2014年第37卷第5期 Vo1.37 NO.5 广西电力 GUANGXI ELECTRIC POWER 43 串联补偿电容装置火花间隙自触发原因分析 张2.广西大学电气工程学院,南宁杰 ,黄康驾。 百色533000; 530028) (1.中国南方电网超高压输电公司百色局,广西530004;3.中国南方电网超高压输电公司南宁局,南宁摘要:分析查找“4・10”多个串联补偿电容装置火花间隙自触发原因。通过对XI_SK-20PL强制触发型火花间隙装置进行触 发间隙自放电电压测试、均压电容参数测试和火花间隙击穿特性测试,发现石墨电极表面存在鸟粪等污物是火花间隙自触发的 根本原因。火花问隙击穿特性测试结果显示,当石墨电极表面有尖端、水珠或污秽物等时,火花间隙的主间隙击穿电压分散性 很大,交流击穿电压最低约为正常值的65.0%。提出了加强火花间隙运行维护等改进措施。 关键词:串联补偿电容装置;火花间隙;自触发;击穿特性试验 中图分类号:TM83 文献标志码:A 文章编号:1671—8380(2014)05—0043—05 Reason Analysis of the Spark Gap Self-trigger of Series Compensation Capacitor Device ZHANG Jie ,2 HUANG Kangjia。 (1.Baise Bureau of EHV Power Transmission Company,China Southern Power Grid Co.,Ltd.,Baise 533000,China; 2.College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China; 3.Nanning Bureau of EHV Power Transmission Company,China Southern Power Grid Co.,Ltd.,Nanning 530021,China) Abstract:Reasons of“4・10”spark gap self-trigger of multi series compensation capacitor equipments is analyzed and foundBy .testing the self_trigger voltage of tigger gap.parametrers of equalization capacitor and breakdown characteristics of spark gap of the XLSK一20PL forced trigger type spark gap,it is found that pollutions such as bird droppings on the surface of graphite electrode are root reasons of the spark gap self-tigger.Testr results of breakdown characteristics of spark gap show that the breakdown voltages of the main gap of the spark gap have great dispersion if the surface of the graphite electrode has burr,water or pollutions,and the lowest AC breakdown voltage is about 65%of normal value.Modification measures such as the enforcement of operation maintenance of the spark gap and SO on are proposed. Key words:series compensation capacitor device;spark gap;self-tirgger;breakdown characteristic test 1 火花间隙自触发情况 南方电网辖区内的500 kV串联补偿电容装置 (简称串补装置)自投运以来,GE公司和SIEMENS 2009年4月10日18:29,500 kV天金线C相故 障,经1 066 ms重合于B、c相间接地故障。