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1、超高压直流输电用换流阀避雷器泄漏电流与老化特性的研究摘 要：无间隙金属氧化物避雷器在直流输电系统的换流阀保护中已被大量采用。然而，对直流输电系统用换流阀避雷器的运行技术指标、试验方法、评判标准等还不是很清楚，这对阀避雷器的正确使用是不利的，更对换流阀的安全运行造成隐患。本文从数值仿真角度出发，建立起阀避雷器等效电路模型，研究了避雷器在各种工况下如谐波电流、直流电压、污秽下的泄漏电流特性，以期掌握不同工况下避雷器老化特性，为阀避雷器的预防性试验方法提供了重要参考。关键词：直流输电 换流站 阀避雷器 泄漏电流 老化特性中图分类号：TM86 文献标志码：A 学科分类号：47040Abstract:
2、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 simula
3、tion 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.
4、 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 引言换流阀是直流输电系统的核心设备，它由多个器件串联而构成，其三相桥式电路在运行中承受来自
5、交、直流系统的操作过电压、雷电过电压以及陡波过电压1-5。避雷器作为换流阀的关键部件，是限制雷电侵入波,防止内部过电压侵害电气设备的重要保护设备之一。无间隙金属氧化物避雷器(MOA)自20世纪80年代初被开发以来,由于其优异的电气特性,在高压和超高压系统过电压保护领域得到了广泛的应用。无间隙金属氧化物避雷器由多个阀片串联组成,其阀片的老化或受潮将直接影响使用寿命,直接威胁电网的安全运行。目前，国内多数文献对高压交流避雷器的泄漏电流、阻性电流和功率损耗进行过研究和分析，对于高压直流避雷器的相关性能的分析，相关文献较少6-10。高压直流避雷器较高压交流避雷器具有以下复杂特点：(1)种类多；（2）持
6、续运行电压差异大；（3）在不同电压波形作用下，MOA耐受老化的工作条件和电压强度是不同的；(4)通过能量大；(5)研究工作复杂化。本文从数值仿真角度出发，建立起阀避雷器等效电路模型，研究了避雷器在各种工况下如谐波电流、直流电压、污秽下的泄漏电流特性，以期掌握不同工况下避雷器老化特性，为阀避雷器的预防性试验方法提供了重要参考。1 换流阀避雷器仿真模型的建立在国内高压交流避雷器（HVAC MOA）的制造及运行都是比较成熟的，发生击穿、爆炸的事故较少。而高压直流避雷器（HVDC MOA）制造难度大、技术水平高。此外，高压直流换流站避雷器的布置方式多种多样，其布置方式受到过电压和绝缘配合综合作用的影响
7、。目前，在高压直流换流站中，国内外普遍采用每极一组12脉动换流器相配套的金属氧化物避雷器的配置方式，其等效电路如图1所示。(b) 交流部分图1 高压直流换流站用MOA示意图（单极）Fig. 1 MOA schemes used in high voltage direct current convertor station图中，DR为直流电抗器，CB为换流器直流母线，DB为直流母线，FD为直流滤波器，M为桥中点，V为阀，E为中性母线，FA为交流滤波器，A为交流母线。2 高压直流换流站避雷器泄露电流特性的研究2.1 正常运行时MOA的泄漏电流特性在500kV的直流系统中，整流侧出口电压在460k
8、V到540kV之间，考虑到单极系统是由2个12脉动换流装置串联组成的，那么单极12脉动换流装置的出口电压为230kV到270kV。两节避雷器串联保护单极12脉动换流装置，其参考电压U1mA=330kV。在实际运行中，换向过冲电压作用时间比较短，主要考虑电压波形中直流电压分量对避雷器泄漏电流的影响，其泄漏电流如图2所示。此时，避雷器工作在低电场区，泄漏电流值较小，它和承受的电压可以近似看作线性关系。220230240250260270280455055606570I/mAU/kV图2 桥避雷器正常工作时泄漏电流Fig. 2 Leakage current of Bridge lightning
