500 kV串补设备MOV温度实时模拟与保护算法研究

王德昌，周启文，方太勋，孙 健，章耀辉

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102；2.安徽省电力公司马鞍山供电公司，安徽马鞍山243011）

由于串联补偿（简称串补）能够显著提高输电能力，其投资相对于架设新的输电线路（尤其在偏远山区）要小得多。而我国的能源分布结构决定了必须进行超高压远距离输电，目前串补技术已经相当成熟，因此近年来越来越多的串补系统在我国投入运行，而串补控制保护技术被几个厂家垄断，但投运后仍有误动，因此有必要对串补控制保护技术进行深入研究。在串补系统中，金属氧化物限压器（MOV）对限制电容器组两端过电压起着重要的保护作用。由于MOV始终跨接在电容器组两端[1]，当线路故障导致电容器过电压时，MOV将其过电压限制在设定的保护水平之内，自身吸收能量，温度升高。但考虑到投资成本，MOV的容量不可能配置得太高，主要依据是躲开远景年区内故障时MOV在一定时间内吸收的最大能量，并保留足够裕度。串补保护系统中一般都配置MOV高电流保护、能量保护、温度保护以及不平衡保护，串补保护通过测量MOV电流和MOV一分支电流实现上述保护（MOV电压不易测量）。当上述保护动作后，串补保护通过光纤发点火命令点燃火花间隙，同时发旁路命令将旁路开关合闸，并根据故障的严重程度判断是否将串补系统重新投入运行。

1 MOV温度保护配置

目前国内外各串补保护生产厂家的MOV温度保护配置基本相同，即分别配置MOV高温保护和MOV高温闭锁重投[2-5]，一般MOV高温保护定值大于高温闭锁重投定值。

考虑到MOV在区内故障时吸收能量较快，MOV电流的采样率及程序中断频率均为10 kHz，保证MOV相关保护的判断速度。

借鉴常规线路保护启动+保护的动作模式，串补保护亦采用启动+保护的动作模式，即配置启动板DSP和保护板DSP，两DSP板分别对采样的MOV电流进行处理，并根据与实际MOV相对应的伏安特性曲线插值得到对应的电压，进而计算出MOV吸收的能量。只有当启动板和保护板都动作时，串补保护装置才能发出合闸命令。

1.1 MOV温度保护

当MOV由于多次区外故障吸收能量而使温度持续升高，或区内经大过渡电阻故障，线路保护切除故障时间较长时，MOV温度保护可能动作。当MOV温度高于高温保护定值时，即将串补系统三相旁路，并根据故障的严重程度是否触发火花间隙。MOV高温保护定值可根据MOV生产厂家给定的其能够承受的最高温度考虑一定的裕度来确定。

1.2 MOV高温闭锁重投保护

当串补系统由于MOV高温保护动作而三相旁路时，串补系统永久闭锁，不允许串补系统自动重投，直到MOV温度降低到高温闭锁重投定值以下才允许运行人员手动将串补系统投入运行。

高温闭锁重投定值可以根据MOV生产厂家给定的技术参数并考虑实际串补系统的过电压程度来确定，保证串补系统在该定值下重投时，如果串补系统重投于故障，MOV能够再次吸收一定容量的能量并有一定的裕度。MOV温度保护的动作逻辑如图1所示。

图1 MOV温度保护逻辑

2 MOV温度算法

为实现MOV温度保护，需要根据当前MOV温度进行判断。最理想的办法是在MOV内部放置温度传感器，直接测得温度并将其传送到保护设备中，但由于串补系统中MOV布置在高压绝缘平台上，且由多支并联跨接在电容器组两端，当电容器组过电压时MOV内部处于高电压、大电流的状态，传感器放置在内部存在绝缘、过热等问题，并不安全，且在每个MOV柱中都装配温度传感器不太现实。因此研究人员希望通过模拟计算能实时正确获取MOV的内部温度，目前采用较多的也相对较为可行的方法是对MOV进行物理建模分析，建立MOV热模型，通过热模型计算得到MOV的实时温度。

文献[6]提出了一种MOV热模型。该模型以热学为基础，考虑了温度的传导、对流以及辐射，根据该模型可以比较准确地计算出MOV内部阀片的温度，但是其难点在于模型太过复杂，涉及的参数非常多，有些参数不易确定。而一般的保护装置中考虑到动作快速性的要求，任务中断频率非常高，过多的计算量将大量占用DSP的任务资源。

为此对该温度模型进行了一定的简化，根据文献[7，8]所述，阳光辐射使MOV工作温度仅上升1.5～2.9℃，影响不大，因此可忽略阳光辐射的影响。简化后的热模型如图2、图3所示。