在500 kV天金线重合于故障过程中,500 kV马百线串补装 置B、C相、500 kV天平I线串补装置B、c相和500 kV天平Ⅱ线串补装置B相的火花间隙自触发,自触 发的串补装置均暂时三相旁路后重投成功。在此故 障期间,500 kV马百线和500 kV天平I、Ⅱ线均处 于正常运行状态。 公司生产的串补装置均多次出现火花间隙自触发造 成串补旁路的问题。本文以2009年4月10日发生 的多个串补装置火花间隙自触发故障为例,对这类 故障进行深入分析。 收稿日期:2013—04—24;修回日期:2014—09—15 广西电力 GUANGXI ELECTRIC POWER 2014年10月 Vo137 No.5 厂一一一一一] 一一一一一一] 性测试i o 3.1 触发间隙自放电电压测试和分析 触发问隙型号为XLTK一80 PL,自触发电压(峰 值)为49~63 V;自触发电压整定值(峰值)为52.3 kV(比保护水平电压的1/4高10%)。触发间隙为密 封在瓷套内的半球形电极间隙,一端电极上设置了 cl、c2、c3、c4一电压电容器;Gl、G2一主间隙;R1、R2一限流电 阻;TFG1、TRIG2一密封间隙;T1、T2、T3、T4一脉冲变压器 图1 火花间隙装置的构成 2火花间隙装置的构成和工作原理 以SIEMENS公司生产的XLSK一20PL强制触发 型火花间隙装置为例,简要介绍火花间隙的构成和 工作原理。XLSK一20PL强制触发型火花间隙装置 的构成如图1所示。 图1中,当串补装置在额定电压下正常运行时, 2个串联连接的主间隙(G1、G2)各承担1/2的额定电 压。间隙距离将根据其自放电电压进行调整,以保 证在没有触发的情况下间隙在最大可能经受的过电 压下不会自放电。 当输电线路发生接地故障时,由限压器(MOV) 将电容器组的过电压限制在2.37p-u.。在未接收到 触发命令前,2个串联主间隙各承担的电压为 1.185p-u-。问隙的触发控制系统接收到触发命令 后,立即向脉冲变压器T1和T2的一次绕组发出点 火脉冲,经升压后使密封间隙TRIG1的2个球面电 极上的火花塞对球面放电,放电产生的小火花将迅 速促使密封间隙TRIG1击穿。TRIG1击穿后,均压 电容器C1将通过脉冲变压器T3和T4的一次绕组以 及限流电阻Rl放电,在脉冲变压器T3和T4的二次 绕组产生的高压脉冲将使密封间隙TRIG2的2个球 面电极上的火花塞对球面放电,放电产生的小火花 迅速促使密封间隙TRIG2击穿,并使均压电容器c2 通过限流电阻R2放电。当均压电容器C1和C2的 电压迅速降低时,主间隙G2和Gl上的电压也将迅 速升高到自放电水平并被击穿放电。至此,2个串 联连接的主问隙全部放电,使串补电容器组经阻尼 电抗装置旁路。 3火花间隙主要部件的测试及分析 针对“4・10”多个串补装置火花间隙误触发事 故,以下主要选取500 kV天平I线、天平Ⅱ线串补 装置,进行火花问隙装置主要部件的性能测试分析, 主要测试内容:触发间隙自放电电压测试及分析;均 压电容参数测试及分析;串补装置火花间隙击穿特 火花塞。当高电压通过触发脉冲突然施加在火花塞 上时,就会在火花塞头部与电极外表面之间产生电 火花。在过电压下,该电火花将促使触发问隙立即 放电。2012年3月14日500 kV天平I线、天平Ⅱ线 串补平台的触发问隙现场测试结果见表1。测试仪 器:直流高压发生器(型号为ZGS—C300/8);交流耐 压装置(型号为YD一35/150)。测试条件:阴天;温度 为15.5 oC;相对湿度为72%。 表1 串补平台触发间隙自放电电压测试 kV 注:表中的电压僵均为5次加压测试结果的平均值。 生产厂家依据触发间隙自放电电压与间隙距离 的关系曲线对触发间隙进行整定,即根据自放电电 压定值确定间隙距离。由于触发间隙是一个密封在 瓷套中的半球形电极,不受环境等因素影响,间隙放 电电压分散性较小,从表1能看出这一点。