特高壓直流線路避雷器滅弧技術(shù)研究

花郁瑩，朱震武(曲靖供電局修試所，云南 曲靖 655000)

1 引言

我國(guó)的能源分布與用電負(fù)荷很不均衡的矛盾，東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是電力負(fù)荷的集中區(qū)域，但是發(fā)電能源較少，而西南、西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，因而負(fù)荷少，但是發(fā)電能源多。在西部地區(qū)建立能源中心，大容量、遠(yuǎn)距離地將電能輸送到東部地區(qū)能夠有效地解決這個(gè)矛盾，因此建設(shè)全國(guó)能源通道就顯得十分必要［1］。特高直流輸電線路能夠高大容量、遠(yuǎn)距離輸送電能，適合大型區(qū)域電網(wǎng)的非同步互聯(lián)，而且具有線路造價(jià)經(jīng)濟(jì)、電能損耗低、能迅速靈活地調(diào)節(jié)功率、系統(tǒng)穩(wěn)定行高等優(yōu)點(diǎn)，能很好的滿足作為能源通道的要求［2］。建設(shè)特高壓直流輸電系統(tǒng)離不開(kāi)過(guò)電壓保護(hù)裝置，避雷器是輸電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)的主要設(shè)備。直流線路避雷器的運(yùn)行條件與工作原理與交流避雷器有很大的不同，其中之一就是交流避雷器可利用電流自然過(guò)零點(diǎn)的時(shí)機(jī)切斷續(xù)流，而直流線路避雷器沒(méi)有電流過(guò)零點(diǎn)可利用，因此滅弧較為困難［3］。直流避雷器產(chǎn)生電弧對(duì)輸電線路的安全運(yùn)行產(chǎn)生了一定的影響，產(chǎn)生一次電弧相當(dāng)于發(fā)生一次接地短路。因此對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究具有重要的實(shí)際意義。

2 特高壓直流線路避雷器配置以及產(chǎn)生電弧的原因

2.1 避雷器的工作原理及特高壓直流系統(tǒng)避雷器配置

避雷器是連接在大地和導(dǎo)線之間的一種防止雷擊的設(shè)備，一般與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)。當(dāng)電力設(shè)備處于正常工作電壓下運(yùn)行時(shí)，避雷器的阻值很大，避雷器上面僅僅只有微弱的泄漏電流流過(guò)，此時(shí)保護(hù)設(shè)備與大地相當(dāng)于斷路;當(dāng)設(shè)備上出現(xiàn)雷擊過(guò)電壓或者是操作過(guò)電壓且危及到線路的正常運(yùn)行時(shí)，避雷器的阻值很小，此時(shí)避雷器相當(dāng)于和大地短路，這樣雷電流便從避雷器泄露到大地去。由此可知，避雷器通過(guò)對(duì)入侵流動(dòng)波進(jìn)行削幅，降低被保護(hù)設(shè)備所受過(guò)電壓值，從而達(dá)到保護(hù)電力設(shè)備的目的。

圖1給出了±800kV直流輸電系統(tǒng)避雷器配置簡(jiǎn)圖［4］。圖中A為直流線路避雷器，主要是保護(hù)直流輸電線路;B為直流極母線避雷器，主要保護(hù)連接在極線上設(shè)備;C為濾波器用避雷器;D1和D2為平波電抗器用避雷器，用于保護(hù)平波電抗器端對(duì)端出現(xiàn)反向雷電過(guò)電壓這一特殊情況而設(shè)置的;E為中性點(diǎn)母線避雷器，主要保護(hù)中性母線和接于中性母線的設(shè)備;F1和F2為橋避雷器，M為橋中點(diǎn)避雷器，主要用于防止極線過(guò)電壓跨過(guò)高端橋而對(duì)低端橋造成危害。

