基于晶闸管保护串联谐振型高压故障限流器用MOV工况分析及其关键技术的研究

赵冬一，胡淑慧，李 凡，王 川

（1.南阳金冠电气有限公司，河南南阳473000；2.西安高压电器研究院有限责任公司，西安710077）

基于晶闸管保护串联谐振型高压故障限流器用MOV工况分析及其关键技术的研究

赵冬一1，胡淑慧1，李 凡2，王 川1

（1.南阳金冠电气有限公司，河南南阳473000；2.西安高压电器研究院有限责任公司，西安710077）

基于晶闸管保护串联谐振型高压故障限流器是抑制电力系统短路电流的有效手段之一，已在国、内外的试点工作中得到成功试运行。笔者在基于晶闸管保护串联谐振型高压故障限流器工作原理的基础上，分析了电容器组过电压保护用MOV的稳态应力和暂态应力。深入研究了MOV的能量耐受能力，指出MOV在低幅值、长持续时间过电压作用下的失效模式主要是侧面闪络，其极限单位体积能量吸收能力约为300 kJ/cm3。建议应用到串联谐振型高压故障限流器中的MOV选择使用电阻片侧面界面空间电荷不显著的类型。

故障限流器；MOV；工频过电压；界面空间电荷

0 引言

随着我国电网的迅速发展，电网结构满足了不断增长的电力负荷增长和可靠性的需求，但是同时也带来了电网短路容量的迅速增长，一大批变电站的短路电流水平相继超过断路器的遮断容量，严重威胁着电网的安全运行[1-3]。基于晶闸管保护串联谐振型高压故障限流器（series resonant type fault current limiters base on thyristor protect，SFCL）是抑制电力系统短路电流的有效手段之一，已在国、内外的一些试点工程中得到成功试运行[4-6]，见图1。

图1 500 kV串联谐振型限制器在现场运行Fig.1 500 kV series resonant type limiter in field operation

考虑到SFCL的高可靠性、快速动作等技术要求，一般采用MOV保护+晶闸管旁路保护+间隙保护+旁路断路器保护4种方式的组合，MOV保护是限制电容器组在短路及操作时瞬间电压的第一道主保护。MOV在SFCL系统中的稳态和暂态工况有着显著的特点[7]。因此，深入分析MOV的稳态应力和暂态应力，研究MOV的关键技术，是十分重要的。笔者以我国浙江瓶窑500 kV变电站工程为依托，深入研究了基于晶闸管保护串联谐振型高压故障限流器用MOV的关键技术。

1 串联谐振型高压故障限流器的工作原理及MOV的作用

串联谐振型高压故障限流器工作原理见图2，主要有电抗器L、电容器组C以及快速旁路开关S（可采用如晶闸管、火花间隙、快速机械开关等类型的开关或组合）组成，电抗器的工频感抗与电容器的容抗大小相同。正常工作条件下，开关S处于打开状态，电容器C和电感L处于工频谐振状态，总的阻抗几乎为0。当检测到故障后，开关S迅速闭合，电容器被旁路，相当于在线路中接入电感L，从而起到限流作用[8]。在具体工程中，旁路隔离开关布置采用不同的方案。例如图3所示就是一个典型的串联谐振型故障电流限制器的结构简图[9]。其中MOV保护是限制电容器组在短路及操作时瞬间电压的第一道柱保护。晶闸管旁路保护是限流电抗器快速接入，旁路电容器组和保护MOV的主要手段。间隙保护是限流电抗器快速接入及MOV和电容器组的后备保护措施。放电间隙的允许放电次数有限，在晶闸管正常工作情况下间隙不应动作。

图2 谐振型故障电流限制器的工作原理图Fig.2 The working principle of resonant type fault current limiter

图3 典型的谐振型故障电流限制器的结构图Fig.3 The typical structure of the resonance type fault current limiter

