基于500 kV線路區外故障引發的串補旁路分析

夏 武，黃 聰，歐俊延

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006)

0 引 言

火花放電間隙(GAP)是500 kV串聯系統電容器的過壓保護設備。線路故障期間，通過串補控制保護系統的觸發信號，使之迅速觸發擊穿，從而使串聯在線路上的電容器組和金屬氧化物避雷器(MOV)旁路，避免金屬氧化物避雷器因發熱而爆炸損壞。因此，在串補設備投運前，火花間隙的耐壓水平均經過嚴格的仿真計算以及人工短路試驗的實際考核，就是防止在線路區外故障期間或其他系統擾動下，間隙發生自觸發現象，從而使串補旁路，影響輸電線路的經濟運行以及電力系統的穩定性[1-2]。該文針對某500 kV乙線路區外故障期間，對某500 kV甲線路串補火花間隙的自觸發現象進行合理性分析，其分析方法有助于運維人員快速判斷設備的具體狀態并作出應對措施，防止對火花間隙進行過度的試驗和調整。

1 基本情況

2021-07-04 04:52:46:530，監控系統報：500 kV甲線串補A、B套保護出口合閘，甲線串補在旁路狀態。現場一次設備檢查無異常，保護動作情況為500 kV山河甲線串補主一、主二保護A相間隙自觸發，間隙三相旁路。通過查找問題得知，2021-07-04 04:52，500 kV乙站500 kV乙線跳閘，AB相間故障，而500 kV乙線故障對于500 kV甲線而言屬于區外故障，500 kV甲線串補單相一次接線如圖1所示。

圖1中，G1為串補旁路開關，DS1、DS2為串補與輸電線路的隔離開關，GS1、GS2為串補電容兩端的接地開關，Igap為火花間隙支路電流，Imov為MOV(金屬氧化物可變電阻)支路的總電流，Imov1為MOV1分支支路的電流，Icap為串補電容支路電流，Iunb為串補電容不平衡電流，Iby為旁路開關電流，Iline為串補線路電流。

圖1 串補單相一次接線圖Fig.1 Single phase primary wiring diagram of series compensation

2 間隙自觸發原理分析

當火花間隙兩端承受的電壓超過其特定的耐受電壓時，無需接收控保系統的觸發命令，即利用過壓將電極兩端擊穿，通過電極電弧形成穩定的放電回路。這一物理現象，是通過火花間隙其自身的物理特性而決定的。

500 kV甲線串補平臺的XLSK-45PL型火花放電間隙用于過電壓保護，當超過特定的耐受電壓后，火花間隙被擊穿，MOV和電容器組被旁路，防止了MOV和電容器組因過電壓或過熱而損壞。

XLSK-45PL型火花放電間隙有兩種觸發方式：第一種為強迫觸發，第二種為自觸發。XLSK-45PL型火花放電間隙不是自熄滅型，本身沒有滅弧能力，其電弧要在旁路開關合上或線路開關跳閘后才能熄滅，由主間隙、阻尼電阻、分壓電容器、脈沖變壓器組成。

XLTK-45 PL型火花放電間隙原理圖如圖2所示，具體如下。

圖2 XLTK-45PL型火花放電間隙原理圖Fig.2 Schematic diagram of XLTK-45PL spark discharge gap

主間隙觸發原理：密封間隙TRIG1在來自觸發控制箱的高壓脈沖的作用下觸發；TRIG1導通后，均壓電容器C1經TRIG1和限流電阻R1放電，放電時間大約為18 μs(該時間由C1和R1確定)。C1放電電流流經密封間隙TRIG2的初級繞組，相應的，在次級繞組產生觸發脈沖將TRIG2觸發。TRIG2導通后分壓電容器均壓電容器C2經TRIG2和限流電阻R2放電，放電時間大約為18 μs(該時間由C2和R2確定)；當C1、C2放電后，觸發電壓將全部加在均壓電容器C3、均壓電容器C4上，此時主間隙G2也承受相同的電壓，G2觸發導通；G2導通后觸發電壓全部加在主間隙G1上，G1導通；在G1、G2導通的共同作用下，整個火花放電間隙擊穿導通，兩間隙間的電弧將移向最終的燃弧位置[3-4]。

3 保護動作行為分析

2021-07-04 04:52:46:530，500 kV甲線串補第一套、第二套控制保護系統PCS-9570C均動作出口合上三相旁路斷路器(重投功能根據調度規定已退出)，兩套系統動作時序如表1所示。

表1 控制保護系統動作時序表Table 1 Action sequence of control and protection system

3.1 故障波形及保護邏輯分析

串補保護觸發間隙后要求火花間隙能夠迅速(幾毫秒以內)將串補旁路退出運行，為檢測火花間隙動作是否迅速且正確，間隙保護主要設置有間隙自觸發保護、持續觸發保護、延遲觸發保護和拒觸發保護。間隙保護定值如下表2所示。

