500 kV串補設備MOV溫度實時模擬與保護算法研究

王德昌，周啟文，方太勛，孫 健，章耀輝

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.安徽省電力公司馬鞍山供電公司，安徽馬鞍山243011）

由于串聯補償（簡稱串補）能夠顯著提高輸電能力，其投資相對于架設新的輸電線路（尤其在偏遠山區）要小得多。而我國的能源分布結構決定了必須進行超高壓遠距離輸電，目前串補技術已經相當成熟，因此近年來越來越多的串補系統在我國投入運行，而串補控制保護技術被幾個廠家壟斷，但投運后仍有誤動，因此有必要對串補控制保護技術進行深入研究。在串補系統中，金屬氧化物限壓器（MOV）對限制電容器組兩端過電壓起著重要的保護作用。由于MOV始終跨接在電容器組兩端[1]，當線路故障導致電容器過電壓時，MOV將其過電壓限制在設定的保護水平之內，自身吸收能量，溫度升高。但考慮到投資成本，MOV的容量不可能配置得太高，主要依據是躲開遠景年區內故障時MOV在一定時間內吸收的最大能量，并保留足夠裕度。串補保護系統中一般都配置MOV高電流保護、能量保護、溫度保護以及不平衡保護，串補保護通過測量MOV電流和MOV一分支電流實現上述保護（MOV電壓不易測量）。當上述保護動作后，串補保護通過光纖發點火命令點燃火花間隙，同時發旁路命令將旁路開關合閘，并根據故障的嚴重程度判斷是否將串補系統重新投入運行。

1 MOV溫度保護配置

目前國內外各串補保護生產廠家的MOV溫度保護配置基本相同，即分別配置MOV高溫保護和MOV高溫閉鎖重投[2-5]，一般MOV高溫保護定值大于高溫閉鎖重投定值。

考慮到MOV在區內故障時吸收能量較快，MOV電流的采樣率及程序中斷頻率均為10 kHz，保證MOV相關保護的判斷速度。

借鑒常規線路保護啟動+保護的動作模式，串補保護亦采用啟動+保護的動作模式，即配置啟動板DSP和保護板DSP，兩DSP板分別對采樣的MOV電流進行處理，并根據與實際MOV相對應的伏安特性曲線插值得到對應的電壓，進而計算出MOV吸收的能量。只有當啟動板和保護板都動作時，串補保護裝置才能發出合閘命令。

1.1 MOV溫度保護

當MOV由于多次區外故障吸收能量而使溫度持續升高，或區內經大過渡電阻故障，線路保護切除故障時間較長時，MOV溫度保護可能動作。當MOV溫度高于高溫保護定值時，即將串補系統三相旁路，并根據故障的嚴重程度是否觸發火花間隙。MOV高溫保護定值可根據MOV生產廠家給定的其能夠承受的最高溫度考慮一定的裕度來確定。

1.2 MOV高溫閉鎖重投保護

當串補系統由于MOV高溫保護動作而三相旁路時，串補系統永久閉鎖，不允許串補系統自動重投，直到MOV溫度降低到高溫閉鎖重投定值以下才允許運行人員手動將串補系統投入運行。

高溫閉鎖重投定值可以根據MOV生產廠家給定的技術參數并考慮實際串補系統的過電壓程度來確定，保證串補系統在該定值下重投時，如果串補系統重投于故障，MOV能夠再次吸收一定容量的能量并有一定的裕度。MOV溫度保護的動作邏輯如圖1所示。

圖1 MOV溫度保護邏輯

2 MOV溫度算法

為實現MOV溫度保護，需要根據當前MOV溫度進行判斷。最理想的辦法是在MOV內部放置溫度傳感器，直接測得溫度并將其傳送到保護設備中，但由于串補系統中MOV布置在高壓絕緣平臺上，且由多支并聯跨接在電容器組兩端，當電容器組過電壓時MOV內部處于高電壓、大電流的狀態，傳感器放置在內部存在絕緣、過熱等問題，并不安全，且在每個MOV柱中都裝配溫度傳感器不太現實。因此研究人員希望通過模擬計算能實時正確獲取MOV的內部溫度，目前采用較多的也相對較為可行的方法是對MOV進行物理建模分析，建立MOV熱模型，通過熱模型計算得到MOV的實時溫度。

文獻[6]提出了一種MOV熱模型。該模型以熱學為基礎，考慮了溫度的傳導、對流以及輻射，根據該模型可以比較準確地計算出MOV內部閥片的溫度，但是其難點在于模型太過復雜，涉及的參數非常多，有些參數不易確定。而一般的保護裝置中考慮到動作快速性的要求，任務中斷頻率非常高，過多的計算量將大量占用DSP的任務資源。

為此對該溫度模型進行了一定的簡化，根據文獻[7，8]所述，陽光輻射使MOV工作溫度僅上升1.5～2.9℃，影響不大，因此可忽略陽光輻射的影響。簡化后的熱模型如圖2、圖3所示。

