加装HSGS降低潜在供电弧风险

5.2.2.1　限制原理

HSGS是一种熄灭潜供电弧的有效方法（如图5-17所示）[1]，在日本的特高压线路及一些国家的超高压线路上得到了应用。

图5-17　HSGS的操作示意图

HSGS通过分流潜供电流和抑制故障点恢复电压来减小潜供电弧持续时间，其操作顺序和原理分别见图5-17和图5-18。当特高压线路发生单相接地故障时，故障点流过短路电流，继电保护设备检测到故障后，迅速跳开故障相两侧断路器，短路电流被断开，健全相通过相间电容耦合和电感耦合向故障点提供潜供电流，图5-18中路径1和2分别为潜供电流容性分量和感性分量的流通路径。然后立即投入HSGS，由于HSGS接地电阻一般很小，使本应从故障点流过的潜供电流容性分量很大一部分都通过HSGS流向地面（如图5-18中路径3所示），流过故障点潜供电流的容性分量则在一定程度上降低。由于HSGS直接接地，且电阻较小，使故障点恢复电压幅值被限制到极低水平，有利于潜供电弧在短时间内熄灭。待潜供电弧熄灭之后，利用HSGS开关的灭弧能力，强行熄灭其中电弧，然后打开HSGS，再将故障相重合。

图5-18　加装HSGS的线路示意图

投入HSGS之前，潜供电流感性分量主要通过对地电容的流通路径。从图5-18可以看出，对于已投入HSGS的线路，由于相对于故障相对地电容，HSGS的接地电阻非常小，潜供电流感性分量主要是通过HSGS与故障点形成回路：地—接地点—线路—HSGS—地。但这也意味着，感性分量回路的阻抗被大大减小，潜供电流的感性分量可能比不加HSGS时更大些。但在一般情况下潜供电流中容性分量占的比例更大，所以HSGS对潜供电流仍是有限制作用的。另外，闭合的HSGS使故障点的恢复电压降至极低的水平，使潜供电弧更易熄灭，同时也不容易发生复燃。

HSGS的接地电阻、故障接地电阻和故障点位置对潜供电流的大小有较大影响。首先，HSGS接地电阻和故障接地电阻直接影响潜供电流容性分量的分流效果。HSGS电阻越大，流过HSGS的电流越小，流过故障点的电流也越大；故障接地电阻越大，分流至HSGS的电流也越大，流过故障点的电流越小。由于潜供电流容性分量被大量分流至HSGS，这样就使得流过故障点的潜供电流中的感性分量比例升高。潜供电流感性分量直接流过HSGS和故障点，所以HSGS接地电阻和故障接地电阻对感性分量大小是有一定影响的。故障点将线路分成两段，健全相在故障相两段上感应出的电势方向是相同的，而这两个电势形成的电流在流过故障点时流向恰好相反，所以，流过故障点的潜供电流感性分量应为两者之间的差值。当故障点在线路中间时，两段线路上感应电势形成的电流基本上相等，故障点处潜供电流感性分量很小；而当故障点在线路两端时，两端线路上感应电势形成的电流幅值相差很大，潜供电流感性分量则相对较大。(www.xing528.com)

5.2.2.2　限制要求

HSGS要快速有效地熄灭电弧，关键在于做好与断路器合闸和分闸时间的紧密配合，HSGS在操作过程中的时间控制如图5-19所示[1]，其中QF是线路两侧断路器。从图5-19可以得到，HSGS从闭合到打开约为0.5s，考虑潜供电弧熄灭后的弧道介质恢复时间为0.04s以上，一般可选0.1s[1]，因此必须在HSGS投入后0.4s内熄灭潜供电弧。而根据中国电科院的实验研究统计，风速在1.5～2.5m/s范围内时，未经补偿的潜供电弧自熄时间（按90%概率统计）一般可参考下列数值，如表5-2所示[5]。因此，一般可以认为，对于采用HSGS的线路，只要潜供电弧在0.4s内熄灭，故障发生后1s可实行重合闸。

图5-19　HSGS操作过程示意图

由于中国超高压线路上一般采用中性点小电抗限制潜供电流，所以目前中国对HSGS的研究并不成熟，并未对采用HSGS时潜供电弧自灭特性进行系统研究。但之前中国电科院也曾对无高抗补偿线路潜供电弧的熄灭特性进行了部分研究工作，本节将参考其研究结果来判断加装HSGS线路的潜供电弧熄灭时间。中国电科院给出了在无高抗补偿情况下各幅值潜供电流在风速小于2.0m/s时自灭时间推荐值，见表5-2[5]。

从表5-2可以看出，在绝大多数情况下，对于某一个特定潜供电流值，电弧熄灭时间随恢复电压梯度的增减至少是以线性速度增减（甚至更快）。例如，对于42A的潜供电流，当恢复电压梯度为10kV/m时，电弧自灭时间为0.52～0.65s；当恢复电压梯度为20kV/m时，电弧自灭时间为1.17～1.42s。由此可以推得，对于42A的潜供电流，当恢复电压梯度≤5kV/m时，电弧自灭时间应小于0.4s。

表5-2　无高抗补偿下潜供电弧自灭时间推荐值

一般情况下，采用HSGS限制潜供电流的特高压线路通常较短，其恢复电压一般很小，例如，对于较典型的长度为200km特高压短线路，当加装HSGS以后，其上的恢复电压仅为3kV左右，潜供电流约为41.2A。假设1000kV特高压交流线路绝缘子串串长约为8m，故此时的恢复电压梯度应该远小于5kV/m，在潜供电流约为41.2A情况下，电弧自灭时间应该肯定小于0.4s。