超高壓直流輸電用換流閥避雷器泄漏.doc

超高壓直流輸電用換流閥避雷器泄漏電流與老化特性的研究摘 要：無間隙金屬氧化物避雷器在直流輸電系統(tǒng)的換流閥保護中已被大量采用。然而，對直流輸電系統(tǒng)用換流閥避雷器的運行技術(shù)指標(biāo)、試驗方法、評判標(biāo)準(zhǔn)等還不是很清楚，這對閥避雷器的正確使用是不利的，更對換流閥的安全運行造成隱患。本文從數(shù)值仿真角度出發(fā)，建立起閥避雷器等效電路模型，研究了避雷器在各種工況下如諧波電流、直流電壓、污穢下的泄漏電流特性，以期掌握不同工況下避雷器老化特性，為閥避雷器的預(yù)防性試驗方法提供了重要參考。關(guān)鍵詞：直流輸電 換流站 閥避雷器 泄漏電流 老化特性中圖分類號：TM86 文獻標(biāo)志碼：A 學(xué)科分類號：47040Abstract: Metal oxide arresters (MOA) were generally applied for protecting valve in HVDC system. However, the research about operating technique parameter, testing method and judging standard of the valve MOA is not very clear. The valve MOA would be operated under unhealthy situation. Using numerical simulation method, the equal electrical model of the valve arrester was established for research. Research results about the leakage current of the valve arrester under different operating status, such as harmonic current, direct current voltage, and leakage current under dirty environment, are described. The result shows that if the kind of harmonic current increases, the leakage current will increase rapidly. This research will provide important reference for preventive test.Keywords: HVDC；converter station； valve MOA；leakage current; aging properties0 引言換流閥是直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，它由多個器件串聯(lián)而構(gòu)成，其三相橋式電路在運行中承受來自交、直流系統(tǒng)的操作過電壓、雷電過電壓以及陡波過電壓1-5。避雷器作為換流閥的關(guān)鍵部件，是限制雷電侵入波,防止內(nèi)部過電壓侵害電氣設(shè)備的重要保護設(shè)備之一。無間隙金屬氧化物避雷器(MOA)自20世紀(jì)80年代初被開發(fā)以來,由于其優(yōu)異的電氣特性,在高壓和超高壓系統(tǒng)過電壓保護領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無間隙金屬氧化物避雷器由多個閥片串聯(lián)組成,其閥片的老化或受潮將直接影響使用壽命,直接威脅電網(wǎng)的安全運行。目前，國內(nèi)多數(shù)文獻對高壓交流避雷器的泄漏電流、阻性電流和功率損耗進行過研究和分析，對于高壓直流避雷器的相關(guān)性能的分析，相關(guān)文獻較少6-10。高壓直流避雷器較高壓交流避雷器具有以下復(fù)雜特點：(1)種類多；（2）持續(xù)運行電壓差異大；（3）在不同電壓波形作用下，MOA耐受老化的工作條件和電壓強度是不同的；(4)通過能量大；(5)研究工作復(fù)雜化。本文從數(shù)值仿真角度出發(fā)，建立起閥避雷器等效電路模型，研究了避雷器在各種工況下如諧波電流、直流電壓、污穢下的泄漏電流特性，以期掌握不同工況下避雷器老化特性，為閥避雷器的預(yù)防性試驗方法提供了重要參考。1 換流閥避雷器仿真模型的建立在國內(nèi)高壓交流避雷器（HVAC MOA）的制造及運行都是比較成熟的，發(fā)生擊穿、爆炸的事故較少。而高壓直流避雷器（HVDC MOA）制造難度大、技術(shù)水平高。此外，高壓直流換流站避雷器的布置方式多種多樣，其布置方式受到過電壓和絕緣配合綜合作用的影響。目前，在高壓直流換流站中，國內(nèi)外普遍采用每極一組12脈動換流器相配套的金屬氧化物避雷器的配置方式，其等效電路如圖1所示。