需要长距离的输送巨大的电能。
长距离、大容量的电能传输，使得电力系统的稳定性要求变得日益突出。
串联电容器补偿技术就是在电力系统远距离，大容量输送的这一发展趋势下产生的，是提高系统稳定性的有力措施之一。
串补技术的应用可增加线路的传输能力，减少线路回路数，较好地调整线路负荷，改善系统的静态和动态稳定性。
采用串补技术的线路一旦发生接地故障会使电容器两端的电压升高，产生过电压，其结果危及电容器绝缘。
因此必须对串补电
容器进行过电压保护。
1979年，美国GE公司首次采用ZnO非线性电阻片作为串补电容器过电压保护，使串补电容器组在线路故障后瞬间投入，从而充分发挥了串补装置对提高系统稳定性的作用。
1984年ASEA公司研制的串补电容器过电压保护装置其能量吸收能力已达100MJ，1990年ABB公司的该类过电压保护装置能量吸收能力达到200MJ。
国外在串补电容器用MOA的应用和研究方面已非常成熟。
迄今为止，超高压输电系统的串补关键技术都为少数跨国公司所垄断，而目前我国输电系统用的串补设备全部采用进口。
随着三峡工程的建设，国家确定了“西电 东送、南北互供、全国联网”的发展战略。
我国电网已进入了大电网、大机组、高压交直流输电的新阶段。
串补电容器组改善和提高大区联网的安全稳定性，其过电压保护用MOA的国产化已被列入国家“十五”重大技术装备研制和国产化项目。
本文介绍220kV串补电容器用大容量避雷器的开发。
该产品是为甘肃碧口－成县的220kV输电线路串联补偿国产化工程提供过电压保护的，使串联补偿电容器免受过电压的损坏，提高电力系统的安全、稳定性。
2 串补电容器用避雷器的特性和结构
2．1 避雷器的特性
2．1．1 避雷器使用条件
避雷器使用条件见表1。
2．1．2 避雷器的特性参数
在甘肃碧口－成县的220kV输电线路串联补偿工程中线路及串补装置参数：
线路最高电压：
252kV（rms）；
串补电容器的额定电流：
1．2kA（rms）；
最大短路电流：
20kA（rms）；
线路长度：
140km；
总阻抗：
43．3Ω；
串补装置额定电压：
28．6kV（rms）；
补偿度：
50％
避雷器的保护水平按串联补偿电容器的额定电压的2．4倍来选取，配合电流10kA。
根据甘肃电力公司的设计方案和电科院采用EMTP程序对系统的计算，避雷器的最大吸收能量为15MJ／相。
避雷器主要技术参数见表2。
从以上参数看串联补偿电容器组用避雷器和常规避雷器不同之处在于它的通流容量大，并联柱数多，要求避雷器的电流分布不均匀系数小。
2．2 串补电容器过电压保护装置组成及避雷器的工作原理
2．2．1 过电压保护装置组成
避雷器保护系统由图1所示的四个基本元件组成。
每个元件都在装置运行中起着独特作用。
避雷器MOA直接与电容器SC并联，起着故障过电压保护的作用。
通过限流电抗器DR连接于电容器SC和避雷器MOA的是可触发的空气间隙AG，此间隙并不起限制电容器两端过电压的作用，其触发击穿是靠对避雷器MOA运行监测的控制逻辑电路来实现的。
在某种系统故障下，如果流过避雷器MOA的电流和持续时间超过规定值时间隙AG触发，将避雷器MOA短路。
当不正常的系统状况使通过间隙的时间过长的情况下与间隙AG并联的旁路开关BS可自动闭合。
限流电抗器DR是用来限制电容器SC对间隙AG或旁路开关BS的放电电流。
2．2．2 避雷器工作原理
串补电容器用避雷器主要考虑它的额定电压、能量和保护特性。
避雷器的额定值是由串联电容器的最大无故障电压来确定。
串联电容器在不同的时间周期内承载不同的电流幅值，包括电容器的持续运行电流、事故过载电流和承载的系统最大摇摆电流，这些电流加在电容器上导致持续或暂态的电压。
避雷器必须有足够的额定值以承受这些持续或暂态的电压，以保证避雷器的安全运行。
避雷器伏安特性与电容器的一般关系见图2［6］。
当系统发生接地故障时，电容器两端电压升高，避雷器动作，将电容器两端的电压限制在避雷器保护水平以下。
当在装设串联补偿装置的线段内发生故障时，流过串补装置的电流很大，避雷器吸收能量的上升速度很
快，吸收能量很大，如果只用避雷器保护，这就要求避雷器有很大的能量吸收能力，从而增加了串联补偿装置的投资并且很不实际，基于这种考虑，在电容器和避雷器的两端并联装设有触发间隙和旁路开关来作为避雷器的后备保护。
当在装设串联补偿装置的线段外发生故障时，故障电流受到线路总阻抗的限制，电流较在装设串联补偿装置的线段内发生故障时要小，为了保证系统的输送容量和提高系统的暂态稳定性，串联补偿装置不退出运行，避雷器要吸收故障电流产生能量。
因此，保护系统最经济的选择是将避雷器设计的具有满足最不利的外部线路故障所需要吸收的能量。
对外部故障来说只有避雷器动作为电容器提供过电压保护，故障一切除，就瞬间将电容器重新投入。
对于超过避雷器设计额定值的线段内故障，空气间隙被触发，故障电流流过间隙，一直到故障电流被系统线路开关切除，间隙去游离，恢复其电压耐受强度。
如果发生异常线路故障，故障电流持续通过间隙，控制回路就闭合旁路开关。
2．3 产品结构设计
按照串联补偿电容器组用避雷器吸收能量的要求，避雷器采用50柱并联，控制每柱电流分布是避雷器结构设计的关键问题。
