一種適用于柔直換流站閥廳避雷器在線監(jiān)測表計的研制

董偉峰 范映 陳金文 張雯婧

摘 ?要：廈門柔直換流站閥廳避雷器在線監(jiān)測表計在正常運行時，出現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)隨著系統(tǒng)功率負(fù)荷的變化而變化、監(jiān)測數(shù)據(jù)不能很好地反映避雷器運行工作狀態(tài)等問題。文章結(jié)合廈門柔直換流站閥廳避雷器的運行狀況，研制一種適用于柔直換流站閥廳避雷器在線監(jiān)測的表計。實現(xiàn)對閥廳避雷器泄露電流的有效測量，使監(jiān)測器不受系統(tǒng)諧波和現(xiàn)場空間諧波的影響，具有抗干擾能力強、數(shù)據(jù)監(jiān)測靈敏度強、顯示穩(wěn)定等特點，能夠正確反映柔直系統(tǒng)避雷器運行時的真實狀態(tài)，保證設(shè)備運行的可靠性。

關(guān)鍵詞：柔直換流站;閥廳;直流避雷器;在線監(jiān)測;監(jiān)測器

中圖分類號：TM933 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）02-0075-03

Abstract： When the on-line monitor meter of arrester in valve hall of Xiamen VSC-HVDC Station is in normal operation， the monitor data changes with the change of system power load， and the monitor data cannot well reflect the working state of arrester. In this paper， a meter for on-line monitoring of arrester in valve hall of Xiamen VSC-HVDC Station is developed based on the operating conditions of arrester in valve hall of Xiamen VSC-HVDC Station. It can effectively measure the leakage current of the arrester， so that the monitor is not affected by the system harmonics and the field space harmonics. It has the characteristics of strong anti-interference ability， strong data monitoring sensitivity and stable display， and can correctly reflect the real state of the lightning arrester in the flexible and straight system， and ensure the reliability of the equipment operation.

Keywords： VSC-HVDC Station; valve hall; DC arrester; online monitoring; monitor

引言

直流避雷器一般采用無間隙金屬氧化物避雷器。利用氧化物良好的非線性伏安特性，使在正常工作電壓時流過避雷器的電流很小。當(dāng)過電壓作用時，電阻急劇下降，泄放過電壓的能量，達(dá)到保護(hù)的效果。這種避雷器與傳統(tǒng)的避雷器的差異是它沒有放電間隙，利用氧化物的非線性曲線起到泄流和開斷的作用。

廈門柔直換流站避雷器分別安裝在換流變壓器閥側(cè)，閥廳上橋臂三相側(cè)和下橋臂三相側(cè)、直流極線側(cè)、直流中性線側(cè)。其中，換流變閥側(cè)避雷器位于橋臂電抗器室內(nèi)，直流極線側(cè)避雷器和直流中性線側(cè)避雷器位于直流場區(qū)域，上橋臂、下橋臂避雷器位于換流閥閥廳內(nèi)。

避雷器在線監(jiān)測所采用的方法通常是裝設(shè)泄漏電流表。

1 柔直換流站閥廳避雷器監(jiān)測器的現(xiàn)狀分析

廈門柔性直流換流站閥廳避雷器實際運行中，其監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了以下問題：

（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)隨著系統(tǒng)功率負(fù)荷的變化而變化，并呈現(xiàn)不同的差異。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)相對于避雷器正常運行的參數(shù)差距很

大，不能很好地反映避雷器的運行工作狀態(tài)。

采用常規(guī)的避雷器監(jiān)測方式對其泄露電流的有效值或平均值直接進(jìn)行監(jiān)測時，避雷器泄露電流出現(xiàn)了異常。當(dāng)系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)的運行電壓并沒有發(fā)生變化，而避雷器是壓敏設(shè)備，其泄露電流只會隨著電壓的變化而變化，因此這種泄露電流的變化是一種異常的變化，不是避雷器真正運行電流的變化，不能正確反映避雷器的運行健康狀態(tài)。

