譚向宇

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

特約稿件

直流電壓下?lián)Q流閥橋臂保護(hù)避雷器泄漏電流特性研究

譚向宇

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

對(duì)IEEE提出的避雷器等效模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用多指數(shù)擬合函數(shù)擬合避雷器小電流區(qū)和中電流區(qū)的工作曲線。依照該曲線，分析研究諧波電壓、避雷器老化和污穢對(duì)避雷器泄漏電流的影響。

等效模型；諧波；老化；污穢；泄漏電流

0 前言

高壓直流輸電是目前世界上大國(guó)解決高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離輸電和電網(wǎng)互聯(lián)的重要手段，起源于20世紀(jì)50年代。線路造價(jià)低、功率損耗小、功率調(diào)節(jié)靈活迅速等優(yōu)點(diǎn)使其在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。目前，我國(guó)高壓直流輸電最高電壓等級(jí)已達(dá)±800 kV(向家壩—上海直流線路，我國(guó)第一條電壓等級(jí)為±800 kV直流輸電線路)，正向±1 000 kV電壓等級(jí)邁進(jìn)[1-4]。

高壓直流輸電系統(tǒng)主要由換流站和逆變站組成，而換流閥是整流和逆變電路中的主要元件，也是最關(guān)鍵的部件之一。為了防止過(guò)電壓對(duì)換流閥的損壞，必須采用避雷器對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，但避雷器的運(yùn)行狀態(tài)同樣影響換流閥運(yùn)行的安全可靠性[5-6]。因此，利用電磁暫態(tài)仿真軟件 ((Alternative Transients Program，ATP)對(duì)換流閥橋臂保護(hù)避雷器的泄漏電流進(jìn)行研究，了解不同狀態(tài)下避雷器泄漏電流特性，具有重要的學(xué)術(shù)意義。

1 避雷器等效模型的建立

1.1 避雷器等效電路

IEEE 3.4.11工作組在對(duì)實(shí)際避雷器進(jìn)行大量試驗(yàn)與仿真研究的基礎(chǔ)上，于1992年建立了比較準(zhǔn)確的避雷器計(jì)算模型[7]。避雷器等效電路如圖1所示。

圖1 IEEE等效電路圖

圖2 簡(jiǎn)化后避雷器等效電路

上述模型中參數(shù)較多且不容易確定，對(duì)電路進(jìn)行如下簡(jiǎn)化，得到電路圖如圖2，其中R是可變電阻，體現(xiàn)避雷器的非線性，C是電容器的電容。

1.2 避雷器工作曲線

避雷器非線性電阻的擬合分為單指數(shù)和多指數(shù)擬合[8-11]。單指數(shù)擬合是采用主要作用電流段(1 mA～10 A)的伏安特性代替整段的伏安特性，其伏安特性擬合函數(shù)表達(dá)式為：

式中U為避雷器電壓降落；為電阻片的非線性系數(shù)，1＜β＜∞，β值越大，表明避雷器非線性越強(qiáng)。

多指數(shù)擬合相對(duì)于單指數(shù)擬合，具有較好精確度。其根據(jù)試驗(yàn)獲得的避雷器伏安數(shù)據(jù)點(diǎn)采用多段指數(shù)進(jìn)行擬合，其表達(dá)式為：

式中I、U表示電阻片的電流和電壓，Uri和β (i=2，3……m)為對(duì)電阻片伏安特性進(jìn)行分段指數(shù)擬合所得，m表示曲線的分割點(diǎn)數(shù)；Uri為相鄰兩段分段點(diǎn)電壓及相鄰兩個(gè)指數(shù)曲線交點(diǎn)處的電壓值。

文中采用多指數(shù)擬合的方法，將避雷器的非線性伏安特性曲線分成兩段進(jìn)行擬合，得到如圖3所示的伏安特性曲線。

圖3 非線性電阻伏安特性曲線

2 諧波對(duì)避雷器泄漏電流的影響

直流側(cè)諧波主要是換流引起的諧波，即所謂特征諧波和其他原因引起的諧波，其中由其他原因引起的諧波主要是指換流參數(shù)和控制的各種不對(duì)稱引起的諧波以及交流電網(wǎng)中諧波通過(guò)換流器轉(zhuǎn)移到直流側(cè)的諧波，即所謂非特征諧波。

對(duì)于12脈動(dòng)換流器，其特征諧波為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(huì)對(duì)避雷器泄漏電流有所影響，要分兩種情況考慮諧波的影響。