图2 MOV热交换示意图

图3 MOV热模型的简化电路

图中：Tmov为MOV阀片温度；Tsp为阀片与内壁之间温度；Ten为外部环境温度；Ip为通过MOV电流注入阀片的能量；P1为从阀片流出的热量；P2为从MOV流出的热量；R1为阀片内部之间的热阻；C1为阀片的热容；R2为MOV与外部环境之间的热阻；C2为瓷套（或复合材料外套）的热容。

从图3可以得到如下4个公式：

式中：Δt为时间常数。通过上述公式即可实时计算得到MOV阀片的温度。

3 MOV温度特性试验

为了验证上述简化MOV热模型的合理性，选取了某支MOV单元作为试品，该单元内部阀片并联柱数为3，单柱MOV阀片串联数为23，阀片尺寸D99×44.6 mm，重约1.82 kg，外套为复合绝缘材料。

3.1 MOV温升特性试验

为使测量具有一定代表性，分别对3个阀片进行测量，采用接触式热电耦对MOV阀片表面温度进行测量，但由于温升试验不是绝热过程，因此在温度稳定（约1min）时MOV吸收的能量有一定的损失，因此测量出的温升系数有一定的误差。

考虑到实际应用中温升系数必须准确，而通过式（1）计算可以得到阀片的温升系数。

一般MOV阀片材料ZnO的热容[7，8]为0.5～0.52 J/（g·℃），而ZnO的密度ρ=4.71～5.6 g/cm3，我国为5.53 g/cm3，因此根据阀片的尺寸易得到阀片的热容C1，通过式（1）即可求得阀片的温升[9，10]。

由上述可知，通过式（1）可以计算出单个阀片的温升系数（考虑绝热），即：

式中：K为温升系数；ΔE为绝热吸收能量；ΔT为绝热MOV阀片温升；m为MOV阀片质量；CMOV为MOV阀片的热容。计算得到的温升系数910～946 J/℃与生产厂家给定的温升系数968 J/℃很接近。

3.2 MOV温度实时模拟试验

将温度传感器放置在距离顶端1/3到1/2之间的阀片中间，2个温度传感器分别放置在2个并联MOV柱中。升压设备向MOV单元内注入大量能量，MOV的温度上升到120℃左右，然后将升压设备撤除，使MOV在环境温度（环境温度为16℃）中自然散热，记录MOV散热过程中温度的变化。

通过数字式串补保护装置来实现上述简化MOV热模型，通入一定的MOV电流，使MOV温度升高到120℃（环境温度通过温度探头测量输入保护装置），实时模拟MOV温度（环境温度校正后为16℃），将实测MOV温度数据与模拟数据进行对比，如图4所示。结果表明，保护装置模拟得到的MOV散热特性曲线与实测数据吻合，表明通过简化的MOV热模型计算阀片温度能够用于实际串补MOV温度保护。

图4 模拟MOV散热曲线与实测散热曲线对比

4 固定串补控制保护实现

根据国内用户习惯，将固定串补保护与控制功能分开，控制系统采用在数字化变电站常用的断路器测控装置实现串补所有开关刀闸的控制及连锁功能，配合监控后台实现顺控功能。

保护装置独立配置，并配置启动和保护DSP板，使保护动作更加可靠，保护程序基于可视化编程，程序维护更加方便，中断频率最高达到10 kHz。保护装置所有模拟量采用全数字量传输，与电子式CT配合使用，其采样率达到10 kHz，详细如图5所示。设计的间隙触发装置（GTD）与激光供能装置和保护装置形成闭环系统，实时对触发回路进行检测，并根据保护分别配置2套独立的GTD。

图5 固定串补保护实现

串补保护装置通信机控制装置通信均采用IEC61850协议，方便与未来数字化变电站接口，配合远动装置还能实现远方对串补进行顺控操作，实现串补站无人值守。

5 结束语

通过实测MOV的散热特性，将简化后的热模型通过数字式串补保护可视化编程实现，并记录下模拟的MOV散热特性曲线，对比发现串补保护模拟的MOV散热特性曲线与实测数据吻合并有一定的裕度；验证了简化的MOV热模型能够用于实际串补保护系统中，可以为MOV温度保护提供较为准确的MOV实时温度，保证MOV持续安全可靠地工作。该简化热模型适用于不同厂家生产的MOV产品，只需根据实测MOV散热特性曲线相应调整热阻R1，R2以及热容C1，C2即可，不需要重新建模。新设计的数字式串补保护装置与电子式互感器配合使用，采用全光纤传输；启动+保护的动作模式使得保护更加可靠；高采样率和中断频率使串补保护动作更加迅速。

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