9、arrester during normal working而对于阀避雷器来说，它承担的电压波形和桥中点避雷器及直流母线避雷器的波形都不同，如图3所示。这是阀避雷器承担的理论电压波形，而在运行中，当阀换向结束时，会形成过冲电压。同样，由于过冲电压持续时间短，它对避雷器泄漏电流影响不大，但若用该波形的直流分量来确定其工作电压，明显比实际运行情况要低，因此，一般用避雷器承担的持续过电压峰值来考察阀避雷器的工作状况。0510152025-120-100-80-60-40-20020U/kVt /ms40图3 阀避雷器工作电压波形Fig. 3 Voltage waveform of Valve lig
10、htning arrester在500kV直流系统中，单阀承担的持续过电压的变化范围在110kV与135kV之间，对于参考电压U1mA为165kV的避雷器，其泄漏电流变化趋势如图4所示。110115120125130135140455055606570U/kVI/m A图4 阀避雷器泄漏电流波形Fig. 4 Leakage current waveform of Valve lightning arrester 2.2 谐波对避雷器泄漏电流的影响由于12脉动换流器的特征谐波为12k（k=1、2、3）次谐波，其中起主要作用的是12次、24次和36次谐波。整流侧直流电压中所含谐波的种类和单次谐波含
11、量都会对避雷器泄漏电流有所影响，所以需要分两种情况考虑谐波的影响。当直流侧总谐波含量一定时，所含谐波种类的不同，其泄漏电流特性也不同，如图5所示。在低电压区，三条曲线基本重合，谐波种类对泄漏电流的影响不明显。当电压上升到一定值时，避雷器工作在中电场区，即发生预击穿，其泄漏电流开始陡增，并且随着谐波种类的增加，该起始电压不断减小。图5也可以说明谐波越丰富，泄漏电流越大。220230240250260270280405060708090100110120含12、24和36次谐波含12、24次谐波含12次谐波U/kVI /mA图5 谐波类型和泄漏电流的关系Fig. 5 Relationship of
12、 Harmonic types and leakage current当整流侧电压中只含有12次谐波时，泄漏电流和谐波含量的关系如图6所示。当谐波含量增加时，泄漏电流也有一定的增加，但变化不大。对于工作在不同直流电压分量下的避雷器,其泄漏电流主要受直流电压分量影响。0.000.020.040.060.084852566064直流电压240kV直流电压220kVI/mA谐波含量直流电压270kV图6 不同电压下，谐波含量和泄漏电流的关系Fig.6 Relationship of harmonic content and leakage current with different voltage
13、将直流电压为135kV的曲线放大，如图7所示，谐波含量较大时，泄漏电流变化较快，因此，在实际运行中，应尽可能减少整流侧直流电压中单次谐波含量。0.000.020.040.060.0864.164.264.364.464.5I/mA谐波含量图7直流电压135kV时，泄漏电流和谐波含量的关系Fig.7 Relationship of leakage current and harmonic content with Dc voltage 135kV2.3污秽避雷器的泄漏电流特性避雷器外绝缘清洁，其外表面绝缘能力良好，表面电流极小，数量级在微安级别以下，可以忽略不计。但是当避雷器外表面有污秽，相当于
14、在其表面覆盖了一层电导薄膜，使得外表面的绝缘电阻下降。那么，流过避雷器表面的电流将增加，用微安表测量避雷器的泄漏电流，会使得测量值偏大，容易对避雷器的工作状态进行错误地判断。首先考虑单节避雷器有污秽的情况，它的等效电路图如图8所示。其中表示表面电阻，R是避雷器的非线性电阻，C是避雷器的固有电容。高压RCR1图8污秽避雷器等效模型Fig.8 Equivalent model of filth lightning arrester 避雷器表面污秽程度不同时，泄漏电流也不尽相同，如图9所示，避雷器表面污秽越严重，运行电压下，所测得的泄漏电流越大。但是对于单节避雷器来说，表面泄漏电流不会流经避雷器内部