通过改进电阻片制造工艺，并对每批电阻片进行严格测试和筛选，提高电阻片的通流容量，使每台避雷器并联元件的伏安特性接近一致，以确保电流沿避雷器各柱之间均匀分配，提高避雷器的整体性能。
根据220kV串补装置的安装结构特点，避雷器采用成熟的复合外套避雷器的制造工艺制成，复合外套避雷器已大量的应用到交直流输电、并补电容器和静补装置的保护中。
复合外套避雷器的外套材料选用的主料是甲基乙烯基硅橡胶，主链为含硅氧键（Si－O），侧链含少量的不饱和乙烯基。
甲基乙烯 基硅橡胶的分子结构见图3。
硅氧键（Si－O）的键能高达373．3J／克分子，而一般的橡胶的碳－碳键（C－C）的键能仅为277J／克分子，这就使它具备较高的热稳定性。
这种硅橡胶具有耐高低温性，使用温度可达－70℃～＋300℃，耐臭氧，耐辐射，以及很好的介电性能，非污染性，憎水性。
此外在甲基乙烯基硅橡胶中加入硫化剂、补强剂、着色剂、抗电蚀填充剂，使硅橡胶具有抗电蚀、抗紫外线辐射、耐老化、憎水性能好。
在应用到串补装置中和瓷套避雷器相比具有以下特点：
（1）重量轻、体积小，应用到串补装置中避雷器的体积和重量都减少了1／3，减轻整个串补装置安装平台的重量，以利于平台的稳定；
（2）避雷器的耐污性能好，利用硅橡胶外套的憎水性，提高了避雷器的外绝缘性能，减轻了串补装置的维护工作量；
（3）避雷器的防爆性能好，采用环氧玻璃丝筒和硅橡胶材料制成的复合外套，有利于释放避雷器故障时的内部压力，避免了避雷器爆炸对其它设备的危害。
避雷器采用外部并联的方式，并用固定架将避雷器组装成一个整体，便于避雷器的安装，避雷器元件及避雷器外形结构见图4、图5。
3 避雷器试验
3．1 串补保护用避雷器的试验和GB11032－2000《交流无间隙金属氧化物避雷器》及GB／T6115．2《电力系统用串联电容器第2部分：
串联电容器组用保护设备》规定的试验项目和方法基本一致。
但是由于串补保护用避雷器吸收能量大，并联柱数多，流过避雷器每柱的电流差别要求小，以提高避雷器整体
的通流能力，因此在设计避雷器时，避雷器的电流分布试验需要特别考虑，以保证避雷器每柱的伏安特性基本一致，电流分布在规定的范围内。
3．2 电流分布试验
220kV串补电容器用避雷器通过采用EMTP程序计算，它的能量吸收能力为15MJ，需要采用50柱并联，这就必须使吸收的能量在并联电阻片之间均匀的分担。
因为所有柱上的电压都相同，所以能量的分配就等于电流的分配。
由于制造的偏差，各柱之间的电流会有一定的差别，于是避雷器残压最低的将会吸收比其它柱更多的能量，为了表征这种吸收能量的差别，用决定电流分布系数来表征。
电流分布最大系数可以用下式表示［4］：
β＝N·
Imax／Ir
式中：
β—电流分布最大系数；
N—并联柱数；
Imax—通过任意柱的最大电流峰值；
Ir—总电流的峰值
一般情况下，在冲击电流时，电阻片的电流遵从下面的公式：
I＝CUa
C—常数；
a—非线性系数；
U—电压
在冲击电流约为100～1000A范围内，a约为20～30，而且变化不大；
电流更大时，a可能降低到约为10。
因此在此区间上，电压很小的变化，会引起电流非常大的变化，在此区间上测得的β值可以满足对电流分布的要求。
由于220kV串补电容器用避雷器并联柱数多，现有的试验设备和测量仪器不能满足同时测量每柱冲击电流的需要，而采用了在试验电流下每个柱和参考柱进行对比的试验方法，对避雷器的并联柱进行对比试验，以保证避雷器电流分布不均匀系数不大于1．1，以满足避雷器吸收能量的要求。
4 结论
4．1 串联补偿电容器用避雷器吸收能量巨大，并联柱数为50柱，能量沿各柱的均匀分配是避雷器设计中要考虑的关键问题。
设计和试验时严格控制避雷器电流分布不均匀系数小于1．1，以保证避雷器吸收能量的能力。
4．2 串联补偿装置采用复合外套避雷器来保护电容器，该避雷器具有体积小、重量轻、耐污性能好、压力释放性能优异等优点，适合于串联补偿装置平台的安装，提高了平台的稳定性，减轻了平台的重量。
4．3 利用我所现有的避雷器制造技术开发的串联补偿电容器用避雷器能够满足甘肃碧口－成县的220kV输电线路串联补偿国产化工程的要求。
参考文献：
［1］GB11032－2000无间隙金属氧化物避雷器［S］
［2］IEC99－5．surgearresters－part5：
selectionandapplicationrecommendations［S］
［3］GB／T6115．2《电力系统用串联电容器第2部分：
串联电容器组用保护设备》［S］
［4］西安交通大学主编．电力工程［M］．电力工业出版社
［5］CIGRE33／14．05高压直流换流站无间隙金属氧化物避雷器使用导则
［6］美国GE公司J．R．Haman等．串联电容器的氧化锌非线性电阻保护系统500kV输电系统设计译文集［C］．1982年
［7］魏旭等．串联补偿装置中金属氧化物可变电阻的应用［J］．电瓷避雷器2002．（3）
［8］杨一民．具有CAPGUELL保护系统的超高压串联电容器补偿装置［C］．电力电容器学会论文集2002年
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