圖2 MOV熱交換示意圖

圖3 MOV熱模型的簡化電路

圖中：Tmov為MOV閥片溫度；Tsp為閥片與內壁之間溫度；Ten為外部環境溫度；Ip為通過MOV電流注入閥片的能量；P1為從閥片流出的熱量；P2為從MOV流出的熱量；R1為閥片內部之間的熱阻；C1為閥片的熱容；R2為MOV與外部環境之間的熱阻；C2為瓷套（或復合材料外套）的熱容。

從圖3可以得到如下4個公式：

式中：Δt為時間常數。通過上述公式即可實時計算得到MOV閥片的溫度。

3 MOV溫度特性試驗

為了驗證上述簡化MOV熱模型的合理性，選取了某支MOV單元作為試品，該單元內部閥片并聯柱數為3，單柱MOV閥片串聯數為23，閥片尺寸D99×44.6 mm，重約1.82 kg，外套為復合絕緣材料。

3.1 MOV溫升特性試驗

為使測量具有一定代表性，分別對3個閥片進行測量，采用接觸式熱電耦對MOV閥片表面溫度進行測量，但由于溫升試驗不是絕熱過程，因此在溫度穩定（約1min）時MOV吸收的能量有一定的損失，因此測量出的溫升系數有一定的誤差。

考慮到實際應用中溫升系數必須準確，而通過式（1）計算可以得到閥片的溫升系數。

一般MOV閥片材料ZnO的熱容[7，8]為0.5～0.52 J/（g·℃），而ZnO的密度ρ=4.71～5.6 g/cm3，我國為5.53 g/cm3，因此根據閥片的尺寸易得到閥片的熱容C1，通過式（1）即可求得閥片的溫升[9，10]。

由上述可知，通過式（1）可以計算出單個閥片的溫升系數（考慮絕熱），即：

式中：K為溫升系數；ΔE為絕熱吸收能量；ΔT為絕熱MOV閥片溫升；m為MOV閥片質量；CMOV為MOV閥片的熱容。計算得到的溫升系數910～946 J/℃與生產廠家給定的溫升系數968 J/℃很接近。

3.2 MOV溫度實時模擬試驗

將溫度傳感器放置在距離頂端1/3到1/2之間的閥片中間，2個溫度傳感器分別放置在2個并聯MOV柱中。升壓設備向MOV單元內注入大量能量，MOV的溫度上升到120℃左右，然后將升壓設備撤除，使MOV在環境溫度（環境溫度為16℃）中自然散熱，記錄MOV散熱過程中溫度的變化。

通過數字式串補保護裝置來實現上述簡化MOV熱模型，通入一定的MOV電流，使MOV溫度升高到120℃（環境溫度通過溫度探頭測量輸入保護裝置），實時模擬MOV溫度（環境溫度校正后為16℃），將實測MOV溫度數據與模擬數據進行對比，如圖4所示。結果表明，保護裝置模擬得到的MOV散熱特性曲線與實測數據吻合，表明通過簡化的MOV熱模型計算閥片溫度能夠用于實際串補MOV溫度保護。

圖4 模擬MOV散熱曲線與實測散熱曲線對比

4 固定串補控制保護實現

根據國內用戶習慣，將固定串補保護與控制功能分開，控制系統采用在數字化變電站常用的斷路器測控裝置實現串補所有開關刀閘的控制及連鎖功能，配合監控后臺實現順控功能。

保護裝置獨立配置，并配置啟動和保護DSP板，使保護動作更加可靠，保護程序基于可視化編程，程序維護更加方便，中斷頻率最高達到10 kHz。保護裝置所有模擬量采用全數字量傳輸，與電子式CT配合使用，其采樣率達到10 kHz，詳細如圖5所示。設計的間隙觸發裝置（GTD）與激光供能裝置和保護裝置形成閉環系統，實時對觸發回路進行檢測，并根據保護分別配置2套獨立的GTD。

圖5 固定串補保護實現

串補保護裝置通信機控制裝置通信均采用IEC61850協議，方便與未來數字化變電站接口，配合遠動裝置還能實現遠方對串補進行順控操作，實現串補站無人值守。

5 結束語

通過實測MOV的散熱特性，將簡化后的熱模型通過數字式串補保護可視化編程實現，并記錄下模擬的MOV散熱特性曲線，對比發現串補保護模擬的MOV散熱特性曲線與實測數據吻合并有一定的裕度；驗證了簡化的MOV熱模型能夠用于實際串補保護系統中，可以為MOV溫度保護提供較為準確的MOV實時溫度，保證MOV持續安全可靠地工作。該簡化熱模型適用于不同廠家生產的MOV產品，只需根據實測MOV散熱特性曲線相應調整熱阻R1，R2以及熱容C1，C2即可，不需要重新建模。新設計的數字式串補保護裝置與電子式互感器配合使用，采用全光纖傳輸；啟動+保護的動作模式使得保護更加可靠；高采樣率和中斷頻率使串補保護動作更加迅速。

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