專利名稱：超、特高壓輸電系統(tǒng)用可控金屬氧化物避雷器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超、特高壓輸電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)裝置，更具體地，涉及超、特高壓輸電系統(tǒng)用可控金屬氧化物避雷器。
背景技術(shù)：
從超高壓(330kV～750kV)輸電系統(tǒng)開(kāi)始，操作過(guò)電壓對(duì)輸變電設(shè)備的絕緣水平已經(jīng)起著控制作用，隨著系統(tǒng)電壓等級(jí)的升高，影響越來(lái)越大，須將操作過(guò)電壓倍數(shù)限制的越來(lái)越低。在特高壓(1000kV)輸電系統(tǒng)中，空氣間隙的操作沖擊放電電壓呈現(xiàn)飽和特性，操作過(guò)電壓水平對(duì)輸變電設(shè)備的造價(jià)和制造難度影響更大，因此，深度降低操作過(guò)電壓倍數(shù)、合理選取設(shè)備絕緣水平是十分必要的。
避雷器是電力系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)的主要裝置。避雷器電阻片從早期以碳化硅(SiC)為主要原料發(fā)展到現(xiàn)今以氧化鋅(ZnO)為主要原料，避雷器的性能在幾十年間得到了極大的提高，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。
常規(guī)金屬氧化物避雷器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中，標(biāo)號(hào)1表示系統(tǒng)相線，標(biāo)號(hào)3表示避雷器。其工作原理是利用金屬氧化物電阻片高電壓下呈現(xiàn)低阻值的特性，通過(guò)避雷器本體來(lái)釋放過(guò)電壓能量，將系統(tǒng)過(guò)電壓水平限制到較低數(shù)值。
近年來(lái)，研究人員通過(guò)改進(jìn)金屬氧化物電阻片的配方和生產(chǎn)工藝，研制出了性能更優(yōu)越的高性能金屬氧化物電阻片，其中日本東芝公司研制的電阻片性能處于世界領(lǐng)先水平，主要指標(biāo)為能量吸收能力為300J/cm3，標(biāo)稱電流下壓比1.55，允許荷電率92％，電位梯度200～600V/mm。在超、特高壓系統(tǒng)中，僅靠采用高性能電阻片的避雷器，仍無(wú)法將操作過(guò)電壓水平限制到規(guī)定的數(shù)值。
以特高壓系統(tǒng)為例，目前主要是應(yīng)用金屬氧化物避雷器、斷路器加裝合閘電阻兩種措施，兩者共同作用可將系統(tǒng)的相對(duì)地最大操作過(guò)電壓限制在1.6p.u.～1.7p.u.(1.0p.u.=2Um/3,]]>式中Um為系統(tǒng)最高電壓)。
但是，這兩種措施在運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面仍存在較大不足(1)在特高壓輸電系統(tǒng)中，要求避雷器的殘壓低，按現(xiàn)有電阻片性能，只能提高其運(yùn)行荷電率才能實(shí)現(xiàn)；另外，避雷器高度大，對(duì)地雜散電容的影響使電阻片電壓分布不均勻度增加，部分電阻片運(yùn)行荷電率進(jìn)一步升高。這兩種因素導(dǎo)致避雷器電阻片在正常運(yùn)行下的老化速度加快，相對(duì)于超高壓系統(tǒng)而言，避雷器可靠性裕度降低。
(2)斷路器加裝合閘電阻后機(jī)構(gòu)復(fù)雜，超高壓系統(tǒng)的大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在斷路器損壞事故中，合閘電阻碎裂、操作機(jī)構(gòu)失靈是主要原因，斷路器損壞引發(fā)的電力系統(tǒng)事故危害性巨大。此外，斷路器加裝合閘電阻后成本增加較多。以特高壓HGIS為例，一個(gè)斷路器間隔的造價(jià)約為九千萬(wàn)人民幣，其中合閘電阻造價(jià)所占比例高達(dá)15％～22％，電力系統(tǒng)運(yùn)行部門和制造廠商均傾向于斷路器不采用合閘電阻。
在改進(jìn)避雷器電阻片性能研究的同時(shí)，研究人員也試圖在避雷器的結(jié)構(gòu)上尋找新突破，以提高避雷器的保護(hù)性能。80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)、外的研究人員曾對(duì)金屬氧化物避雷器串、并聯(lián)放電間隙的情況進(jìn)行過(guò)探討和研究，但限于間隙放電電壓的分散性很難解決，避雷器工作可靠性差。90年代期間，美國(guó)有研究人員針對(duì)抑制無(wú)功補(bǔ)償電容器投切產(chǎn)生的操作過(guò)電壓要求，進(jìn)行了避雷器并聯(lián)晶閘管器件的理論研究和仿真計(jì)算，并沒(méi)有實(shí)際產(chǎn)品問(wèn)世。
