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(lián)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(qū)）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(tǒng)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(tǒng)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(jù)是躲開遠景年區(qū)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(tǒng)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(xiàn)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(fā)點火命令點燃火花間隙，同時發(fā)旁路命令將旁路開關合閘，并根據(jù)故障的嚴重程度判斷是否將串補系統(tǒng)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(qū)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(guī)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(jù)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(fā)出合閘命令。

1.1 MOV溫度保護

當MOV由于多次區(qū)外故障吸收能量而使溫度持續(xù)升高，或區(qū)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(tǒng)三相旁路，并根據(jù)故障的嚴重程度是否觸發(fā)火花間隙。MOV高溫保護定值可根據(jù)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(tǒng)由于MOV高溫保護動作而三相旁路時，串補系統(tǒng)永久閉鎖，不允許串補系統(tǒng)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(tǒng)投入運行。

高溫閉鎖重投定值可以根據(jù)MOV生產廠家給定的技術參數(shù)并考慮實際串補系統(tǒng)的過電壓程度來確定，保證串補系統(tǒng)在該定值下重投時，如果串補系統(tǒng)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(xiàn)MOV溫度保護，需要根據(jù)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(tǒng)中MOV布置在高壓絕緣平臺上，且由多支并聯(lián)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(tài)，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(xiàn)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(jù)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(shù)非常多，有些參數(shù)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(jù)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(huán)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(huán)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(shù)。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(lián)柱數(shù)為3，單柱MOV閥片串聯(lián)數(shù)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(wěn)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(shù)有一定的誤差。

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

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(jù)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(shù)（考慮絕熱），即：

式中：K為溫升系數(shù)；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(shù)910～946 J/℃與生產廠家給定的溫升系數(shù)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(lián)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(huán)境溫度（環(huán)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(shù)字式串補保護裝置來實現(xiàn)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(huán)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(huán)境溫度校正后為16℃），將實測MOV溫度數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)

根據(jù)國內用戶習慣，將固定串補保護與控制功能分開，控制系統(tǒng)采用在數(shù)字化變電站常用的斷路器測控裝置實現(xiàn)串補所有開關刀閘的控制及連鎖功能，配合監(jiān)控后臺實現(xiàn)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(shù)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(fā)裝置（GTD）與激光供能裝置和保護裝置形成閉環(huán)系統(tǒng)，實時對觸發(fā)回路進行檢測，并根據(jù)保護分別配置2套獨立的GTD。

圖5 固定串補保護實現(xiàn)

串補保護裝置通信機控制裝置通信均采用IEC61850協(xié)議，方便與未來數(shù)字化變電站接口，配合遠動裝置還能實現(xiàn)遠方對串補進行順控操作，實現(xiàn)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(shù)字式串補保護可視化編程實現(xiàn)，并記錄下模擬的MOV散熱特性曲線，對比發(fā)現(xiàn)串補保護模擬的MOV散熱特性曲線與實測數(shù)據(jù)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(tǒng)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(xù)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(jù)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(shù)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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