因此,触 发间隙自放电电压值主要受间隙距离影响,间隙距 离不变,自放电电压一般变化较小。 根据表1测试结果,测试过程触发间隙自放电 电压变化较小,下降幅度很小,因此触发间隙自放电 电压的变化不是导致串补装置火花间隙自触发的主 要原因。 3.2均压电容参数测试及分析 由于串补装置投入运行时间较长,火花间隙的 相关元件可能出现缺陷。如果均压电容元件的部分 电容被击穿,尤其高压间隙的均压电容被击穿时,电 容器组的电容量减小,使火花间隙电压分布不均匀, 低压侧间隙承担电压高,导致火花间隙在串补电压 低于定值时发生自放电 。对500 kV天平I线、天 平Ⅱ线串补平台的均压电容进行了现场测试,测量 结果见表2。 将电容器实际电容量与该相电容器组平均电容 量之比定义为均压系数k: 2014年10月 V01.37 NO.5 GUANGXI ELECTRIC POWER 广西电力 45 表2串补平台均压电容器电容量测试数据 成。一般来讲,球形或半球间隙自放电电压稳定性 好、分散性较小。但串补平台放置在户外,较容易受 到环境因素(污秽物、尖端、毛刺、温度、气压、湿度 等)影响。根据现场观察,由于间隙房底部网孔开得 较大,导致小鸟进人间隙房并污染了电极,在石墨电 极表面存在鸟粪等污物堆积现象;温度变化时,湿气 = . (1) C 式中: 为l,……,n;平均电容量e=∑ 。 E I 由式(1)计算得到的500 kV天平I线、天平Ⅱ 线的均压系数 见表3,由于触发间隙与下层电容器 并联,其承受电压与电容量成反比,因此需对均压系 数最小的下层电容器进行计算。 表3 500 RV天平I线、天平¨线的均压系数k 500 kV天平I线 500kV天平Ⅱ线 由表3数据可知,采用电容器均压后,下层电容 器最小均压系数为0.995 2,最大均压系数为1.002 2。 由此可知,火花间隙装置所采用电容器的均压效果 较好,在电容器不发生击穿的情况下,加载在每个触 发间隙上的电压最大值为电压平均值的1.004 8倍, 不会因分压不均而导致触发间隙自触发。 3.3串补装置火花间隙击穿特性测试 火花间隙的主间隙由闪络问隙和续流间隙构 成。闪络间隙是放电起始间隙,其整定原则是保证 在没有触发的情况下间隙在最大可能经受的过电压 下不会自放电。闪络间隙由2个半球形石墨电极组 在间隙顶部凝结成水滴后从顶部石墨电极流下,并 在闪络间隙表面电极上形成水珠。 为了进一步分析火花间隙自触发的原因,并评 估间隙污秽物对自放电电压的影响,选取500 kV河 池串补站退出运行的火花间隙为试验试品(该火花 间隙型号与上述试验对象的相同),在某高压试验大 厅对火花间隙的放电特性进行了测试。 3.3.1 试验说明 自放电型主间隙结构示意图如图2所示,续流 间隙间距约250mm,闪络间隙间距为63 mm。 图2火花间隙结构示意图 试验内容包括: 1)测量不同距离的间隙在洁净条件下的交流击 穿电压。在不同间隙距离下,施加电压直至间隙被 击穿,记录击穿电压值。每种条件下重复测试8次 以上并记录数据。 2)测量固定距离的间隙在洁净、污秽等不同条 件下的交流击穿电压。在相同间隙距离下,施加电 压直至间隙被击穿,记录击穿电压值。每种条件下 重复测试8次以上并记录数据。 3.3.2洁净火花间隙击穿特性试验及分析 在不同火花间隙距离下,施加电压直至火花间 隙被击穿(重复8次以上),各击穿电压峰值见表4。 采用最小二乘法对各击穿电压均值点进行拟 合,其公式为: =25.237 76+1.922 1d, (2) 广西电力 GUANGXI ELECTRIC POWER 2014年10月 Vo1.37 NO 5 式中: 为理论交流击穿电压峰值,kV;d为间隙距 离,mm。 根据式(2)对表4数据进行拟合,可知击穿电压 表6不同水珠分布情况下的火花间隙 交流击穿电压峰值 kV 均值随间隙距离增大而线性增大。由贝塞尔公式计 算得到击穿电压均值数据的标准差为4.049 55 kV。 分别对7组实测数据求标准差,得到实测数据的最 大标准差为6.96 kV。当间隙距离在5O~90 mm范 围内时,在置信度为95%下,击穿电压的置信区间为 [(25.237 76+1.922 1d)一6.96,(25.237 76+1.922 1d)+ 6.96]内的分散区间约为l4 kV。 