当系统发生短路故障时，电容器组上的电压超过额定电压升高到一定值后，MOV开始导通，使电容器组C短路，打破了工频谐振条件，从而投入电抗器L而实现限流。当故障消除后，电容器组应尽快投入运行。重投后的限制器引起系统的局部振荡，MOV要承受一定的能量冲击。当线路出现多重故障时，要待MOV、晶闸管等主要元件温度下降到正常水平之后再重投电容器组[10]。

2 MOV的电应力分析

华东电网瓶窑-杭北单回线上安装一台8.0Ω、额定电流为2.0 kA的故障电流限制器，安装位置在瓶窑变电站内，可以把短路点的总电流降低至47 kA以下，如图1、图4所示。故障限流器主要元件的参数见表1。故障限流器的总体过负荷能力见表2[11]。

图4 500 kV瓶窑故障限流器位置图Fig.4 500 kV Pingyao fault current limiter locations

表1 500 kV瓶窑故障限流器的主要参数Table 1 500 kV Pingyao main parameters of fault current limiter

瓶窑-杭北故障限流器电容器组的过电压保护目标为2.3 pu左右。

2.1 稳态应力

串联谐振型高压故障限流器在线路非短路故障运行时，与电容器组并联的MOV呈高阻抗状态，承受的是电容器组两端的电压，其稳态电压应力是施加在电容器组两端的电压降，与串联补偿电容器组保护用MOV的稳态应力一样[12]。

式（1）中：Ucov，mov为MOV的持续运行电压，kV；Uc为电容器组额定电压，kV；Ir为电容器组额定电流，kA；Xc为电容器组的容抗，Ω。

表2 500 kV瓶窑故障限流器总体过负荷能力Table 2 500 kV Pingyao fault current limiter overload ability as a whole

2.2 暂态应力

2.2.1 限流器动作时序分析

当系统出现短路故障时，要求限流器在故障电流峰值前动作，控制策略在最短5 ms内实现快速旁路电容器组。依据基本控制策略，限流器动作时序见图5[13]。

图5 限流器动作时序图Fig.5 Current limiter action sequence diagram

图5中设故障发生时刻为t0，故障持续时间为△tfault。MOV动作时刻为t1，晶闸管闭合时刻为t2，快速开关闭合时刻为t3，线路断路器断开时刻为t4。MOV动作时刻t1是在故障判据t21之前。MOV动作持续时间△ts1。故障判据向晶闸管和快速开关同时发送，晶闸管快速动作，快速开关闭合时间要延迟△ts2。晶闸管和快速开关进行电流切换后，快速开关工作持续时间为△ts3。继电保护检测时间为△trelay。保护动作信号出现在快速开关动作时间内，断路器收到保护出口信号，动作时间为△tbreak。

限流器动作波形见图6。短路故障发生时刻在200 ms，MOV过电压保护动作在203.5 ms，保护判据在202.5 ms给出触发信号，晶闸管触发时刻在204 ms，快速开关动作时刻在242.5 ms。故障发生后，限流器动作时间不超过5 ms。

图6 限流器动作波形图Fig.6 Current limiter action waveform figure

2.2.2 MOV动作电流分析

MOV动作时，旁路器件电路切换模型见图7。

图7 限流器旁路器件切换电流模型图Fig.7 Current limiter bypass device switch current model diagram

将图6局部放大，见图8。MOV在203.5 ms动作。MOV动作后，故障电流从电容器组转移到MOV上，从而旁路电容器组，并限制了电容器组两端的电压。MOV流过的是短路电流。MOV的伏安特性直接影响短路电流时MOV的过电压保护能力，采用不同的MOV，在故障条件下吸收的能量和流过的电流均不相同。

图8 MOV动作后，限流器相关波形局部放电图Fig.8 MOV，the current limiter relevant waveform of partial discharge

对于500 kV瓶窑故障限流器的快速投入及过电压保护的整定值见表3。

表3 500 kV瓶窑故障限流器的电抗快速投入、过电压保护的整定值Table 3 500 kV Pingyao reactance fast input of fault current limiter and overvoltage protection setting values