我國(guó)在八十年代初從日本日立公司引進(jìn)避雷器制造技術(shù)，雖經(jīng)不斷地改進(jìn)、提高，電阻片的性能與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在一定的差距，趕上國(guó)際先進(jìn)水平還需要大量艱苦卓絕的研究工作。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明是利用大功率電力電子器件具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)靈活、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，將現(xiàn)有金屬氧化物避雷器同大功率電力電子器件結(jié)合起來(lái)，提出的一種用于超、特高壓輸電系統(tǒng)的可控金屬氧化物避雷器(以下簡(jiǎn)稱可控避雷器)，其在維持現(xiàn)有避雷器用金屬氧化物電阻片性能參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，可有效降低避雷器殘壓，提高避雷器的保護(hù)水平。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種可控避雷器，其包括串聯(lián)連接的控制部分和固定部分，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，控制部分和固定部分共同承受系統(tǒng)電壓，而當(dāng)系統(tǒng)過(guò)電壓幅值超過(guò)預(yù)定閾值之后，由固定部分承擔(dān)系統(tǒng)過(guò)電壓。
優(yōu)先地，本發(fā)明可控避雷器的固定部分的額定電壓與可控避雷器額定電壓的比值為70％～85％。
優(yōu)選地，本發(fā)明可控避雷器的控制部分包括與所述固定部分串聯(lián)的開(kāi)關(guān)。
優(yōu)選地，本發(fā)明可控避雷器的控制部分還包括與所述開(kāi)關(guān)并聯(lián)的受控單元。
相應(yīng)地，由于本發(fā)明的可控避雷器包括串聯(lián)連接的控制部分和固定部分，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，控制部分和固定部分共同承受系統(tǒng)電壓，因此，避雷器具有較低的荷電率，由此提高了避雷器的運(yùn)行可靠性；而當(dāng)系統(tǒng)過(guò)電壓幅值超過(guò)預(yù)定閾值之后，避雷器只有固定部分承擔(dān)系統(tǒng)過(guò)電壓，因?yàn)槎虝r(shí)過(guò)電壓的能量不大，固定部分能夠滿足熱容量要求，這樣，避雷器的殘壓值變?yōu)楣潭ú糠值臍垑?，較常規(guī)整個(gè)避雷器的殘壓值大大降低，從而提高了避雷器的過(guò)電壓保護(hù)水平。
本發(fā)明另外的優(yōu)點(diǎn)(1)可控避雷器在現(xiàn)有金屬氧化物電阻片制造水平的基礎(chǔ)上，將避雷器制造技術(shù)與電力電子技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)，能夠深度降低超、特高壓輸電系統(tǒng)用金屬氧化物避雷器的殘壓，提高保護(hù)水平，而且長(zhǎng)期運(yùn)行可靠，是一種高性能的過(guò)電壓保護(hù)裝置。
(2)可控避雷器尤其適用于超、特高壓輸電系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)，優(yōu)異的保護(hù)性能允許系統(tǒng)降低電力設(shè)備和輸電線路絕緣水平，減少輸電成本；對(duì)于超、特高壓輸電系統(tǒng)，在維持現(xiàn)有電力設(shè)備和輸電線路絕緣水平不變的前提下，允許取消斷路器的分、合閘電阻，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。


圖1是常規(guī)金屬氧化物避雷器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a是本發(fā)明串聯(lián)型可控避雷器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b是本發(fā)明并聯(lián)型可控避雷器的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖3是本發(fā)明外加并聯(lián)間隙的串聯(lián)型可控避雷器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖來(lái)具體描述本發(fā)明可控避雷器的具體實(shí)施方式
，其中相同或相似的附圖標(biāo)號(hào)表示相同或相似的部件。
圖2a和2b是本發(fā)明可控避雷器的原理示意圖，本發(fā)明可控避雷器的主體結(jié)構(gòu)包括與系統(tǒng)相線1相連的避雷器固定部分，以及由大功率電力電子開(kāi)關(guān)(以下簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān))本身或者由開(kāi)關(guān)和避雷器受控單元構(gòu)成的控制部分。圖2a示出了本發(fā)明的并聯(lián)型可控避雷器的結(jié)構(gòu)圖，圖2b示出了本發(fā)明串聯(lián)型可控避雷器的結(jié)構(gòu)圖。