表2 間隙保護定值表Table 2 Setting value of gap protection

根據間隙自觸發保護邏輯(如圖3所示)，如果之前沒有發出觸發命令(且另一套串補保護沒有間隙觸發信號，該信號由另一套保護輸出一副接點作為本套保護的開入接入本套保護裝置)而間隙電流(I_SG_A)幅值高于定值SG_I2，經過25 ms延時后間隙自觸發保護動作，旁路串補三相[5]。

圖3 A相間隙自觸發保護動作邏輯圖Fig.3 Logic diagram of A phase gap self triggering protection action

經暫時閉鎖SG_T22時間后準備重投，若為單相故障且線路電流滿足重投條件則發出重投允許命令，最后保護根據其他保護的動作情況和閉鎖信號判斷是否發分閘命令，電容器過負荷保護和間隙自觸發保護則允許三相重投，但是當間隙自觸發的次數或過負荷的次數達到定值時，會串補永久旁路，閉鎖串補重投，否則串補三相旁路、永久閉鎖。

若在時間窗SG_T21內自觸發動作次數超過自觸發允許動作次數定值SG_NO則三相旁路且永久閉鎖，不再重投，注意這里的動作次數是分相計數，即A相動作一次，B相動作一次并不會統計為兩次。

從當前時間往前推SG_T21時間內最早一次間隙自觸發動作時刻，即為自觸發允許間隔時間的基準，在時間窗SG_T21后，間隙自觸發次數自動減1，時間窗向后推移。

3.2 波形分析

對500 kV甲線串補第一套控制保護系統PCS-9570C導出的動作波形展開分析。

如圖4所示，0 ms時刻保護啟動，A相電容器電壓采樣值Ua為43 kV。7 ms時Ua為200 kV，A相間隙電流開始明顯出現，說明火花間隙A相已經觸發導通，同時A相MOV也逐漸開始吸收能量。

根據設備參數，單個自觸發間隙電壓范圍：49～63 kV(峰值)，自觸發間隙組合的電壓范圍：196～252 kV(峰值)，而此次火花間隙自觸發的電壓值為200 kV(峰值)，滿足動作要求。

34 ms時刻，控保系統發斷路器三相合閘命令使串補旁路，與裝置動作報文相符。7 ms處間隙自觸發后，經過27 ms延時，串補控制保護動作，與保護說明書上“間隙自觸發保護延時25 ms動作”基本吻合，保護正確動作。

除此之外，由圖4波形可知保護啟動后8.5 ms，A相間隙電流TA開始流過電流，電流幅值為720 A,大于200 A的保護定值，保持25 ms后自觸發保護動作出口，合上三相斷路器，旁路串補。

圖4 500 kV甲線串補第一套控制保護系統A相波形圖Fig.4 A phase waveform of the first set of control and protection system of 500 kV line a series compensation

根據圖5、圖6的波形，故障時刻，500 kV甲線線路電壓互感器(TV)與甲線高抗電壓互感器(TV)(分別安裝在串補前后) 二次電壓相差約50 V， 換算至一次側250.16 kV，超越火花間隙擊穿值(244 kV)。

圖5 甲線線路TV電壓波形圖Fig.5 TV voltage waveform of line a

圖6 甲線高抗TV電壓波形圖Fig.6 High reactance TV voltage waveform of line a

根據故障波形及保護邏輯分析，系統內發生AB相間區外故障，線路保護正確不動作且未發聯跳串補命令，串補MOV正確吸能且未過負荷，串補控保系統正確未主動觸發平臺上的火花間隙，但間隙達到自觸發條件導通，產生的間隙電流促使控保系統延時25 ms動作旁路串補三相，該次串補旁路故障為火花間隙在線路遠方故障擾動下自觸發，串補保護動作正確；由于甲線屬于長線路，串補平臺配置于線路尾端，故障時可能產生的操作過電壓可能造成串補火花間隙兩端的電壓達到了自觸發電壓整定值244 kV，火花間隙瞬時自觸發保護了串補設備。

4 結 語

火花間隙自觸發的電壓水平具有一定的離散性。敞開式的火花間隙由于長期處于戶外，間隙放電特性會受外界環境影響，如：溫度、氣壓、濕度等，對電極表面清潔度影響較大，在線路故障期間間隙自觸發是較為常見的現象。初步判斷，該次間隙自觸發主要受溫度、氣壓、濕度等因素影響導致。日后，在發生近端區外故障后，應結合線路停電檢修規程要求對串聯補償裝置火花檢修開展一次專項檢查，內容包括：外觀檢查、間隙房檢修、間隙電極檢修、火花間隙套管、支柱絕緣子、脈沖變壓器的絕緣電阻測試；開展火花間隙的限流電阻測量、分壓電容器分壓比及電容量測量、觸發回路試驗檢，對放電間隙距離進行檢查，避免同類情況發生。