±800_kV混合直流输电...2等离子体喷射触发间隙研制_李志兵.pdf

第 49 卷 第 3 期：937-945 高电压技术 Vol.49,No.3:937-945 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20220870 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 800 kV混合直流输电工程用DC 80 kV SF6/N2等离子体喷射触发间隙研制 李志兵1，徐晓东1，张 然1，李晓昂2，黄 印1，赵 科3（1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049；3.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，南京 211106）摘 要：白鹤滩江苏800 kV 混合直流输电工程在交流侧故障穿越过程中，为了限制柔直母线上过电压吸收冗余能量需要加装可控自恢复消能装置。为了实现可控自恢复消能装置的 1 ms 快速投入，需要研制 DC 80 kV SF6/N2等离子体喷射触发间隙。根据工程需求，分析了工程应用条件，明确触发间隙关键技术要求。针对高性能触发的要求，提出了高压脉冲型等离子体双级接续触发方法，设计了同轴层压式产品化触发腔，搭建触发特性试验平台，开展触发性能试验研究，并提出通过监测触发过程中储能电容电压变化在线监测触发性能的方法，研究结果表明，最低可触发电压为 50 kV，触发时延在 0.3 ms 以内，空载触发寿命为 1800 次。针对大直流通流及快速绝缘恢复的要求，依据横磁电极旋弧原理，完成自旋弧主电极设计，开展电场及旋弧仿真，设计搭建了通流及绝缘恢复试验回路开展试验研究，拍摄电弧运动。结果表明，电弧能够沿主电极边缘高速旋转，实现 30 kA/50 ms 通流后 0.1s恢复耐受 1.5 倍额定电压、通流寿命 50 次。基于上述关键问题的解决，完成了双冗余等离子体喷射触发间隙本体及高电位测控的成套装置结构设计，研制了样机并通过了第三方性能试验验证，绝缘、触发和通流关键技术指标全面满足白江工程要求并将工程应用。关键词：混合直流输电工程；等离子体喷射；触发间隙；触发寿命；通流能力 Development of DC 80 kV SF6/N2 Plasma Injection Trigger Gap for 800 kV Hybrid DC Transmission Project LI Zhibing1,XU Xiaodong1,ZHANG Ran1,LI Xiaoang2,HUANG Yin1,ZHAO Ke3(1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;2.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;3.Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd.,Nanjing 211106,China)1 Abstract：During AC-side fault ride-through of the Baihetan-Jiangsu 800 kV hybrid DC transmission project,a con-trolled self-recovery dissipation device was added in order to limit the overvoltage absorption of redundant energy on the flexible bus.In order to achieve a rapid 1ms input of the controlled self-recovery dissipation device,a DC 80 kV SF6/N2 plasma jet trigger gap needs to be developed.According to the engineering requirements,the engineering application con-ditions were analyzed and the key technical requirements for the trigger gap were clarified.To meet the requirements of high performance triggering,a high voltage pulse type plasma.double-stage succession triggering method is proposed,a coaxial laminated type productized triggering chamber was designed,a test platform for triggering characteristics was set up,a test study of triggering performance was carried out,and a method for online monitoring of triggering performance by monitoring the voltage change of the energy storage capacitor during the triggering process was proposed.The re-search results show that the minimum triggerable voltage is 50 kV,the trigger time delay is 0.3 ms,and the no-load trigger life is 1800 times.In order to meet the requirements of large direct-current flow and fast insulation recovery,the design of the main electrode of the spin-arc was completed based on the principle of transverse magnetic electrode spin-arc,and the electric field and spin-arc simulation was carried out.The results show that the arc is capable of rotating at high speed 基金资助项目：国家电网公司科技项目(5500-202155107A-0-0-00)。Project supported by Science and Technology Project of SGCC(5500-202155107A-0-0-00).938 高电压技术 2023,49(3)along the edge of the main electrode,recovering to withstand 1.5 times the rated voltage in 0.1 s after 30 kA/50 ms through-current,and withstanding 50 through-current cycles.Based on the solution of the above key issues,the structural design of the dual redundant plasma jet trigger gap body and the high potential measurement and control package was completed.The prototype has been developed and verified by the third party performance tests.The key technical indica-tors of insulation,triggering and through-current fully can meet the requirements of the Baijiang project and will be applied in the project.Key words：hybrid DC transmission project;plasma jet;trigger gap;trigger life;through-current ability 0 引言 国际首个800 kV 混合直流输电工程白鹤滩江苏输电工程(简称白江工程)受端采用 400 kV常规直流(LCC)串联3个并联的400 kV柔直(VSC)。当受端交流系统故障时，故障穿越过程中，400 kV柔直母线上会产生很大的功率盈余导致过电压，严重威胁 VSC 阀组安全，需加装可控自恢复消能装置限制过电压和吸收冗余能量1-3。可控自恢复消能装置核心元件为大容量可控避雷器，分为固定和可控两部分，可控部分需要并联控制开关，当柔直母线上出现过电压时控制开关需要 1 ms 将可控部分旁路，有效降低避雷器残压大幅提高能量吸收能力，保护 VSC 阀组安全。目前传统机械开关合闸时间十几毫秒以上4；电力电子开关需要多元件串并联，结构复杂，成本高；触发间隙开关可以实现 1 ms关合，能够快速将可控避雷器投入，且简单可靠，成为工程优选方案之一。近年来等离子体喷射触发间隙技术飞速发展，能够在很低的电压下快速触发导通，满足快速控制需要，但仅在实验室有少量应用。研制触发性能好、触发寿命长、能够通过大直流短路电流并快速绝缘恢复，全面满足特高压混合直流工程要求的等离子体喷射触发间隙，具有重要的理论研究及工程应用价值。触发间隙的关键技术包括触发特性、大电流通流及弧后绝缘恢复两方面，国内外学者在关键技术方面做了大量的研究。在触发方面，美国学者Pancotti 设计了两种可重复放电的毛细管喷射装置用于航空器推进装置5，工作在大气压空气或真空中，触发能量很低，为高重频小通流工作模式。李晓昂、张宁博及李志兵等人研究了不同触发能量、毛细管结构和气压对等离子体喷射特性的影响6，分析了不同放电次数后的性能劣化过程和机理。西安交通大学黄东和杨兰均等设计了一种两间隙毛细管气体触发间隙原理样机7，通过触发通道和主通道喷射的等离子体共同作用完成触发。朱浩、李志兵及李晓昂等人对 SF6等离子体喷射触发间隙触发寿命开展研究，触发腔选取聚四氟乙烯材料，触发寿命达 583 次8。郜赣、李晓昂和张宁博等人针对金属丝爆触发方式获得了铝丝直径、触发电压和环境介质气压对等离子体喷射特性的影响规律9。王天驰、陈伟等人针对预电离开关触发间隙击穿时延特性开展研究，认为预电离触发间隙击穿时延差异的主要因素为气压不同导致的电离系数值的不同和初始电子产生时刻的不同10。在大电流通流和弧后快速绝缘恢复关键技术方面，国内外主要围绕断路器开断开展研究。真空断路器多采用旋弧电极，Kumar C 和 Pramanik A 首次提出了真空中横向磁场控制下的旋转电弧装置11。大连理工大学邹积岩12-14团队建立了真空螺旋槽横磁电极及杯状纵磁电极模型，得出了各种真空自磁场调控的特性。SF6断路器采用棒状插接式电极利用压气吹弧结构实现熄弧，严旭、姜旭、朱凯等人研究了 SF6断路器灭弧室内电弧特性参数间的相互关系，为电弧特性参数间的作用规律提供了参考15。沈阳工业大学林莘研究了