电力装置过电压保护技术研究

摘要：比较了几种常用于电力系统高压装置中的传统过电压保护设备在保护间隙、阀型避雷器和无间隙氧化锌避雷器等方面的过电压保护特点，从电力装置本身的过电压保护技术、电力技术对其他设备进行过电压保护两个方面，论述了当今电力装置过电压保护的一些措施及其分类，并就电力装置过电压保护技术进行了总结与展望。

关键词：电力电子装置；晶闸管；无间隙避雷器；金属氧化物避雷器

Abstract: compare several often used in power system high pressure installations in the traditional overvoltage relaying protection equipment in protection gap, valve type lightning arrester and no clearance zinc oxide lightning arrester of protection against overvoltage characteristics, from power the device itself overvoltage protection technology, power technology to other devices two overvoltage relaying protection, the paper discusses the current power over voltage protection device of some of the measures and classification, and will power device overvoltage relaying protection technology are summarized and discussed.

Key words: the power electronic equipment; The thyristor; No clearance lightning arrester; Metal oxide lightning arrester

中图分类号TM762文献标识码A 文章编号:

近年来，随着晶闸管电力电子器件所具有的连续可调、响应速度快等优点在电力系统中得到了广泛应用，但相对于传统的电力设备而言，由于电力电子元器件对各种暂态电压、电流及其变化率等要求较为严格，因此在设计中要十分注意元器件级和装置级的各种保护措施，使电力电子器件能承受各种可以预见的暂态电压、电流及其变化率。电力电子器件具有快速可控性及短时承载能力较强的特点，如晶闸管短时承受浪涌电流的能力可高达20倍额定电流的水平，若能充分利用其特点，电力电子器件本身在电力电子装置中既可以作为过压保护方案的一部分，也可以做成独立的电力电子过压保护设备。

1 无间隙氧化锌避雷器及晶闸管特点

1.1无间隙金属氧化物避雷器

无间隙金属氧化物避雷器（MOV）的全V-I特性可分为3个典型区域。第1区域为低电场区，即预击穿区，电流密度与电场强度的1/2次方成比例，非线性系数α较高，α≈0.1～0.2；第2区域为中电场区，即击穿区，相当于U=CIα表示的非线性区域,大大降低，α≈0.015～0.05，第3区域为高电场区，即饱和区，ZnO晶粒的固有电阻起支配作用，I∝U,V-I特性曲线向上翘。通常将（MOV）并联在设备的两端,即可对设备进行过压保护。在第2区域内，MOV两端电压的微小变化能导致流过MOV的电流发生很大变化，这时MOV具有较低的电阻特性，能在大电流通过时吸收很大的能量，从而抑制过电压。

1.2晶闸管

晶闸管加上正常阳极电压后。还必须加上门板触发电压UGT，以产生足够的门极触发电流IGT，才能使晶闸管从阻断状态触发为导通状态。晶闸管一旦触发导通后，门极完全失去控制作用，此时由于晶闸管具有较低的导通压降和较高的热容，晶闸管短时可流过高达20倍额定电流的浪涌电流。要关断已经导通的晶闸管，必须使阳极电流IA小于维持电流IH。晶闸管加反向阳极电压时，不管门极是否施加电流，晶闸管都不能导通，这就是晶闸管的单向可控导电性。在有些过压保护措施中，正是利用了晶闸管的可控和耐短时火电流冲击的特点，来对晶闸管阀本身及其他设备进行保护的。

2电力电子装置过电压保护

下面以高压直流输电装置、静止无功补偿装置、晶闸管控制串联补偿装置、晶闸管保护串联电容器等电力电子装置为例，介绍电力电子装置过压保护措施。

2.1无间隙MOV并联保护措施

该保护方法通常将无间隙MOV并联在被保护设备的两端，利用MOV的电压电流非线性特性，将可能产生过电压的能量通过MOV消耗掉，从而使被保护设备免受过压的冲击。在当今的高压直流输电的换流站中，无论是交流侧的母线、交流滤波器，还是直流侧的晶闸管阀、换流单元、直流滤波器以及平波电抗器等，一般均采用无间隙MOV进行过电压保护。有关高压直流输电换流站MOV的配要可见参考文献[4]，静止无功补偿装置(SVC)巾晶闸管阀的过压保护也常采用该方案。在该方案巾,由一晶闸管可能在MOV动作时被触发，因此在设计晶闸管阀时必须考虑其导通时能切换最大MOV电流。相应的MOV电流应由计算确定，其中要计入触发时刻的过电压。