注:在间隙表面滴水珠后,连续升压击穿3次,测量击穿电压。 峰值的均值为165.18 kV,而由式(2)可计算出间隙 距离为70.5 mm的火花间隙的理论击穿电压峰值为 160.75 kV。根据表5、表6火花间隙在不同污秽条件 下的交流击穿电压数据可得: 3.3.3污秽条件下的火花间隙击穿特性试验及分析 针对在现场观察到火花间隙电极上存在的污秽 现象,对间隙距离为7O.5 mm的火花间隙在洁净、污 秽等不同条件下的交流击穿电压进行测量,击穿电 压峰值见表5。不同的污秽条件包括厚度为2 mm 的金属尖端(铁粉)、直径为2 mm的水珠、厚度均为 1 mm的湿鸟粪和干鸟粪。另外,对几种水珠分布情 1)电极上附着有污秽物时,间隙的交流耐压性 能下降严重; 2)电极上附着2 mm金属尖端时,会导致间隙的 击穿电压降至理论值的65.O%~73.5%; 况下的火花间隙交流击穿电压也进行了测试,数据 见 表6 表5不同污秽条件下火花间隙的交流击穿电压峰kV 3)电极上附着1 mm鸟粪时,会导致间隙的击穿 电压降至理论值的69.7%一75.3%; 4)电极上附着水珠时,击穿电压降至理论值的 65.0%~75.8%: 5)水珠在间隙被击穿后由于电弧烧蚀会被蒸 发,间隙耐压水平会恢复。 试验结果表明,在污秽条件下火花间隙主间隙 击穿电压分散性很大。如果石墨电极表面附着有尖 端、水珠、污秽物等,火花间隙的交流击穿电压最低 约为正常值的65.O%,容易导致间隙自触发,这就是 500 kV串补装置火花间隙自触发的根本原因。 4改进措施 1)针对火花间隙房底部网孔开得较大,导致小 鸟进人间隙房并污染了石墨电极表面的现象,建议 将火花间隙底部网孔开得尽可能小,以避免小动物 根据表5数据,洁净火花间隙的交流击穿电压 进人间隙房。 2()14年1【)月 Vo1.37 NO.5 广西电力 GUANGXI ELECTRIC POWER 47 2)更改火花间隙房顶部的设计方案,避免雨水 或湿气进入间隙房后在电极上形成水珠。 很难保证火花间隙不发生自触发或误触发,因此加 强火花间隙的运行维护十分重要。 参考文献: 3)加强火花间隙的运行维护:每年对串补装置 火花间隙进行预试,测量均压电容器的电容值以检 查分压比是否正常,并检查均压电容器是否漏油;On,0 量触发问隙自放电电压,检查是否满足设计要求;检 …蔡汉生,史丹,胡玉峰,等.河池串补装置火化问隙系统自 触发原因分析IJ1.南方电网技术,2009,3(5):77—80. 【2]张恭源.500 kV串补间隙白触发影响因素分析fJ1.云南电 力技术,2012,40(6):22-24,80. 查火花间隙室有无小动物等,及时清理火花间隙室 的污秽物;主间隙石墨电极表面不够光滑时,用锉刀 和细砂纸打磨光滑后用布清洗干净;定期测量电极 球隙距离是否和整定值相同。 [3]邹德旭,李小建,王景林.串补触发间隙放电特性的研究 [DJ.云南:2011年云南电力技术论坛论文集,2011. 【4】夏毅,姚文军,赵淑珍,等.一起串联补偿电容器复杂故障 的分析[J].电力系统自动化,2011,35(7):91-96. 5结语 通过对“4・10”多个串补装置火花间隙误触发事 故原因的深入分析,证明了当主间隙石墨电极表面 附着有尖端、水珠、污秽物等时,火花间隙交流击穿 电压最低约为正常值的65.0%,容易导致间隙自触 发,这就是500 kV串补装置火花间隙自触发的根本 原因。在闪络间隙电极表面光滑、干净的情况下,一 [5]余江,用红阳,赵曼勇.高压电容器不平衡保护的相关问 题叭电力系统自动化,2006,30(13):85—89. 1 2 3 作者简介: 张杰(1981),男,河北安国人,T程师,T学学士,从事继 电保护T作; 黄康驾(1978),男,广西南宁人,T程师,T学学士,从事 继电保护T作。 般可保证火花问隙不发生误触发;但电极表面有尖 端、水珠或污秽物时,即使提高白触发电压定值,也 (上接第25页) 与控制,2011,39(15):80—83. 20l 1 l0125633.201 1. 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