當(dāng)整流側(cè)電壓中只含有12次諧波時(shí)，那么泄漏電流和諧波含量的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)諧波含量增加時(shí)，泄漏電流也有一定的增加，但變化不大。對(duì)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。將直流電壓為135 kV的曲線放大，如圖5所示。可以看出，諧波含量較大時(shí)，泄漏電流變化較快。因此，需要減少整流側(cè)直流電壓中單次諧波含量。

圖4 不同電壓下諧波含量和泄漏電流的關(guān)系

圖5 直流135kV時(shí)泄漏電流和諧波含量的關(guān)系

當(dāng)直流側(cè)總諧波含量一定時(shí)，所含諧波種類的不同時(shí)，其泄漏電流特性也不同，如圖6所示。在低電壓區(qū)，三條曲線基本重合，諧波種類對(duì)泄漏電流的影響不明顯；當(dāng)電壓上升到一定值時(shí)，泄漏電流開(kāi)始陡增，并且隨著諧波種類的增加，該起始電壓不斷減小，且諧波種類越豐富，泄漏電流越大。

圖6 諧波類型和泄漏電流的關(guān)系

3 避雷器老化對(duì)泄漏電流的影響

在直流電壓長(zhǎng)期作用下，閥片的U-I曲線發(fā)生不對(duì)稱改變，原因是反向肖特基勢(shì)壘高度比正向肖待基勢(shì)壘高度降低更多，即肖待基勢(shì)壘出現(xiàn)了不對(duì)稱的畸變。由于直流電壓極性不變，離子一直在向晶界勢(shì)壘單向遷移，導(dǎo)致反向偏壓使肖持基勢(shì)壘不斷降低，從而導(dǎo)致泄漏電流隨時(shí)間增加而增大。

但是在實(shí)際教學(xué)中，因?yàn)榻處熃?jīng)常忽視跨文化知識(shí)教學(xué)，并且有些教師只是粗略了解西方文化知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中將歐美國(guó)家文化中的伯爵稱之為伯爵先生。[7]通常，在跨文化教學(xué)過(guò)程中，只有真正分清先生和大人的差異，才可以正確區(qū)分兩者之間的稱呼。所以加強(qiáng)對(duì)學(xué)生跨文化意識(shí)的培養(yǎng)，必須要從國(guó)家之間的差異性出發(fā)，準(zhǔn)確了解中方文化和西方文化之間的差距，積累更多的英語(yǔ)文化知識(shí)，這樣教師才能夠在課堂上向?qū)W生講述知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，培養(yǎng)學(xué)生的跨文化意識(shí)。

肖特基勢(shì)壘下降導(dǎo)致泄漏電流和功率損耗增加，由于勢(shì)壘的不對(duì)稱變化，又導(dǎo)致伏安特性的不對(duì)稱漂移。

泄漏電流隨時(shí)間增加可表示成：

式中A、B和t都是常數(shù)。

當(dāng)避雷器的老化率分別為5%、10%和15%時(shí)，其伏安特性曲線如圖7所示。避雷器老化越嚴(yán)重，其參考電壓U1mA越低。

圖7 不同老化率避雷器的U-I曲線

老化避雷器工作在正常運(yùn)行電壓下，其泄漏電流如圖8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(shí)，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(hù)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。

圖8 運(yùn)行電壓下老化避雷器的泄漏電流

4 避雷器污穢對(duì)泄漏電流的影響

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9所示。其中R1表示表面電阻。

圖9 污穢避雷器等效模型

避雷器表面污穢程度不同時(shí)，泄漏電流也不盡相同，如圖10所示。避雷器表面污穢越嚴(yán)重，運(yùn)行電壓下，所測(cè)得的泄漏電流越大。但是對(duì)于單節(jié)避雷器來(lái)說(shuō)，表面泄漏電流不會(huì)流經(jīng)避雷器內(nèi)部，也就不會(huì)加速避雷器的老化。

圖10 不同污穢程度避雷器的泄漏電流

當(dāng)上下節(jié)避雷器的污穢程度不一樣時(shí)，考慮兩節(jié)避雷器串聯(lián)的情況，其等效電路如圖11所示，R1、R2分別為避雷器污穢時(shí)的表面電阻。根據(jù)電路理論的知識(shí)：

圖11 兩節(jié)避雷器串聯(lián)污穢時(shí)等效電路

式中I是總電流，U1/R和U2/R’分別是流過(guò)近高壓端和近地端避雷器內(nèi)部的電流，U1/R1和U2/R2是流過(guò)近高壓端和近地端避雷器表面的電流。

