HVDC站內(nèi)直流轉換開關避雷器動作電流監(jiān)測裝置設計與應用

劉勁松， 禹晉云， 張啟浩， 孫小偉， 梁迪團

(中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明 650000)

0 引 言

直流轉換開關是高壓直流輸電工程中關鍵的設備之一。雙端直流系統(tǒng)的運行方式多樣，除通常采用的雙極接線方式外，在單極運行時還可采用大地回線或金屬回線接線方式[1-2]。當直流系統(tǒng)以單極大地回線運行時，將導致變電站內(nèi)以中性點接地方式運行的變壓器產(chǎn)生直流偏磁。此外，直流電流也會使直流系統(tǒng)中接地極極址的接地體出現(xiàn)電解腐蝕，在大電流時還會影響接地極極址的使用壽命[3-6]。在直流系統(tǒng)運行時，通常會在不中斷直流輸送功率的情況下對其接線方式進行在線轉換，即由單極大地回線轉換為單極金屬回線運行[7-9]。對上述接線方式進行在線轉換，即運行方式之間轉換，直流轉換開關的操作需要所并聯(lián)的避雷器組吸收大量能量限制過電壓才能完成開關開斷，避雷器若出現(xiàn)故障則會導致轉換失敗[10]。

在線同步采樣多柱避雷器動作電流是及時發(fā)現(xiàn)和更換特性退化的避雷器閥組，保障設備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要技術手段。目前，對金屬氧化物避雷器的動作電流進行監(jiān)測的設備相對較少。為實現(xiàn)動作電流的同步采樣，本文研究了一種無線通信的動作電流監(jiān)測裝置，具有高精度同步、高采樣率、短距離無線通信和非破壞安裝等優(yōu)勢。實測動作電流數(shù)據(jù)表明：監(jiān)測裝置能夠及時發(fā)現(xiàn)電流不均勻情況，避免避雷器被擊穿引起的非計劃停運，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

1 直流轉換開關構成及工作原理

直流開關一般由3 部分構成：①由交流斷路器改造而成的轉換開關B； ②以形成電流過零點為目的的LC振蕩回路；③以吸收開斷過程中產(chǎn)生能量為目的的非線性電阻R等耗能元件。非線性電阻、電感線圈和電容器安裝于絕緣平臺上，見圖1。

圖1 直流轉換開關原理圖

在雙極兩端中性點接地的直流輸電工程中，高壓直流轉換開關系統(tǒng)一般由 4 種不同類型的設備構成：金屬回線轉換斷路器(MRTB)、大地回線轉接開關(GRTS)、極中性線側的低壓高速開關(LVHS)和 雙極運行中性線臨時接地開關(NBGS)。

2 動作電流無線監(jiān)測裝置設計

為實現(xiàn)高精度同步、高采樣率、短距離無線通信和非破壞安裝等目標，動作電流無線監(jiān)測裝置包括ZIGBEE無線通信模塊、電源模塊、同步高速采樣模塊、測量通路和數(shù)據(jù)存儲模塊等。多個監(jiān)測模塊的動作電流數(shù)據(jù)經(jīng)ZIGBEE網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)匯集單元，最終經(jīng)光纖通路送至后臺服務器進行分析和處理，測量裝置及系統(tǒng)構成如圖2所示。

圖2 測量裝置及系統(tǒng)構成

2.1 通信方式

測量裝置安裝于直流轉換開關高壓側，如采用光纖通信的方式需要考慮一二次隔離，還需要增加額外設備，無法任意點安裝。因此對測量裝置需求是無源無線、體積小和方便安裝，同時不用破壞原有線路，也無需額外增加設備。測量裝置和數(shù)據(jù)匯集單元宜采用短距離無線通信方式。

2.2 供電及省電設計

考慮到測量裝置需要在多點安裝，設計上采用一次性電池的供電方?？紤]到環(huán)境的影響，選用電池工作溫度-40 ℃～85 ℃。同時，對于省電也做了充分考慮：測量裝置有兩種工作模式，分別為待機模式和實時監(jiān)測模式，由后臺軟件控制模式切換。在待機模式下，測量裝置以極低的功耗運行，等待來自后臺軟件的啟動命令。在收到啟動命令后，測量裝置進入正常運行狀態(tài)，即實時監(jiān)測模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸功能。

2.3 同步高速數(shù)據(jù)采樣

由于需要使用多個測量裝置采集的瞬時電流值才能計算出流過各支避雷器的電流波形，各測量裝置的數(shù)據(jù)采樣必須嚴格同步。采用北斗模塊作為時鐘同步源，比實際的同步精度少10 μs。在硬件設計上采用外置獨立的16位高速采樣A/D芯片，采樣率為51.2 kHz,確保能夠錄取暫態(tài)高頻分量。