如圖2a所示，本發(fā)明的并聯(lián)型可控避雷器包括串聯(lián)連接的控制部分和固定部分5，控制部分由開(kāi)關(guān)2與受控單元4相并聯(lián)構(gòu)成，位置可處于避雷器的高壓端或低壓端。
并聯(lián)型可控避雷器的工作原理為在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)2不導(dǎo)通，控制部分和固定部分5共同承受系統(tǒng)電壓，避雷器具有較低的荷電率，提高了避雷器的運(yùn)行可靠性；當(dāng)系統(tǒng)過(guò)電壓幅值超過(guò)開(kāi)關(guān)2的觸發(fā)閾值后，開(kāi)關(guān)2觸發(fā)導(dǎo)通，此時(shí)，避雷器只有固定部分5承擔(dān)系統(tǒng)過(guò)電壓，因?yàn)槎虝r(shí)過(guò)電壓的能量不大，固定部分5能夠滿足熱容量要求，這樣，避雷器的殘壓值變?yōu)楣潭ú糠?的殘壓，較常規(guī)整個(gè)避雷器的殘壓值大大降低，從而提高了避雷器的過(guò)電壓保護(hù)水平。
圖2b所示為本發(fā)明的串聯(lián)型可控避雷器。由于圖2a中受控單元4與開(kāi)關(guān)2的并聯(lián)構(gòu)成的控制部分直接被開(kāi)關(guān)2代替，即，圖2b中直接由開(kāi)關(guān)2構(gòu)成控制部分。串聯(lián)型可控避雷器的工作原理為在系統(tǒng)正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)2不導(dǎo)通，固定部分5與開(kāi)關(guān)2聯(lián)合承擔(dān)系統(tǒng)工頻電壓，固定部分5的額定電壓可以選得比常規(guī)避雷器低；當(dāng)系統(tǒng)過(guò)電壓超過(guò)開(kāi)關(guān)的觸發(fā)閾值后，開(kāi)關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通，此時(shí)，固定部分承擔(dān)系統(tǒng)過(guò)電壓，由于固定部分的額定電壓選得較低，所以避雷器的殘壓水平被大大降低。
此外，結(jié)合對(duì)本發(fā)明仿真研究結(jié)果表明，采用本發(fā)明的可控避雷器，避雷器的固定部分5額定電壓與可控避雷器額定電壓的比值取70％～85％，晶閘管開(kāi)關(guān)動(dòng)作閾值取1.3p.u.～1.4p.u.，在各種暫態(tài)工況下，能夠在斷路器無(wú)合閘電阻的情況下將系統(tǒng)操作過(guò)電壓限制到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，有著預(yù)期的應(yīng)用前景。
以特高壓系統(tǒng)為例，表1示出了本發(fā)明可控避雷器的典型仿真研究結(jié)果表1

該仿真結(jié)果表明特高壓輸電系統(tǒng)中采用本發(fā)明的可控避雷器，當(dāng)避雷器的固定部分額定電壓與可控避雷器額定電壓比值取70％～85％，晶閘管開(kāi)關(guān)動(dòng)作閾值取1.3p.u.～1.4p.u.，在各種暫態(tài)工況下，能夠在斷路器無(wú)合閘電阻的情況下將系統(tǒng)操作過(guò)電壓限制到1.6p.u.～1.7p.u.以下，有著預(yù)期的應(yīng)用前景。
此外，由于電力系統(tǒng)雷電侵入波過(guò)電壓的波前時(shí)間很短，一般在1～4μs之間，目前由于受大功率電力電子器件的發(fā)展水平限制，適用于可控避雷器的電力電子器件，在響應(yīng)時(shí)間上還無(wú)法滿足要求。因此，現(xiàn)階段，可控避雷器可用于深度降低系統(tǒng)操作過(guò)電壓水平，尤其適用于超、特高壓輸電系統(tǒng)。隨著高響應(yīng)速度器件的發(fā)展，采用本發(fā)明的可控避雷器深度限制雷電侵入波過(guò)電壓和操作過(guò)電壓，就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。
因此，從上面的分析可以看出，目前采用并聯(lián)型可控避雷器來(lái)限制雷電侵入波過(guò)電壓，可維持在常規(guī)金屬氧化物避雷器保護(hù)水平，而圖2b所示的串聯(lián)型可控避雷器則無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電侵入波過(guò)電壓的保護(hù)，其解決辦法可以采用可控避雷器外加并聯(lián)間隙的方法，原理示意圖見(jiàn)圖3。
如圖3所示，外加并聯(lián)間隙的串聯(lián)型可控避雷器就是在大功率電力電子開(kāi)關(guān)2的兩端再并聯(lián)上放電間隙6。其工作原理為由于開(kāi)關(guān)2對(duì)系統(tǒng)雷電侵入波過(guò)電壓來(lái)不及響應(yīng)，當(dāng)雷電侵入波過(guò)電壓幅值達(dá)到并聯(lián)間隙6的動(dòng)作設(shè)定值后，間隙6首先擊穿導(dǎo)通，避雷器釋放雷電能量，抑制雷電過(guò)電壓，雷電沖擊過(guò)后，工頻續(xù)流被抑制在較低范圍內(nèi)，間隙絕緣迅速恢復(fù)，續(xù)流電弧被遮斷；操作過(guò)電壓作用下，并聯(lián)間隙不觸發(fā)導(dǎo)通，當(dāng)操作過(guò)電壓幅值達(dá)到開(kāi)關(guān)動(dòng)作閾值后，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通以限制操作過(guò)電壓。這樣，串聯(lián)型可控避雷器就實(shí)現(xiàn)了抑制雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓的要求?？梢钥闯觯饧硬⒙?lián)間隙的串聯(lián)型可控避雷器，在雷電侵入波過(guò)電壓和操作過(guò)電壓下，其殘壓水平都大大降低。