当选用晶闸管旁路的判据方案时，按照最严酷的母线出口处三相故障接地故障，故障角从0°～180°，各元件的最大工作条件见表4。其启动时间图见图9。

表4 系统故障下主要元件工作条件（晶闸管保护判据方案下）Table 4 The system failure under the working conditions of the main components（thyristor protection criterion under the scheme）

图9 晶闸管保护判据的启动时序图Fig.9 The activation sequence diagram for thyristor protection criterion

因此，MOV的暂态应力为线路的短路电流，持续时间为0.5～5 ms，能量吸收能力要求为8 MJ。

3 MOV的关键技术研究

由上述研究分析可以看出，串联谐振型高压故障限流器用MOV的工况比较复杂，需要解决多项设计技术。国内外对高压限流器用MOV技术开展了初步的研究，取得了一些研究成果[14-16]。由于篇幅的限制，笔者主要报道一下MOV工频过电压下的能量耐受能力研究的情况。

3.1 MOV工频电压下的能量耐受能力研究的历史及现状

MOV的核心元件为非线性ZnO电阻片，主要承受短路电流的过电流冲击并吸收能量。ZnO电阻片的能量耐受能力与冲击电流的峰值（即电流密度）和持续时间有着密切、复杂的关系[17]。

1998年澳大利亚Darveniza和Saha研究了50 Hz工频过电压下ZnO电阻片能量耐受能力，认为在1.4～2pu工频过电压下，ZnO电阻片的失效模式主要是闪络，闪络的路径沿着电阻片保护层的侧面或者侧面保护层和本体之间的界面[18]。

Hinrichsen教授主持了避雷器发展史上最为广泛的一次ZnO电阻片能量耐受能力的试验，其中采用了50 Hz工频过电流进行试验。他的团队提出了综合的失效准则判定标准[19-20]。

串联谐振型高压故障限流器中的MOV与串联补偿装置中MOV属于同一类型的冲击电流工况。我国南方电网公司近年来发生了12起串补MOV压力释放事故。事故分析认为MOV两端出现了超过MOV电阻片侧面能够承受的过电压，从而引发MOV沿面闪络并最终导致MOV压力释放阀动作[21]。

但是，上述研究只是一些失效模式的理论推测，并没有进行试验验证。

笔者根据试验条件，按照IEC60143-2 Edtion 2.0 2012-12标准[22]中4.3.3.2.5的要求进行MOV重复能量耐受试验，并使用了综合的失效准则判定标准。

3.2 MOV能量耐受能力的研究

我们制作了3种不同侧面釉的电阻片，包括聚酯型聚氨酯绝缘漆（简称A型）、聚酯改性有机硅树脂漆（简称B型）和玻璃型侧面绝缘釉（简称C型）。每种电阻片选取了12片ϕ105 mm×23 mm的ZnO电阻片按照IEC60143-2 Ed2.0的要求进行试验。IEC60143-2 Ed2.0中4.3.3.2.6条要求采用2～4 ms长持续时间冲击电流波形对电阻片注入能量。考虑到实际工况中，MOV遭受的冲击电流持续时间范围较大，我们增加了1 ms、10 ms两种持续长时间冲击电流波形对电阻片注入能量。下面试验中共采用1 ms、2 ms、4 ms、10 ms 4种长持续时间冲击电流波形对电阻片注入能量。

试验失效准则判据采用：1）机械损坏（击穿或炸裂）；2）闪络；3）500 A、30/60操作冲击电流下的残压变化率不超过5%；4）直流1 mA参考电压变化率不大于5%。

试验结果见表5、表6、表7。

表5 A型ZnO电阻片（ϕ105 mm×23 mm）能量耐受能力试验数据统计Table 5 Type A ZnO resistors（ϕ105 mm x 23 mm）energy statistical tolerance test data