2.2氰化锌避雷器与晶闸管阀的配合保护措施

图1示出TSC型静止无功补偿装置对晶闸管阀采取的过压保护方案。图1a示MOV1，MOV2串联方案，它通过限制电容器的残余电压等于或小于系统电压峰值从而做到“无暂念”投切。具体实现方法是：当系统出现过压时，保持一只半阀导通、另一只半阀关断，这样电容器组通过一只MOV放电，另一只MOV被导通的半阀旁路，在正常的投入和切除状态下，两个半阀同时导通和关断。所以，与单MOV方案相比，双MOV方案中MOV的保护比可以减半或者减小到某一个设计值，但该方案不能降低阀的设计容量。图1b示出利用VSa投切MOV的方案，它既可以通过减少VSm的串联数降低其运行损耗，又可以做剑“无暂态”投切。VSm的作用是投切电容器，VSa用于在VSm，出现暂态过电压时投入并联MOV对其进行保护，VSa的触发控制取决于根据VSm设定的保护水平。该方案可实现两个目的：①在任何系统条件下，通过投切MOV将电容器残余电压限制到正常系统电压峰值；②由于限制电容器的残压，也就限制了VSm的端电压，减少了阀的串联个数，降低了阀的运行损耗，能实现“无暂态”投切，同时减小了阀误触发后给自身带来的电压应力，而且，过压保护动作时大部分能量由MOV来吸收，VSa只是瞬时导通，且损耗很小，无需另加冷却设备。

图1 TSC型静补装置品闸管阀过压保护

Z1,Z2—均压阻抗；MOV1，2，3—避雷器；Ld—限流电抗器；VS1，VS2—晶闸管半阀；C—并联电容；VSm，VSa—晶闸管主阀和辅阀

图2为可控串补装胃过电压保护常规配置的单相接线示意图。当发生区内和区外故障时，由于MOV始终并联在电容器的两端，首先是MOV限制电容器的充电电压，当控制器检测到线路电流、MOV支路电流、MOV的温度及其变化率等其中任意一项超过设定门槛值时，控制器切换至品闸管保护串联电容器(TPSC)工作模式，即控制器发出高频触发脉冲群使晶闸管阀完全导通，同样由于与阀串联的电抗器的电抗与电容的容抗相比要小的多，故障电流大部分从阀支路流过，故可以保护电容器和MOV。因晶闸管不能长时间通过大电流，故控制器一般在发出TPSC命令的同时发出合旁路断路器的命令，由于断路器的合闸速度慢，在晶闸管阀支路旁路50～100ms后，断路器合闸旁路电容器。

图2 晶闸管控制串联电容器装置(TCSC)

VS—晶闸管阀；D—阻尼电路；C—串联电容器；

L—相控电抗；BPS—旁路断路器

2.3 由晶闸管阀构成的保护措施

在TCR型静止无功补偿装置中，过电压保护措施也可以采用保护性触发动作，即在过压情况下改变晶闸管阀的导通角度，利用电感负荷降低电压。

目前晶闸管保护串联电容器(TPSC)装置已经得到应用。图3示出TPSC装置的单相接线示意图。在TPSC方案中，晶闸管阀与低品质因数、低电抗的L串联形成一条保护支路，并与BPS配合来实现过压保护。具体方法是通过榆测线路电流来区分区内和区外故障，若判断为区外故障，则晶闸管阀触发完全导通，大部分故障电流从L支路流过，从而限制C的端电压；若判断为区内故障，则晶闸管阀和L支路先触发导通，经过一定延时后，BPS合闸，从而旁路电容器。

图3 晶闸管保护串联电容器装置（TPSC）

4 结论与展望

由以上工程实例可以看出，在现阶段电力电子装置的过压保护方案中。主要采用MOV、晶闸管阀及与其相配合的保护措施。晶闸管阀有导通压降低、浪涌电流大的优点，而MOV始终并联在被保护器件的两端，它能提供一种“无延时”的快速保护。因此，在现阶段根据电力电子装置运行的特点，需要经过电磁暂态分析和经济技术的对比分析，来优化装置的过压保护方案。随着电力电子技术特别是电力半导体器件制造技术的发展，电力系统设备的过压保护技术也将发生深刻的变化，用电力电子技术不仅可以解决电力电子装置自身的过压保护问题，同时也向传统的过压保护技术发起了挑战。

参考文献

[1]Lutz Kirschner．Thyristor Protected Series Capacitor：Parl 1 Design Aspects[Z]．Siemens，1999，l2

[2]张纬钹，何金良．过电压防护及绝缘配合[M]．北京：清华大学出版社，2002

[3]郑宏婕．电力电了技术[M]．北京：科学普及出版社，1994

[4]DL/T605-1996．高压直流换流站绝缘配合导则[S]．1997

作者简介：武 宁（1979—），男，工程师。 2003年毕业于北京建筑工程学院，现主要从事建筑电气及其自动化设计工作。发表专业学术论文多篇。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。