(b) 交流部分圖1 高壓直流換流站用MOA示意圖（單極）Fig. 1 MOA schemes used in high voltage direct current convertor station圖中，DR為直流電抗器，CB為換流器直流母線，DB為直流母線，F(xiàn)D為直流濾波器，M為橋中點，V為閥，E為中性母線，F(xiàn)A為交流濾波器，A為交流母線。2 高壓直流換流站避雷器泄露電流特性的研究2.1 正常運行時MOA的泄漏電流特性在500kV的直流系統(tǒng)中，整流側(cè)出口電壓在460kV到540kV之間，考慮到單極系統(tǒng)是由2個12脈動換流裝置串聯(lián)組成的，那么單極12脈動換流裝置的出口電壓為230kV到270kV。兩節(jié)避雷器串聯(lián)保護單極12脈動換流裝置，其參考電壓U1mA=330kV。在實際運行中，換向過沖電壓作用時間比較短，主要考慮電壓波形中直流電壓分量對避雷器泄漏電流的影響，其泄漏電流如圖2所示。此時，避雷器工作在低電場區(qū)，泄漏電流值較小，它和承受的電壓可以近似看作線性關(guān)系。220230240250260270280455055606570I/mAU/kV圖2 橋避雷器正常工作時泄漏電流Fig. 2 Leakage current of Bridge lightning arrester during normal working而對于閥避雷器來說，它承擔(dān)的電壓波形和橋中點避雷器及直流母線避雷器的波形都不同，如圖3所示。這是閥避雷器承擔(dān)的理論電壓波形，而在運行中，當(dāng)閥換向結(jié)束時，會形成過沖電壓。同樣，由于過沖電壓持續(xù)時間短，它對避雷器泄漏電流影響不大，但若用該波形的直流分量來確定其工作電壓，明顯比實際運行情況要低，因此，一般用避雷器承擔(dān)的持續(xù)過電壓峰值來考察閥避雷器的工作狀況。0510152025-120-100-80-60-40-20020U/kVt /ms40圖3 閥避雷器工作電壓波形Fig. 3 Voltage waveform of Valve lightning arrester在500kV直流系統(tǒng)中，單閥承擔(dān)的持續(xù)過電壓的變化范圍在110kV與135kV之間，對于參考電壓U1mA為165kV的避雷器，其泄漏電流變化趨勢如圖4所示。110115120125130135140455055606570U/kVI/m A圖4 閥避雷器泄漏電流波形Fig. 4 Leakage current waveform of Valve lightning arrester 2.2 諧波對避雷器泄漏電流的影響由于12脈動換流器的特征諧波為12k（k=1、2、3）次諧波，其中起主要作用的是12次、24次和36次諧波。整流側(cè)直流電壓中所含諧波的種類和單次諧波含量都會對避雷器泄漏電流有所影響，所以需要分兩種情況考慮諧波的影響。當(dāng)直流側(cè)總諧波含量一定時，所含諧波種類的不同，其泄漏電流特性也不同，如圖5所示。在低電壓區(qū)，三條曲線基本重合，諧波種類對泄漏電流的影響不明顯。當(dāng)電壓上升到一定值時，避雷器工作在中電場區(qū)，即發(fā)生預(yù)擊穿，其泄漏電流開始陡增，并且隨著諧波種類的增加，該起始電壓不斷減小。圖5也可以說明諧波越豐富，泄漏電流越大。220230240250260270280405060708090100110120含12、24和36次諧波含12、24次諧波含12次諧波U/kVI /mA圖5 諧波類型和泄漏電流的關(guān)系Fig. 5 Relationship of Harmonic types and leakage current當(dāng)整流側(cè)電壓中只含有12次諧波時，泄漏電流和諧波含量的關(guān)系如圖6所示。當(dāng)諧波含量增加時，泄漏電流也有一定的增加，但變化不大。對于工作在不同直流電壓分量下的避雷器,其泄漏電流主要受直流電壓分量影響。0.000.020.040.060.084852566064直流電壓240kV直流電壓220kVI/mA諧波含量直流電壓270kV圖6 不同電壓下，諧波含量和泄漏電流的關(guān)系Fig.6 Relationship of harmonic content and leakage current with different voltage將直流電壓為135kV的曲線放大，如圖7所示，諧波含量較大時，泄漏電流變化較快，因此，在實際運行中，應(yīng)盡可能減少整流側(cè)直流電壓中單次諧波含量。0.000.020.040.060.0864.164.264.364.464.5I/mA諧波含量圖7直流電壓135kV時，泄漏電流和諧波含量的關(guān)系Fig.7 Relationship of leakage current and harmonic content with Dc voltage 135kV2.3污穢避雷器的泄漏電流特性避雷器外絕緣清潔，其外表面絕緣能力良好，表面電流極小，數(shù)量級在微安級別以下，可以忽略不計。但是當(dāng)避雷器外表面有污穢，相當(dāng)于在其表面覆蓋了一層電導(dǎo)薄膜，使得外表面的絕緣電阻下降。