圖1 特高壓直流系統(tǒng)中典型的避雷器配置簡(jiǎn)圖

2.2 直流線路避雷器電弧產(chǎn)生的原因

直流線路避雷器上的持續(xù)運(yùn)行電壓一般為額定的直流分量(含少量紋波)。當(dāng)輸電線路遭到雷擊，避雷器動(dòng)作釋放雷電流后，避雷器的阻值開(kāi)始恢復(fù)，但是直流避雷器沒(méi)有電流過(guò)零點(diǎn)利用，當(dāng)避雷器的阻值恢復(fù)到絕緣水平時(shí)就會(huì)被擊穿從而產(chǎn)生電弧(類似于開(kāi)關(guān)的拉閘電弧)。由此可知，產(chǎn)生電弧的本質(zhì)原因是由于電壓擊穿的速度大于絕緣恢復(fù)的速度。

3 滅弧技術(shù)研究

本文在現(xiàn)有的避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)避雷器滅弧系統(tǒng)?，F(xiàn)有的避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)避雷器泄露電流的大小和記錄避雷器釋放雷電流的次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)避雷器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［5］。

3.1 串電阻滅弧技術(shù)原理

由于直流避雷器產(chǎn)生電弧的原因是電壓過(guò)高，因此，若在避雷器動(dòng)作后能夠有效地降低避雷器所承受的電壓則能夠有效的滅弧。圖2為避雷器串聯(lián)電阻滅弧原理圖，圖中K1與K2為可控開(kāi)關(guān)，R為高壓電阻，CT為穿芯式電流互感器，Un為直流線路的額定電壓。其工作過(guò)程為:當(dāng)避雷器不動(dòng)作時(shí)，開(kāi)關(guān)K1閉合，開(kāi)關(guān)K2斷開(kāi)，此時(shí)，避雷器與大地連接而R、K2支路不導(dǎo)通。當(dāng)線路被雷擊，避雷器動(dòng)作，釋放完雷電流后，K1斷開(kāi)，與此同時(shí)，K2閉合。此時(shí)，避雷器與電阻R串聯(lián)于大地，電阻R兩端分得一定比例的電壓，這個(gè)電壓的大小由避雷器的等效阻值和電阻R的大小共同決定。假設(shè)電阻R的阻值為R1，避雷器的等效阻值為R2，輸電線路的額定電壓為Un，那么避雷器的端電壓U0的大小為:

避雷器未與電阻R串聯(lián)之前的端電壓為Un，串聯(lián)電阻R之后的端電壓明顯減小，因此達(dá)到了滅弧目的。

圖2 避雷器串聯(lián)電阻滅弧原理圖

3.2 避雷器滅弧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該滅弧系統(tǒng)在軟硬件上都能與避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很好的配合，甚至融入現(xiàn)有的避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)包括信號(hào)采集及其處理模塊、通信模塊、上位機(jī)中心管理系統(tǒng)模塊。信號(hào)采集及其處理模塊以ARM單片機(jī)為核心，對(duì)避雷器動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，還對(duì)避雷器的泄漏電流信號(hào)以及K1、K2狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);中央處理器將處理后的信號(hào)通過(guò)RS485總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中心管理系統(tǒng);而中心管理系統(tǒng)則采用C++Builder進(jìn)行開(kāi)發(fā)。當(dāng)雷電流從避雷器釋放掉后，從穿芯CT采集到的電流信號(hào)變小，中央處理器就開(kāi)始發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，控制K1、K2做出相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)滅弧。由于整個(gè)滅弧系統(tǒng)與原來(lái)的避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成到一起，并沒(méi)有作為一個(gè)獨(dú)立的模塊使用，因此減小了設(shè)備的體積，同時(shí)也便于管理。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)論

本文介紹了特高壓直流輸電系統(tǒng)的避雷器配置方案，通過(guò)分析直流線路避雷器產(chǎn)生電弧的原因，得出了直流避雷器產(chǎn)生電弧是因?yàn)殡妷簱舸┑乃俣却笥诒芾灼鹘^緣恢復(fù)的速度這個(gè)結(jié)論，以現(xiàn)有的避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種避雷器滅弧方案，該方案對(duì)于直流線路避雷器滅弧的研究具有一定的參考價(jià)值。

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［3］王玉平，張一鳴.特高壓直流避雷器的技術(shù)特點(diǎn)與分析［J］.電力設(shè)備，2007，8(3)：16-18.

［4］李盛濤，劉輔宜.直流避雷器有關(guān)技術(shù)問(wèn)題的討論［J］.電磁避雷器，1998，30(4)：3-4.

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