CN104377695B - 一种串联电容补偿装置、输电电路和抑制trv的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电工与电子技术领域，公开了一种串联电容补偿装置、输电电路及抑制TRV的方法，该串联电容补偿装置包括：电容器；金属氧化物限压器，电容器与金属氧化物限压器形成第一并联单元；火花间隙；快速开关，火花间隙与快速开关形成第二并联单元；阻尼装置，阻尼装置串联于第一并联单元和第二并联单元之间，以达到全面抑制串联电容补偿装置所导致的TRV技术效果。

Description

一种串联电容补偿装置、输电电路和抑制TRV的方法

技术领域

本发明涉及电工与电子技术领域，尤其涉及一种串联电容补偿装置、输电电路和抑制TRV(transient recovery voltage：瞬态恢复电压)的方法。

背景技术

高压输电线路中，电流的切断由高压断路器实现。在电路切断过程中，断路器(弧)触头分离瞬间会产生电弧，电路中电流继续流通，电弧在电流过零时熄弧。熄弧之后，断路器(弧)触头之间会出现具有瞬态特征的恢复电压，称为TRV，在TRV之后为工频恢复电压。其中TRV的幅值或陡度如果过高，超过触头间的绝缘强度，电弧将会重燃，对电路构成冲击，影响设备的使用寿命，严重时会使某些设备因过电压或过电流损坏。

采用串联电容补偿(简称：串补)技术可提高超高压、特高压远距离输电线路的输电能力和系统稳定性，且对输电通道上的潮流分布具有一定的调节作用。采用可控串补技术还可抑制系统低频功率振荡及优化系统潮流分布。如图1所示，为一串联电容补偿装置的结构图，其具体包括：

电容器10；

金属氧化物限压器11(可以是MOV(Metal Oxide Varistor)：金属氧化物压敏电阻，或MOA(Metal Oxide Arrester)：金属氧化物避雷器))11，金属氧化物限压器11是电容器10的主保护。串联电容补偿装置所在线路上出现较大故障电流时，电容器10上将出现较高的过电压，金属氧化物限压器11可利用其自身电压–电流的强非线性特性将电容器10的电压限制在设计值以下，从而确保电容器10的安全运行。

火花间隙12，火花间隙12用于为金属氧化物限压器11和电容器10提供后备保护，当金属氧化物限压器11分担的电流超过其启动电流整定值或金属氧化物限压器11吸收的能量超过其启动能耗时，控制系统会触发火花间隙12，进而旁路掉金属氧化物限压器11及电容器10。

旁路断路器13，旁路断路器13是系统检修和调度的必要装置，串联电容补偿装置的控制系统在触发火花间隙12的同时命令旁路断路器13，为间隙灭弧及去游离提供必要条件；

阻尼装置14，阻尼装置14可限制电容器10的放电电流，防止电容器10、火花间隙12、旁路断路器13在放电过程中被损坏。

从现有研究来看，串联电容补偿装置的使用普遍提高了其所在高压输电线路的TRV，通过对串补所在线路单相接地故障、三相短路、两相短路及两相短路接地故障后断路器TRV的研究，TRV提高幅度可达15％～20％。现有技术中，可以通过多种方式在一定条件下抑制TRV，例如：

(1)通过快速联动旁路断路器抑制TRV，但是该方案中若故障点较远，流经串补的短路电流较小，间隙可能由于电压低而无法联动击穿，此时的断路器TRV水平与不采取联动措施时相同，即仍可能超标。

(2)通过给线路断路器断口加装金属氧化物限压器抑制TRV，但是实际中，该方案所起到的效果并不明显，并且线路断路器断口的金属氧化物限压器吸收的能耗可能很大，有可能造成金属氧化物限压器的损坏。

(3)通过给线路断路器加装分闸电阻抑制TRV，但是分闸电阻通常只对于串补度不高的场合使用，当串补度较高时，TRV仍有可能超标。

(4)在输电线路两端分散布置串联电容补偿装置，但是对于高串补度，如70％的情形，TRV仍有可能超标。

发明内容

本发明提供一种串联电容补偿装置、输电电路和抑制TRV的方法，以解决现有技术中无法全面抑制串联电容补偿装置所导致的TRV过高的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供一种串联电容补偿装置，包括：

电容器；

金属氧化物限压器，所述电容器与所述金属氧化物限压器形成第一并联单元；

火花间隙；

快速开关，所述火花间隙与所述快速开关形成第二并联单元；

阻尼装置，所述阻尼装置串联于所述第一并联单元和所述第二并联单元之间。

可选的，所述快速开关具体为：在所述串联电容补偿装置所在线路的线路断路器开断操作开始后、且在所述线路断路器的首开相触头间电弧熄灭之前，能够完成关合的开关，其中所述线路断路器在接收到继电保护系统发出的关合命令之后执行所述开断操作。