15、，也就不会加速避雷器的老化和热崩溃。但在实际运行中，有串联运行工作的避雷器，表面泄漏电流会影响到流经避雷器内部的电流，需要单独考虑。110115120125130135140505560657075808590中度污秽严重污秽U/kV轻度污秽I/mA图9 不同污秽程度避雷器的泄漏电流Fig.9 Leakage current of lightning arrester with different uncleanness degree考虑两节避雷器串联的情况，其等效电路如图10所示，、分别为避雷器污秽时的表面电阻。高压RCR2RR1C图10 两节避雷器串联污秽时等效电路Fig.10 Equiv
16、alent circuit of series impurity lightning arrester 根据电路基本理论， （1） 式中：I 总电流； 、 流过上节和下节避雷器内部的电流； 、 流过上节和下节避雷器表面的电流。当上下节避雷器的污秽程度不一样时，和的值是不一样的，那么流过避雷器内部的电流和也是不一样的。污秽微粒在避雷器表面沉积是由于自然沉降和带电微粒的运动，在直流系统中，后者其主要作用。带电微粒受到恒定电场的作用，微粒单向运动，沉积在避雷器表面。上节避雷器接在高压端，电场较大，更容易吸附带电微粒，使得上节避雷器污秽程度严重。所以，那么，即流过下节避雷器内部的电流偏大，如图11。随
17、着运行电压的升高，流经上下节避雷器泄漏电流的差值也将增大。因此，在长期污秽条件下运行，下节避雷器相比上节避雷器更容易老化。80220230240250260270280354045505560657075上节（污秽）I/mAU/kV下节图11串联避雷器的泄漏电流Fig. 11 Leakage current of series lightning arrestor3 避雷器的直流老化特性当避雷器的老化率分别为5%、10%和15%时，其伏安特性曲线如图12所示。避雷器老化越严重，其参考电压U1mA越低，并且75%U1mA下的泄漏电流越大。0.00.20.40.60.81.01.205010015
18、0200250300350U/kVI/mA老化率15%老化率10%老化率5%图12 不同老化率避雷器的UI曲线 Fig.12 U - I curves of lightning arrester with different aging rate 老化避雷器工作在正常运行电压下，其泄漏电流如图13所示，随着老化率的上升，泄漏电流陡增的起始电压下降，即避雷器预击穿的起始电压下降。老化率为5%时，正常工作电压下，避雷器仍然工作在小电流区，能够正常保护设备；而随着老化率继续增加，在正常工作电压下，泄漏电流已经较大，避雷器需要停电检修。22024026028030002004006008001000I
19、/mAU/kV老化率10%老化率5%1200图13 运行电压下老化避雷器的泄漏电流Fig.13 Leakage current of aging arrestor under running voltage 与交流MOA一样，直流MOA老化时，泄漏电流增大、功率损耗增加，直到MOA被击穿。从导电机理上分析，MOA老化是氧化锌晶体内部的肖特基势垒畸变引起的，而这一畸变是在晶界区域离子迁移而造成，迁移离子主要为填隙锌离子。4 结论综合考虑老化、污秽和谐波电压情况下避雷器的泄漏电流特性，以泄漏电流变为出厂时泄漏电流试验值2倍为标准过严。在重污秽情况下，容易对避雷器的工作状态产生错误判断。因此，在线检
20、测时，若避雷器泄漏电流超过150mA，需要对该避雷器进行离线检测，进行相关的预防性试验；若泄漏电流超过400mA，需要更换避雷器，让其退出运行。避雷器的计数器能够统计避雷器动作次数，当避雷器正常工作时，只有设备遭受雷击过电压和操作过电压时，避雷器才会动作，此时计数器计数值增加。而当避雷器老化时，正常运行情况下，避雷器泄漏电流过大，也会使计数器的计数值增加。那么正常运行时，两次检修时避雷器的计数值不会增加很多；如果两次检修的计数值明显增加，就需要判断避雷器的老化情况，可以对其进行相关的预防性试验。参考文献1 车文俊.CIGRE 33/14.05高压直流换流站无金属氧化物避雷器使用导则介绍J.电力
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