避雷器運行時的等效電路如圖1所示。從圖1可以看出，避雷器可以等效為一個壓敏電阻和一個電容的并聯(lián)電路。在持續(xù)運行電壓下，正常避雷器的內(nèi)部泄漏電流中以基波為主，包含容性成分IC和阻性成分IR，IC主要為基波成分，IR則除含有基波成分外，還含有豐富的諧波成分，這是由避雷器的非線性特性造成的。阻性電流和容性電流合成全電流從避雷器的底端流出，形成避雷器的泄露電流IX。

根據(jù)柔直工程閥廳避雷器的運行環(huán)境和運行工況可知：

（1）在IGBT啟動和穩(wěn)定運行時，會產(chǎn)生大量的空間電磁場;

（2）IGBT帶負(fù)荷時，系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的諧波直接疊加到避雷器上;

（3）系統(tǒng)中同時存在直流和交流成分，疊加后共同作用在避雷器上面。

綜上所述，對于柔直工程閥廳運行的避雷器，由于運行系統(tǒng)和環(huán)境的復(fù)雜性，造成實際上匯流到避雷器底端的電流成分很復(fù)雜，既含有避雷器本體的正常的泄露電流（包括容性分量和阻性分量），又還含有系統(tǒng)的直流阻性分量、系統(tǒng)中存在的與諧波次數(shù)成正比的高次諧波容性分量以及空間電磁場耦合的與諧波次數(shù)成正比的高次諧波分量，正是由于柔直工程避雷器底端的電流存在如此的復(fù)雜性，才造成常規(guī)的采用直接監(jiān)測避雷器底端電流的有效值的方式以及平均值方式出現(xiàn)監(jiān)測電流不合理的狀況。

2 柔直換流站閥廳避雷器監(jiān)測器的研究現(xiàn)狀

普通泄漏電流表，一般是將避雷器的泄露電流進(jìn)行整流轉(zhuǎn)換成平均值，然后依據(jù)交流信號的平均值和有效值的對應(yīng)關(guān)系，換算成有效值進(jìn)行顯示，顯示采用就地指針式表頭顯示。隨著在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，目前出現(xiàn)了可以遠(yuǎn)傳信號的在線監(jiān)測器，將就地顯示的有效值信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采用RS-485接口的方式進(jìn)行傳送給后臺，在后臺進(jìn)行集中顯示。

廈門柔直工程閥廳避雷器實際運行中，出現(xiàn)了泄漏電流表計的監(jiān)測數(shù)據(jù)隨著功率變化不穩(wěn)定的現(xiàn)象。由于廈門柔直工程閥廳避雷器的泄露電流存在直流，交流和諧波分量，而將避雷器的泄露電流整流轉(zhuǎn)換成平均值的普通交流避雷器，在柔直換流站閥廳復(fù)雜工況下不適應(yīng)。因此有必要在柔直工程的不同運行工況下，對避雷器的泄露電流變化進(jìn)行分析。

3 柔直換流站閥廳避雷器監(jiān)測器的優(yōu)化設(shè)計

3.1 柔直換流站閥廳避雷器監(jiān)測器原理

在避雷器實際運行過程中，對避雷器的運行狀態(tài)造成影響的實際上只是阻性電流。根據(jù)其系統(tǒng)運行特點和避雷器的工作特性，主要需要監(jiān)測其基波分量、三次諧波分量以及直流分量。其中直流分量為純阻性電流部分;三次諧波分量反映了避雷器的非線性部分的變化，而非線性部分就是等效的壓敏電阻部分，所以反映的阻性電流部分;而基波中既含有容性電流的基波也含有阻性電流的基波，但是由于避雷器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其等效電容值基本不會發(fā)生改變，所以容性電流的基波部分在運行中基本不會發(fā)生改變。所以如果基波發(fā)生了變化，一般是由阻性電流的基波的改變引起的，這是由于避雷器長期運行在工頻電壓下，其電阻特性或者內(nèi)部密封等原因造成其電阻的線性部分的改變引起的。而周圍電磁場以及系統(tǒng)高次諧波的影響基本都是三次以上的高次諧波，而且絕大部分是容性電流部分，所以不會對避雷器的運行健康狀況造成影響。因此，對于柔性直流工程閥廳中的避雷器，只需要采用合適的數(shù)據(jù)采集和處理方案提取其泄露電流中的直流分量、基波和三次諧波并對其監(jiān)測和判斷即可。