可选的，所述快速开关具体为：在所述线路断路器的首开相触头分离之前能够完成关合的开关。

可选的，第一参数值与第二参数值之和小于所述线路断路器的最短开断时间或最短分闸时间，所述第一参数值具体为：所述阻尼装置与所述电容器所形成的回路的时间常数的5倍值，所述第二参数值具体为：所述快速开关的关合时间。

可选的，所述快速开关具体为：基于电力电子器件的固态开关或基于电磁斥力机构的机械开关。

第二方面，本发明实施例提供一种输电电路，包括：

第一电源；

第一阻抗，连接于所述第一电源；

第一线路断路器，连接于所述第一阻抗；

第一串联电容补偿装置，连接于所述第一线路断路器，所述第一串联电容补偿装置为本发明第一方面任一实施例所介绍的串联电容补偿装置；

输电线路，连接于所述第一串联电容补偿装置；

第二线路断路器，连接于所述输电线路；

第二阻抗，连接于所述第二线路断路器；

第二电源，连接于所述第二阻抗。

可选的，所述输电电路还包括：

第二串联电容补偿装置，连接于所述输电线路和所述第二线路断路器之间，所述第二串联电容补偿装置为第一方面任一实施例所介绍的串联电容补偿装置。

第三发面，本发明实施例提供一种抑制瞬态恢复电压的方法，应用于本发明第二方面任一实施例所介绍的输电电路中，所述方法包括：

接收继电保护系统发出的关合命令和开断命令，其中，所述继电保护系统在检测到所述输电电路出现故障时，同时产生所述关合命令和开断命令；

响应所述关合命令，控制所述快速开关执行关合操作；

响应所述开断命令，控制线路断路器执行所述开断操作，所述线路断路器具体为所述第一线路断路器和所述第二线路断路器。

可选的，在所述线路断路器的开断操作开始后、且在所述线路断路器的首开相触头间电弧熄灭时刻之间的时长为第一时长；

所述快速开关的关合时间为第二时长，所述第二时长小于所述第一时长。

可选的，在所述线路断路器的开断操作开始后、且在所述线路断路器的首开相触头分离时刻之间的时长为第三时长，所述第三时长小于所述第一时长。

本发明有益效果如下：

在本发明实施例中，提供了一种串联电容补偿装置，包括：电容器；金属氧化物限压器，电容器与金属氧化物限压器形成第一并联单元；火花间隙；快速开关，火花间隙与快速开关形成第二并联单元；阻尼装置，阻尼装置串联于第一并联单元和第二并联单元之间。由于快速开关的合闸速度比现有旁路断路器的合闸速度快上许多，而在快速开关关合后，整个串联电容补偿装置被短路，这样，对于高压输电线路的线路断路器来说其开断操作与常规的没有连接串联电容补偿装置的线路的开断操作是一样的，从而达到了能够将高压输电线路的线路断路器开断时的TRV抑制到没有串联电容补偿装置时的水平的技术效果，并且由于串联电容补偿装置对高压输电线路的TRV没有影响，故而对任何运行工况都能够适用，没有保护死区，进而能够全面抑制串联电容补偿装置所导致的TRV；

并且，与现有技术中的在线路断路器断口加装金属氧化物限压器或者给线路断路器加装分闸电阻的方法相比，本发明不需增加线路断路器的设计和制造困难，只需要在线路中使用常规的线路断路器既可以；

并且，与现有技术中分散布置串联电容补偿装置的方法相比，本发明不需要增加土地占用面积和串联电容补偿装置的建造和运行成本；

并且，本发明只需在现有的串联电容补偿装置中将旁路断路器替换为快速开关即可，不需要大的改动，设计和建造简单易行。

附图说明

图1为现有技术中串联电容补偿装置的结构图；

图2为本发明实施例中串联电容补偿装置的结构图；

图3a为本发明实施例串联电容补偿装置中的快速开关的第一种结构图；

图3b为本发明实施例串联电容补偿装置中的快速开关的第二种结构图；

图4为本发明实施例串联电容补偿装置中的快速开关的第三种结构图；

图5为本发明实施例中输电电路的结构图；

图6为本发明实施例中输电电路的改进结构图；

图7为本发明实施例中抑制TRV的方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种串联电容补偿装置、输电电路和抑制TRV的方法，以解决现有技术中无法全面抑制串联电容补偿装置所导致的TRV过高的技术问题。