2.4 監(jiān)測裝置結構設計

為便于在線纜或母排安裝，減少占用空間，無線通信動作電流監(jiān)測裝置采用緊湊外形設計，大幅減小裝置三維尺寸。為提高設備通用性，提高安裝效率，便于在線纜或母排上安裝，裝置包括主體和安裝支架兩部分，主體結構如圖3(a)所示，安裝支架如圖3(b)所示。

圖3 監(jiān)測裝置結構設計

2.5 現(xiàn)場安裝配置

由于換流站直流場并聯(lián)避雷器的結構緊湊，要求測量裝置必需要做到高度集成化設計以實現(xiàn)微型化，便于等電位安裝。安裝時無需解開導線，對設備和連接導線無破壞性。

測量裝置安裝在LC回路及避雷器頂端導線上，其安裝布置如圖4(a)所示；測量裝置及無線數(shù)據(jù)匯集單元現(xiàn)場安裝如圖4(b)所示，測量裝置安裝在避雷器頂端導線上，無線數(shù)據(jù)匯集單元安裝在電氣柜。測量裝置和數(shù)據(jù)匯集單元通過ZIGBEE無線傳輸數(shù)據(jù)。

3 現(xiàn)場測試與試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 換流站內(nèi)監(jiān)測設備布置方案

換流站的MRTB避雷器組為26柱并聯(lián)，頂端陣列連線較為復雜。最多需要4個動作電流監(jiān)測設備的測量值才能計算出某柱避雷器的動作電流，裝置間的采樣精確同步尤為關鍵。換流站的GRTS并聯(lián)避雷器為3柱并聯(lián)。綜合考慮數(shù)據(jù)計算的需要和安裝的便利性，最終確定MRTB避雷器組的動作電流監(jiān)測裝置布置方案如圖5(a)所示。GRTS并聯(lián)避雷器的監(jiān)測裝置布置方案如圖5(b)所示。

3.2 GTRS并聯(lián)避雷器的動作電流監(jiān)測值

為反映動作電流監(jiān)測裝置的監(jiān)測效果，本文以GTRS并聯(lián)避雷器的監(jiān)測結果為例，展開分析。轉換時刻，GRTS并聯(lián)避雷器進線處的電流波形及單柱避雷器的動作電流波形如圖6所示。由監(jiān)測波形可知，進線處電流開始處于震蕩發(fā)散狀態(tài)，與直流電流穩(wěn)態(tài)值疊加后，最終使進線處電流產(chǎn)生過零點，斷路器截止進線電流，進線處最大的電流接近600 A；電流截止后，斷口處產(chǎn)生動態(tài)過電壓，最終達到避雷器泄漏電流閾值，避雷器動作泄能。由監(jiān)測波形可知單柱避雷器動作時間約為1 000個采樣點，根據(jù)監(jiān)測裝置的采用頻率為51.2 kHz，則可得知動作時間大約為0.4 ms。

圖4 測量裝置及匯集單元安裝圖

圖5 動作電流監(jiān)測裝置布置方案

圖6 GRTS進線電流及單柱避雷器動作電流波形圖

3.3 RGTRS避雷器動作電流頻譜分析

GRTS避雷器動作電流頻譜，4次動作波形的頻譜分布一致，說明得益于并聯(lián)數(shù)目較低，GTRS并聯(lián)避雷器的伏安特性一致性較好，避雷器動作重復性良好。從頻域看， GRTS斷路器斷開時并聯(lián)避雷器動作波形的能量集中在200 Hz以下，峰值約18 Hz，如圖7所示，說明動作電流的能量集中在工頻附近，為避雷器閥組伏安特性優(yōu)化調(diào)整提供了參數(shù)依據(jù)。GRTS斷路器閉合時會產(chǎn)生幅度和頻率均較大的暫態(tài)電流流經(jīng)LC振蕩回路，4次GRTS斷路器閉合時的暫態(tài)電流波形和頻率(4 kHz)完全一致。

圖7 GTRS避雷器動作電流頻譜分析

4 結束語

為實現(xiàn)動作電流的同步采樣，本文研究了一種無線通信的動作電流監(jiān)測裝置，具有高精度同步、高采樣率、短距離無線通信和非破壞安裝等優(yōu)勢。實測動作電流數(shù)據(jù)表明，監(jiān)測裝置能夠充分準確反映并聯(lián)避雷器動作電流時的域變化規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)電流不均勻情況，通過多柱并聯(lián)避雷器動作數(shù)據(jù)比較以及歷史數(shù)據(jù)的對比，能提前發(fā)現(xiàn)特性變差的避雷器及異常的LC回路。該設備的投入使用能夠改進避雷器組現(xiàn)有檢修試驗策略和方法，縮短換流站停電檢修時間，具有重要的應用價值。