3.2 柔直換流站閥廳避雷器監(jiān)測器優(yōu)化改進(jìn)

基于上述分析，確定柔直換流站閥廳中的避雷器在線監(jiān)測器的數(shù)據(jù)采集與處理的方案如下：

對避雷器泄露電流信號直接進(jìn)行實時交流采樣，將含有直流、交流和高次諧波分量的電流信號進(jìn)行按照基波的整周期采集。

對采集后的周期信號進(jìn)行加窗運算，消除掉采樣矩形窗引起頻譜泄露。

對信號進(jìn)行快速傅里葉變化，提取出泄露電流中的直流分量、基波分量以及高次諧波分量等信號。

分別計算直流分量和工頻交流分量的有效值并進(jìn)行合成，作為避雷器的泄露電流的真有效值原理如圖2所示，避雷器底端的泄漏電流經(jīng)過取樣電阻R5轉(zhuǎn)換為電壓信號送到CPU的A/D輸入端，有CPU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行交流采樣;避雷器的動作電流經(jīng)過取樣電桿T轉(zhuǎn)化為脈沖送給CPU的中斷口INT，CPU通過中斷方式對避雷器的動作次數(shù)進(jìn)行計數(shù)。對泄露電流進(jìn)行交流采樣以后采用FFT數(shù)字處理算法，分離出泄露電流的直流分量和基波工頻分量，其余的高頻分量進(jìn)行濾除，然后采用有效值算法計算出直流和交流工頻電流的有效值，連同計數(shù)次數(shù)一起在LED顯示器上進(jìn)行顯示。同時通過串口將電流值和動作次數(shù)送給CPU外部的RS-485隔離器進(jìn)行隔離和RS-485電平的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過輸出接口進(jìn)行輸出，同時輸出接口接入外部直流電源送個電源隔離器，隔離后的直流電給整個表計的內(nèi)部電路供電。由于采用了RS-485和電源隔離措施，是表計的內(nèi)部電路和外部接口在電氣上完全隔離，保障了避雷器動作時表計的可靠工作。

為實現(xiàn)上述方案，在線監(jiān)測器中數(shù)據(jù)采集與處理的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

由圖3可知，通過采樣電阻將泄露電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，利用AD轉(zhuǎn)換器對于避雷器底端的泄露電流直接進(jìn)行交流采樣，采用信號諧波分析技術(shù)提取其中的有效信號：直流分量、基波和三次諧波分量，通過有效值算法計算出能夠反映流過避雷器的真實的有效分量，濾除掉系統(tǒng)的高頻分量及空間高頻電磁干擾分量，使能夠真正反映避雷器泄露電流的信號保留下來，以正確反映避雷器的運行狀態(tài)。

3.3 柔直換流站閥廳避雷器監(jiān)測器結(jié)構(gòu)方案

為保障新改進(jìn)監(jiān)測器和原監(jiān)測器的兼容性，便于現(xiàn)場安裝和替換升級，在監(jiān)測器的外形和結(jié)構(gòu)以及對外信號輸出接口等方面都采用原監(jiān)測器的結(jié)構(gòu)和尺寸，現(xiàn)場就地顯示部分采用便于觀察的大尺寸高亮度LED進(jìn)行數(shù)據(jù)實時顯示，同時可以保障現(xiàn)場就地顯示和后臺顯示數(shù)據(jù)的一致性。其外形結(jié)構(gòu)及表計內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

一種具有數(shù)字信號輸出的適用于柔直換流站閥廳避雷器的防爆式在線監(jiān)測表計，包括座體、殼體、電氣元件，殼體后面設(shè)置有航空插頭，電氣元件還含有處理器模塊及A/D轉(zhuǎn)換模塊，處理器模塊與航空插頭相連。在殼體上設(shè)置了與電氣元件連接的航空插頭，插頭內(nèi)具有485通信接口，電氣元件輸出的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后通過處理器就地采用高亮度的LED進(jìn)行顯示，同時可以輸出485數(shù)字信號，從而能夠?qū)⒈芾灼鞯倪\行參數(shù)上傳。此外，通過設(shè)置防爆孔，實現(xiàn)更好的防爆效果。