本发明实施例总体思路如下：

在本发明实施例中，提供了一种串联电容补偿装置，包括：电容器；金属氧化物限压器，电容器与金属氧化物限压器形成第一并联单元；火花间隙；快速开关，火花间隙与快速开关形成第二并联单元；阻尼装置，阻尼装置串联于第一并联单元和第二并联单元之间。由于快速开关的合闸速度比旁路断路器的合闸速度快上许多，而在快速开关关合后，整个串联电容补偿装置被短路，这样，对于高压输电线路的线路断路器来说其开断操作与常规的没有串联电容补偿装置的线路的开断操作是一样的，从而达到了能够将高压输电线路的线路断路器开断时的TRV抑制到没有串联电容补偿装置时的水平的技术效果，并且由于串联电容补偿装置对高压输电线路的TRV没有影响，故而对任何运行工况都能够适用，没有保护死区，进而能够全面抑制串联电容补偿装置所导致的TRV；

并且，与现有技术中的线路在断路器断口装设金属氧化物限压器或者给线路断路器加装分闸电阻的方法相比，本发明不需增加线路断路器的设计和制造困难，只需要在线路中使用常规的线路断路器既可以；

并且，与现有技术中分散布置串联电容补偿装置的方法相比，本发明不需要增加土地占用面积和串联电容补偿装置的建造和运行成本；

并且，本发明只需在现有的串联电容补偿装置中将旁路断路器替换为快速开关即可，不需要大的改动，设计和建造简单易行。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本发明实施例提供一种串联电容补偿装置，请参考图2，具体包括：

电容器20；

金属氧化物限压器21，电容器20与金属氧化物限压器21形成第一并联单元；其中，金属氧化物限压器21例如为：MOV(Metal Oxide Varistor：金属氧化物压敏电阻)、MOA(Metal Oxide Arrester：金属氧化物避雷器)等等，金属氧化物限压器21为电容器20提供主保护，在串联电容补偿装置所在线路上出现较大故障电流时，电容器20上将出现较高的过电压，金属氧化物限压器21可利用其自身电压–电流的强非线性特性将电容器20的电压限制在设计值以下，从而确保电容器20的安全运行；

火花间隙22，火花间隙22为金属氧化物限压器21和电容器20提供后备保护，当金属氧化物限压器21分担的电流超过其启动电流整定值或金属氧化物限压器21吸收的能量超过其启动能耗时，控制系统会触发火花间隙22，旁路掉金属氧化物限压器21及电容器20。

快速开关23，火花间隙22与快速开关23形成第二并联单元，第一并联单元和第二并联单元串联；

阻尼装置24，阻尼装置24串联于第一并联单元和第二并联单元之间，阻尼装置24可限制电容器20的放电电流，防止电容器20、火花间隙22、快速开关23在放电过程中被损坏。

作为进一步的优选实施例，快速开关23具体为：在串联电容补偿装置所在线路的线路断路器开断操作开始后、且在线路断路器的首开相触头间电弧熄灭之前，能够完成关合的开关，其中，线路断路器在接收到继电保护系统发出的关合命令之后执行开断操作。

在具体实施过程中，在线路断路器包含弧触头时，线路断路器的首开相触头指的是首开相弧触头。

在这种情况下，可以保证线路在电弧熄灭后的TRV与没有串联电容补偿装置的线路是相同的。

作为进一步的优选实施例，快速开关23具体为：在线路断路器的首开相触头分离之前能够完成关合的开关。

在这种情况下，可以保证线路断路器开断时电弧过程及电弧熄灭后的TRV过程都与无串联电容补偿装置的情形是一样的，进而进一步的降低对线路断路器性能的要求。

下面将介绍两种满足上述要求的快速开关23，当然，在具体实施过程中并不限于以下两种情况。

第一种，快速开关23具体为：基于电力电子器件的固态开关，通常情况下固态开关可以实现us级的开断与关合操作，基本构成方式有两种：一种是并联型(如图3a所示)，另一种是串联型(如图3b所示)。采用的基本元件可以是GTO(Gate Turn-Off Thyristor：门级可关断晶闸管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶闸管)、晶闸管、二极管等大容量电力电子器件，其中图3a中采用的是由两个GTO反向并联形成的快速开关23，图3b中采用的是两个由IGBT与二极管反向并联构成的基本单元反向串联形成的快速开关23。

在具体实施过程中，对于不同电压或电流的应用场合，可以采用上述基本元件的串联来提高耐压能力，采用上述基本元件的并联来提高通流能力，同时要采取相应措施保证在运行中各个单元上电压与电流的平均分布。