U1/R1和U2/R2的值是不一樣的，那么流過(guò)避雷器內(nèi)部的電流 U1/R和 U2/R’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(yùn)動(dòng)，在直流系統(tǒng)中，后者起主要作用。帶電微粒受到恒定電場(chǎng)的作用，微粒單向運(yùn)動(dòng)，沉積在避雷器表面。上節(jié)避雷器接在高壓端，電場(chǎng)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U1/R1＞U2/R2，那么U1/R＜U2/R’，即流過(guò)下節(jié)避雷器內(nèi)部的電流偏大，如圖12所示。隨著運(yùn)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(zhǎng)期污穢條件下運(yùn)行，近地端避雷器相比近高壓端避雷器更容易老化。

圖12 串聯(lián)避雷器的內(nèi)部泄漏電流

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于避雷器仿真模型，研究了諧波電壓、避雷器老化和避雷器污穢對(duì)其泄漏電流的影響，得到以下結(jié)論：

1)用多指數(shù)擬合函數(shù)擬合避雷器小電流區(qū)和中電流區(qū)的工作曲線更精確，與實(shí)際更為相符。

2)整流側(cè)單次諧波含量較大時(shí)，泄漏電流增加較快；當(dāng)諧波含量一定時(shí)，所含諧波種類越豐富；泄漏電流越大，避雷器預(yù)擊穿的起始電壓降低。

3)避雷器老化率上升，其預(yù)擊穿起始電壓下降，參考電壓U1mA也隨之下降；當(dāng)泄漏電流超過(guò)400 mA或者參考電壓U1mA下降為出廠時(shí)的85%時(shí)，避雷器需要檢修或者退出運(yùn)行。

4)兩節(jié)避雷器串聯(lián)工作時(shí)，近高壓端避雷器更容易積污，而流過(guò)近地端避雷器內(nèi)部的電流較大，更容易發(fā)生老化。

[1] 舒印彪.中國(guó)直流輸電的現(xiàn)狀及展望 [J].高電壓技術(shù)，2004，30(11)：1-2.

[2] 李曉黎，陳祖勝.特高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展綜述 [J].廣西電力，2009，22(1)：23-26.

[3] 李勇偉，周康，李力，等.±800 kV直流特高壓輸電線路的設(shè)計(jì) [J].高電壓技術(shù)，2009(7)：1518-1525.

[4] 黃道春，魏遠(yuǎn)航，鐘連宏，等.我國(guó)發(fā)展特高壓直流輸電中一些問(wèn)題的探討 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(8)：6 -12.

[5] 吳維韓，何金良，高玉明.金屬氧化物非線性電阻特性和應(yīng)用 [M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[6] 王秉軍.金屬氧化物避雷器 [M].北京：水利電力出版社，1993，10.

[7] IEEE WORKING GROUP 3.4.11.Modeling of metal oxide surge arresters[J].Transactions on Power Delivery，Vol.7 No.1，January 1992.302-309.

[8] 秦家遠(yuǎn).雷擊下金屬氧化物避雷器 ATP仿真模型分析[J].電瓷避雷器，2007，6：016.

[9] 楊洪利.MOA外表污穢對(duì)泄漏電流影響的研究 [J].電氣技術(shù)，2008，(11)：27～30.

[10] 何金良，黎黎.避雷器表面污穢狀況對(duì)在線檢測(cè)結(jié)果影響的分析 [J].高壓電器，1996，(3)：32～33.

[11] 林毅.判斷金屬氧化物避雷器劣化的方法及改進(jìn)相關(guān)試驗(yàn)方法的建議 [J].電力設(shè)備，2003，4(2)：40-44.

Characteristics of the Leakage Current of the Arrester for Protecting the Converter Valves in DC

TAN Xiangyu
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

In order to fit the curve of arrester working in the lower current field and the middle current field，the modeling of arrester formed in 1992 by IEEE was simplified.According to the fitting curve，the influences of harmonic voltage，the aging condition of arrester and pollution degree on leakage current of arresters were studied.

equivalent model；harmonic；aging；pollution；leakage current

TM86 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

B < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1006-7345(2014)04-0001-04

1006-7345(2014)04-0001-04

2014-06-19

譚向宇 (1981)，男，博士，工程師，云南電網(wǎng)公司電力研究院，主要從事高電壓與絕緣技術(shù)研究工作 (e-mail)2040464＠163.com。