盡管上面已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也可以修改上述中的某些具體過(guò)程或者設(shè)想其它的等效過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明并不具體限于上述實(shí)施方式的具體過(guò)程，例如盡管說(shuō)明書(shū)中只描述了外加并聯(lián)間隙的串聯(lián)型可控避雷器，當(dāng)然了并聯(lián)型可控避雷器也可以采用外加并聯(lián)間隙的方式以實(shí)現(xiàn)更好的雷電過(guò)電壓特性。
盡管已對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但上述描述只是為了說(shuō)明的目的，本發(fā)明不限于上述結(jié)合附圖的具體描述。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以對(duì)其進(jìn)行各種改變而不脫離本發(fā)明的精神，本發(fā)明的保護(hù)范圍由后附的權(quán)利要求書(shū)來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種可控避雷器，其特征在于包括串聯(lián)連接的控制部分和固定部分(5)，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，控制部分和固定部分共同承受系統(tǒng)電壓，而當(dāng)系統(tǒng)過(guò)電壓幅值超過(guò)預(yù)定閾值之后，由固定部分承擔(dān)系統(tǒng)過(guò)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控避雷器，其中固定部分(5)的額定電壓與可控避雷器額定電壓的比值為70％～85％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控避雷器，其中所述控制部分包括與所述固定部分串聯(lián)的開(kāi)關(guān)(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可控避雷器，其中所述控制部分還包括與所述開(kāi)關(guān)并聯(lián)的受控單元(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的可控避雷器，其中所述控制部分還包括與開(kāi)關(guān)(2)并聯(lián)的并聯(lián)間隙(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的可控避雷器，所述開(kāi)關(guān)(2)為大功率電力電子器件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可控避雷器，其中所述大功率電力電子器件的動(dòng)作閾值是1.2p.u.～1.4p.u.。
全文摘要
本發(fā)明涉及超、特高壓輸電系統(tǒng)用可控金屬氧化物避雷器，其包括串聯(lián)連接的控制部分和固定部分，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，控制部分和固定部分共同承受系統(tǒng)電壓，而當(dāng)系統(tǒng)過(guò)電壓幅值超過(guò)預(yù)定閾值之后，由固定部分承擔(dān)系統(tǒng)過(guò)電壓。本發(fā)明針對(duì)超、特高壓輸電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)問(wèn)題，將大功率電力電子器件同金屬氧化物避雷器結(jié)合起來(lái)，提出了可控金屬氧化物避雷器的概念和設(shè)計(jì)思路。即利用電力電子器件響應(yīng)速度快、動(dòng)作穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活等特點(diǎn)，在維持避雷器用金屬氧化物電阻片性能參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，有效降低了避雷器的殘壓，提高了避雷器的保護(hù)水平。
文檔編號(hào)H01C13/00GK101093742SQ20071010185
公開(kāi)日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者陳維江, 陳秀娟, 沈海濱 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院