第二种，快速开关23具体为：基于电磁斥力机构的机械开关。

如图4所示，为一基于电磁斥力机构的快速开关的操动机构的示意图，其工作原理是：通过预先充电的电容器向分闸线圈40或合闸线圈41放电，通过线圈放电产生脉冲电流，在该脉冲电流的作用下，线圈周围产生交变的磁场，并在金属盘42(金属盘42可以为导电性能良好的各种金属)上产生涡流，涡流产生的磁场与线圈产生的磁场相互作用，从而带动连杆43运动，而连杆43上连接有动触头，进而通过连杆43带动动触头实现开关的开断或关合。

作为进一步的优选实施例，第一参数值与第二参数值之和小于线路断路器的最短开断时间或最短分闸时间，第一参数值具体为：阻尼装置24与电容器20所形成的回路的时间常数的5倍值，第二参数值具体为：快速开关23的关合时间。

在具体实施过程中，快速开关23关合后，阻尼装置24与电容器20组构成回路，该回路具有时间常数，工程上可以认为经过3～5倍的时间常数后，回路中的能量释放完毕。在设计阻尼装置24时要根据线路断路器的最短开断时间或分闸时间(由于分闸相位和线路断路器本身动作分散性的原因，线路断路器每次的开断时间和分闸时间可能是不同的。)和串联电容补偿装置中电容器20的大小确定出阻尼装置24中电阻、电感等元件的取值，使得回路时间常数的5倍值与快速开关的关合时间之和小于线路断路器的最短开断时间或最短分闸时间，在这种情况下，能够保证在线路断路器的首开相触头间电弧熄灭之前，通过阻尼装置实现电容器20上电荷完全释放，进而使整个串联电容补偿装置被彻底短路，从而进一步的降低串联电容补偿装置所导致的TRV。

第二方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供一种输电电路，请参考图5，具体包括：

第一电源50；

第一阻抗51，连接于第一电源50；

第一线路断路器52，连接于第一阻抗51；

第一串联电容补偿装置53，连接于所述第一线路断路器52，所述第一串联电容补偿装置53为本发明第一方面任一实施例所介绍的串联电容补偿装置；

输电线路54，连接于所述第一串联电容补偿装置53；

第二线路断路器55，连接于输电线路54；

第二阻抗56，连接于第二线路断路器55；

第二电源57，连接于第二阻抗56。

作为进一步的优选实施例，请参考图6，输电电路还包括：

第二串联电容补偿装置58，连接于输电线路54和第二线路断路器55之间，第二串联电容补偿装置58本发明第一方面的任一实施例所介绍的串联电容补偿装置，在这种情况下，第二线路断路器55通过第二串联电容补偿装置58连接于输电线路54。

通过第一串联电容补偿装置53或第二串联电容补偿装置58可以提高该输电电路的远距离输电线路的输电能力和系统稳定性，且对输电通道上的潮流分布具有一定的调节作用，同时在第一线路断路器52和第二线路断路器55开断时，由于第一串联电容补偿装置53或第二串联电容补偿装置58中所采用的快速开关23的关合速度较快，故而使串联电容补偿装置能够快速被短路，进而使第一线路断路器52和第二线路断路器55的开断操作与常规的没有连接串联电容补偿装置的线路的开断操作相同，故而能够抑制串联电容补偿装置所导致的TRV。

第三方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供一种抑制TRV的方法，其特征在于，应用于本发明任一实施例介绍的输电电路中，请参考图7，方法包括：

步骤S701：接收继电保护系统发出的关合命令和开断命令，其中，继电保护系统在检测到输电电路出现故障时，同时产生关合命令和开断命令。

步骤S702：响应关合命令，控制快速开关23执行关合操作；

通常情况下，继电保护系统发出的关合命令和开断命令比输电电路的操作控制系统所产生的控制指令的优先级要高，故而快速开关23在接收到关合命令之后，就立即执行关合操作，同时，通过阻尼装置24将电容器20上的电荷释放完全，使得线路断路器(也即：第一线路断路器52和第二线路断路器55)实际完成的是常规线路故障的开断，从而限制了TRV的水平。

其中，操作控制系统主要是在系统调试或检修等非故障情况下控制断路器操作，完成系统调试、运行方式的切换等操作。

步骤S703：响应开断命令，控制线路断路器执行所述开断操作，线路断路器具体为第一线路断路器52和第二线路断路器55，同样第一线路断路器52和第二线路断路器56在接收到开断命令之后，也会立即执行开断操作。