該避雷器在監(jiān)測表計的結(jié)構(gòu)，底座6為壓鑄鋁座，殼體3為不銹鋼外殼，殼體3正對顯示面板15的前側(cè)面上開設(shè)有顯示通孔，顯示通孔上設(shè)有透明面板。

殼體3內(nèi)設(shè)有釋壓防爆蓋12，以與底座6連接構(gòu)成釋壓防爆室，放電間隙11位于釋壓防爆蓋12內(nèi)。底座6后側(cè)面上設(shè)有防爆孔5。

殼體3內(nèi)設(shè)有線路板13，線路板13上設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換模塊、處理器、顯示驅(qū)動模塊14和顯示面板15。底座6后側(cè)面上部的瓷套2與導(dǎo)電桿1連接，導(dǎo)電桿1通過瓷套2和第一絕緣墊8與底座6絕緣。內(nèi)部導(dǎo)電桿16一端與導(dǎo)電桿1連接，另一端連接到放電間隙右觸點，放電間隙右觸點與設(shè)于底座6上的放電間隙左觸點組成放電間隙11，提供避雷器動作時的放電回路。

內(nèi)部導(dǎo)電桿16旁側(cè)設(shè)有計數(shù)傳感器9，以檢測避雷器的動作次數(shù)，計數(shù)傳感器9與線路板13連接，內(nèi)部導(dǎo)電桿16旁側(cè)還設(shè)有導(dǎo)線17，以檢測避雷器的泄露電流，導(dǎo)線17與線路板13連接。

顯示面板15為LED顯示屏，以顯示避雷器的動作次數(shù)和泄露電流。航空插頭4內(nèi)具有485通信接口，485通信接口與線路板13上的處理器連接。A/D轉(zhuǎn)換模塊為交流采樣，采樣時間為20ms。處理器處理的是泄露電流的真有效值，通過對基波和直流分量的計算來獲得。

3.4 柔直換流站閥廳避雷器監(jiān)測器改進(jìn)后優(yōu)點

改進(jìn)后的針對柔直系統(tǒng)閥廳避雷器在線監(jiān)測方法具有以下的優(yōu)點：

對避雷器泄露電流的監(jiān)測為有效值測量，抗干擾能力強。對于柔直換流站閥廳內(nèi)的避雷器泄露電流，其有效成為為直流分量和工頻基波分量，其余的高次諧波分量均為干擾信號。傳統(tǒng)的直接整流方式將這些分量全部統(tǒng)一整流成直流并求其平均值，實際上是將高次諧波的干擾信號一并作為有效值進(jìn)行測量，所以其測量值不是避雷器泄露電流的真是的有效值，含有高次諧波干擾，因此其測量數(shù)據(jù)會偏高，不能正確反映避雷器的實際運行電流。本方法可以消除高次諧波信號的干擾，同時采用了正確的有效值算法，能夠正確測量出含有直流和工頻諧波分量的有效值，為泄露電流的真有效值測量。

新的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠反映柔直系統(tǒng)閥廳避雷器運行時的實際運行狀態(tài)，不受系統(tǒng)諧波和現(xiàn)場空間諧波的影響。

在系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生變化時，泄露電流監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠保持穩(wěn)定，并能夠正確反映避雷器的運行狀態(tài)。

當(dāng)避雷器的性能發(fā)生劣變時，系統(tǒng)的泄露電流監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠靈敏的反映出來，并能夠及時報警。

4 結(jié)束語

相對于常規(guī)的避雷器在線監(jiān)測表計，本文設(shè)計了一種適用于柔直換流站閥廳避雷器在線監(jiān)測的表計，該在線監(jiān)測表計結(jié)構(gòu)不僅能實時正確監(jiān)測閥廳內(nèi)避雷器的運行狀態(tài)，而且結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理。具有很強的實用性及應(yīng)用前景。

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