表6 B型ZnO电阻片（ϕ105 mm×23 mm）能量耐受能力试验数据统计Table 6 Type BZnO resistors（ϕ105 mm x 23 mm）energy statistical tolerance test data

表7 C型ZnO电阻片（ϕ105 mm×23 mm）能量耐受能力试验数据统计Table 7 Type C ZnO resistors（ϕ105 mm x 23 mm）energy statistical tolerance test data

试验波形图见图10。研究结果表明，ϕ105 mm×23 mm ZnO电阻片的低幅值、长持续时间能量耐受能力，即单位体积能量吸收能力随着电流峰值的增加而降低、随着持续时间的增加而升高，极限单位体积能量吸收能力约为300 kJ/cm3。当施加过电压的时间增加到一定时间时，电阻片基本呈现出侧面闪络失效模式，与文献[20]的试验结果近似。

李盛涛教授等采用热刺激电流（TSC）和电声脉冲法（PEA）研究了金属氧化物电阻片本体陶瓷与侧面绝缘层间界面电荷分布特征[23]。据此分析，造成A型、B型金属氧化物电阻片闪络概率较大的原因推测可能是在持续时间较长的过电压下，虽然施加到电阻片两端的电压远小于幅值为几十千安、甚至上百千安的冲击电流下的残压，但是由于在低幅值、长持续时间的过电压作用下，界面电荷积累剧增，界面空间电荷恶化了侧面电场分布，大大降低了电阻片的侧面绝缘强度，导致在较低的过电压下侧面闪络。而C型金属氧化物电阻片的界面电荷积累不显著，从而保证了其具有较高的侧面绝缘强度。

因此，建议应用到串联谐振型高压故障限流器中的MOV选择使用电阻片侧面界面空间电荷不显著的类型。

图10 能量耐受试验典型波形Fig.10 Energy tolerancetest waveform

4 结论

1）串联谐振型高压故障限流器用MOV在稳态运行时承受的持续运行电压为工频电压。在系统短路故障时，MOV快速切换电容器组的短路电流，流过MOV的电流为持续时间为0.5～5 ms的低幅值、长持续时间的电流，吸收能量巨大。

2）串联谐振型高压故障限流器MOV用ZnO电阻片的低幅值、长持续时间过电压下的失效模式主要是侧面闪络。

3）建议应用到串联谐振型高压故障限流器中的MOV选择使用电阻片侧面界面空间电荷不显著的类型。

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Condition Analysis and Its Key Technology Research of MOA Used for the Thyristor Protection Series Resonant Type High Voltage Fault Current Limiter

ZHAO Dongyi1，HU Shuhui1，LI Fan2，WANG Chuan1
（1.Nanyang Jinguan Electric Co.，Ltd.，Nanyang 473000，China;2.Xi′an High Voltage Apparatus Research Institute Co.，Ltd.，Xi′an 710077，China）

Based on thyristor protection series resonant type high voltage fault current limiter is one of the effective means of short circuit current in power system，it has been successfully tested in pilot projects in China and abroad.Based on thyristor protection series resonant type high voltage on the basis of the principle of fault current limiter，the capacitor group overvoltage protection with steady state stress and transient stress of MOV is analyzed.Further study of the MOV energy tolerance ability is carried out，it is pointed out that MOV under low-rising value，long duration of overvoltage of flashover failure mode is mainly flank，its limit per unit volume energy absorption capacity of about 300 kJ/cm3.The energy tol⁃erance of the MOV is studied.It is pointed out that the failure mode under low amplitude and long dura⁃tion overvoltage mainly is side flashover.Therefore，the MOV mentioned above should be used in the con⁃dition that the space charge on the side surface of the resistor chip is not significant.

the fault current limiter；MOV；power frequency overvoltage；interface space charge

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.015

2016-08-22

赵冬一（1969—），男，高级工程师，主要从事避雷器及其在线监测技术的研究工作。