可选的，在线路断路器的开断操作开始后、且线路断路器的首开相触头间电弧熄灭时刻之间的时长为第一时长；

快速开关23的关合时间为第二时长，第二时长小于第一时长。

可选的，在线路断路器的开断操作开始后、且在线路断路器的首开相触头分离时之间的时刻长为第三时长，第三时长小于第一时长。

本发明一个或多个实施例，至少具有以下有益效果：

在本发明实施例中，在本发明实施例中，提供了一种串联电容补偿装置，包括：电容器；金属氧化物限压器，电容器与金属氧化物限压器形成第一并联单元；火花间隙；快速开关，火花间隙与快速开关形成第二并联单元；阻尼装置，阻尼装置串联于第一并联单元和第二并联单元之间。由于快速开关的合闸速度比旁路断路器的合闸速度快上许多，而在快速开关关合后，整个串联电容补偿装置被短路，这样，对于高压输电线路的线路断路器来说其开断操作与常规的没有串联电容补偿装置的线路的开断操作是一样的，从而达到了能够将高压输电线路的线路断路器开断时的TRV抑制到没有串联电容补偿装置时的水平的技术效果，并且由于串联电容补偿装置对高压输电线路的TRV没有影响，故而对任何运行工况都能够适用，没有保护死区，进而能够全面抑制串联电容补偿装置所导致的TRV；

并且，与现有技术中的在线路断路器断口装设金属氧化物限压器或者给线路断路器加装分闸电阻的方法相比，本发明不需增加线路断路器的设计和制造困难，只需要在线路中使用常规的线路断路器既可以；

并且，与现有技术中分散布置串联电容补偿装置的方法相比，本发明不需要增加土地占用和串联电容补偿装置的建造和运行成本。

并且，本发明只需在现有的串联电容补偿装置中将旁路断路器替换为快速断开关即可，不需要大的改动，设计和建造简单易行。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种串联电容补偿装置，其特征在于，包括：

电容器；

金属氧化物限压器，所述电容器与所述金属氧化物限压器形成第一并联单元；

火花间隙；

快速开关，所述火花间隙与所述快速开关形成第二并联单元，所述快速开关具体为：在所述串联电容补偿装置所在线路的线路断路器开断操作开始后、且在所述线路断路器的首开相触头间电弧熄灭之前，能够完成关合的开关，其中，所述线路断路器在接收到继电保护系统发出的关合命令之后执行所述开断操作；所述快速开关为基于电磁斥力机构的机械开关或基于电力电子器件的固态开关，所述固态开关包括：由两个GTO反向并联形成的快速开关，或由两个由IGBT与二极管反向并联构成的基本单元反向串联形成的快速开关；

阻尼装置，所述阻尼装置串联于所述第一并联单元和所述第二并联单元之间；

其中，第一参数值与第二参数值之和小于所述线路断路器的最短开断时间或最短分闸时间，所述第一参数值具体为：所述阻尼装置与所述电容器所形成的回路的时间常数的5倍值，所述第二参数值具体为：所述快速开关的关合时间。

2.如权利要求1所述的串联电容补偿装置，其特征在于，所述快速开关具体为：在所述线路断路器的首开相触头分离之前能够完成关合的开关。

3.一种输电电路，其特征在于，包括：

第一电源；

第一阻抗，连接于所述第一电源；

第一线路断路器，连接于所述第一阻抗；

第一串联电容补偿装置，连接于所述第一线路断路器，所述第一串联电容补偿装置为权利要求1-2任一所述的串联电容补偿装置；

输电线路，连接于所述第一串联电容补偿装置；

第二线路断路器，连接于所述输电线路；

第二阻抗，连接于所述第二线路断路器；

第二电源，连接于所述第二阻抗。

4.如权利要求3所述的输电电路，其特征在于，所述输电电路还包括：

第二串联电容补偿装置，连接于所述输电线路和所述第二线路断路器之间，所述第二串联电容补偿装置为权利要求1-2任一所述的串联电容补偿装置。

5.一种抑制瞬态恢复电压的方法，其特征在于，应用于权利要求3所述的输电电路中，所述方法包括：

接收继电保护系统发出的关合命令和开断命令，其中，所述继电保护系统在检测到所述输电电路出现故障时，同时产生所述关合命令和开断命令；

响应所述关合命令，控制所述快速开关执行关合操作；

响应所述开断命令，控制线路断路器执行所述开断操作，所述线路断路器具体为所述第一线路断路器和所述第二线路断路器。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述线路断路器的开断操作开始后、且在所述线路断路器的首开相触头间电弧熄灭时刻之间的时长为第一时长；

所述快速开关的关合时间为第二时长，所述第二时长小于所述第一时长。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述线路断路器的开断操作开始后、且在所述线路断路器的首开相触头分离时刻之间的时长为第三时长，所述第三时长小于所述第一时长。