那么，流過避雷器表面的電流將增加，用微安表測量避雷器的泄漏電流，會使得測量值偏大，容易對避雷器的工作狀態(tài)進行錯誤地判斷。首先考慮單節(jié)避雷器有污穢的情況，它的等效電路圖如圖8所示。其中表示表面電阻，R是避雷器的非線性電阻，C是避雷器的固有電容。高壓RCR1圖8污穢避雷器等效模型Fig.8 Equivalent model of filth lightning arrester 避雷器表面污穢程度不同時，泄漏電流也不盡相同，如圖9所示，避雷器表面污穢越嚴(yán)重，運行電壓下，所測得的泄漏電流越大。但是對于單節(jié)避雷器來說，表面泄漏電流不會流經(jīng)避雷器內(nèi)部，也就不會加速避雷器的老化和熱崩潰。但在實際運行中，有串聯(lián)運行工作的避雷器，表面泄漏電流會影響到流經(jīng)避雷器內(nèi)部的電流，需要單獨考慮。110115120125130135140505560657075808590中度污穢嚴(yán)重污穢U/kV輕度污穢I/mA圖9 不同污穢程度避雷器的泄漏電流Fig.9 Leakage current of lightning arrester with different uncleanness degree考慮兩節(jié)避雷器串聯(lián)的情況，其等效電路如圖10所示，、分別為避雷器污穢時的表面電阻。高壓RCR2RR1C圖10 兩節(jié)避雷器串聯(lián)污穢時等效電路Fig.10 Equivalent circuit of series impurity lightning arrester 根據(jù)電路基本理論， （1） 式中：I 總電流； 、 流過上節(jié)和下節(jié)避雷器內(nèi)部的電流； 、 流過上節(jié)和下節(jié)避雷器表面的電流。當(dāng)上下節(jié)避雷器的污穢程度不一樣時，和的值是不一樣的，那么流過避雷器內(nèi)部的電流和也是不一樣的。污穢微粒在避雷器表面沉積是由于自然沉降和帶電微粒的運動，在直流系統(tǒng)中，后者其主要作用。帶電微粒受到恒定電場的作用，微粒單向運動，沉積在避雷器表面。上節(jié)避雷器接在高壓端，電場較大，更容易吸附帶電微粒，使得上節(jié)避雷器污穢程度嚴(yán)重。所以，那么，即流過下節(jié)避雷器內(nèi)部的電流偏大，如圖11。隨著運行電壓的升高，流經(jīng)上下節(jié)避雷器泄漏電流的差值也將增大。因此，在長期污穢條件下運行，下節(jié)避雷器相比上節(jié)避雷器更容易老化。80220230240250260270280354045505560657075上節(jié)（污穢）I/mAU/kV下節(jié)圖11串聯(lián)避雷器的泄漏電流Fig. 11 Leakage current of series lightning arrestor3 避雷器的直流老化特性當(dāng)避雷器的老化率分別為5%、10%和15%時，其伏安特性曲線如圖12所示。避雷器老化越嚴(yán)重，其參考電壓U1mA越低，并且75%U1mA下的泄漏電流越大。0.00.20.40.60.81.01.2050100150200250300350U/kVI/mA老化率15%老化率10%老化率5%圖12 不同老化率避雷器的UI曲線 Fig.12 U - I curves of lightning arrester with different aging rate 老化避雷器工作在正常運行電壓下，其泄漏電流如圖13所示，隨著老化率的上升，泄漏電流陡增的起始電壓下降，即避雷器預(yù)擊穿的起始電壓下降。老化率為5%時，正常工作電壓下，避雷器仍然工作在小電流區(qū)，能夠正常保護設(shè)備；而隨著老化率繼續(xù)增加，在正常工作電壓下，泄漏電流已經(jīng)較大，避雷器需要停電檢修。22024026028030002004006008001000I/mAU/kV老化率10%老化率5%1200圖13 運行電壓下老化避雷器的泄漏電流Fig.13 Leakage current of aging arrestor under running voltage 與交流MOA一樣，直流MOA老化時，泄漏電流增大、功率損耗增加，直到MOA被擊穿。從導(dǎo)電機理上分析，MOA老化是氧化鋅晶體內(nèi)部的肖特基勢壘畸變引起的，而這一畸變是在晶界區(qū)域離子遷移而造成，遷移離子主要為填隙鋅離子。4 結(jié)論綜合考慮老化、污穢和諧波電壓情況下避雷器的泄漏電流特性，以泄漏電流變?yōu)槌鰪S時泄漏電流試驗值2倍為標(biāo)準(zhǔn)過嚴(yán)。在重污穢情況下，容易對避雷器的工作狀態(tài)產(chǎn)生錯誤判斷。因此，在線檢測時，若避雷器泄漏電流超過150mA，需要對該避雷器進行離線檢測，進行相關(guān)的預(yù)防性試驗；若泄漏電流超過400mA，需要更換避雷器，讓其退出運行。避雷器的計數(shù)器能夠統(tǒng)計避雷器動作次數(shù)，當(dāng)避雷器正常工作時，只有設(shè)備遭受雷擊過電壓和操作過電壓時，避雷器才會動作，此時計數(shù)器計數(shù)值增加。而當(dāng)避雷器老化時，正常運行情況下，避雷器