換流閥避雷器光電監(jiān)視模塊工作原理研究及其校驗(yàn)裝置研制

羅小彬

中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510663

0 引言

避雷器是變電站防雷保護(hù)的重要電氣設(shè)備，換流閥避雷器作用是防止換流閥遭受過電壓而損壞，同時記錄避雷器的動作情況，便于過電壓統(tǒng)計(jì)和事故分析[1-2]。

南方電網(wǎng)預(yù)試規(guī)程要求對換流站所有換流閥并聯(lián)避雷器光電監(jiān)視模塊進(jìn)行校驗(yàn)，在使用常規(guī)校驗(yàn)裝置對換流閥避雷器光電監(jiān)視模塊進(jìn)行校驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)各換流站內(nèi)閥廳避雷器光電監(jiān)視模塊無法正確動作，在同一校驗(yàn)輸出參數(shù)下，時而動作，時而不動作，因此無法確定其是否能夠在避雷器運(yùn)行時準(zhǔn)確反映避雷器動作情況。

SIEMENS 3EX-20型避雷器光電監(jiān)視模塊的結(jié)構(gòu)與常規(guī)避雷器計(jì)數(shù)器存在較大差異，為了規(guī)范該類型計(jì)數(shù)器的校驗(yàn)方法，有效評估閥避雷器光電監(jiān)視模塊工作狀態(tài)，需要對換流閥避雷器光電監(jiān)視模塊工作原理和校驗(yàn)方法進(jìn)行深入研究，研制換流閥避雷器光電監(jiān)視模塊專用校驗(yàn)裝置，以準(zhǔn)確判斷光電監(jiān)視模塊的運(yùn)行狀態(tài)[3-5]。

1 換流閥避雷器光電監(jiān)視模塊工作原理

SIEMENS 3EX-20型換流閥避雷器光電監(jiān)視模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光電監(jiān)視模塊結(jié)構(gòu)圖

流閥避雷器光電監(jiān)視模塊工作原理如圖2所示。當(dāng)避雷器承受持續(xù)運(yùn)行電壓時，避雷器底端經(jīng)電阻接地，泄漏電流經(jīng)電阻流入大地，一旦避雷器遭受過電壓作用時，放電電流非常大，一般為kA級別，流過電阻時會產(chǎn)生較大的電壓差，該電壓差加在電極的兩端，當(dāng)該電壓差大于間隙的擊穿電壓時，在電極的間隙產(chǎn)生電弧，為可見光，該可見光經(jīng)光纖傳輸至接收器，實(shí)現(xiàn)避雷器動作計(jì)數(shù)的功能。

圖2 流閥避雷器光電監(jiān)視模塊工作原理圖

2 避雷器光電監(jiān)視模塊校驗(yàn)方法

對避雷器光電模塊原理的分析可以得出，避雷器光電監(jiān)視模塊校驗(yàn)，即擊穿光電模塊內(nèi)的氣隙使電極對間產(chǎn)生電弧。

氣隙擊穿的3個必要條件如下：有足夠大的電場強(qiáng)度或足夠高的電壓；在氣隙中存在能引起電子崩并導(dǎo)致流注和主放電的有效電子；需要一定的時間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿。完成擊穿所需的放電時間是很短的（以微秒計(jì)），如果氣隙上所加的是直流電壓、工頻交流電壓等持續(xù)作用的電壓，則可以滿足這3個條件，但如果所加的是變化速度很快、作用時間很短的沖擊電壓，則因其有效作用時間亦以微秒計(jì)，因此放電時間成為一個關(guān)鍵因素，故根據(jù)氣隙擊穿的條件對常用的3種校驗(yàn)方法進(jìn)行分析。

2.1 大電容充放電法

輸出電壓為0～5 000 V，而放電時間不定，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，大電容充放電法適用于國產(chǎn)的JCQ、JS型避雷器計(jì)數(shù)器動作情況校驗(yàn)，只需對其提供一定的能量，或滿足對其計(jì)數(shù)器內(nèi)部的電容充電能量需求，均可使計(jì)數(shù)器動作，但是利用此方法，能夠擊穿換流閥避雷器光電模塊氣隙的概率極小。

2.2 浪涌發(fā)生器放電法

使用的浪涌發(fā)生器具體參數(shù)如下：電壓峰值Um=6 kV，波前時間t1=1.2 μs，半峰值時間t2=50 μs，誤差＞30%。

在使用浪涌發(fā)生器進(jìn)行某換流站極1閥廳換流閥避雷器光電監(jiān)視模塊校驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)大部分光電監(jiān)視模塊未動作，具體校驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 某換流站極1閥廳換流閥避雷器光電監(jiān)視模塊校驗(yàn)情況

2.3 標(biāo)準(zhǔn)波形雷電沖擊電壓發(fā)生器放電法

標(biāo)準(zhǔn)波形雷電沖擊電壓發(fā)生器輸出參數(shù)如下：電壓峰值Um=8 kV，波前時間t1=1.2 μs，半峰值時間t2=50 μs，電壓誤差＜3%。測試接線方式如圖3所示。

現(xiàn)場進(jìn)行換流閥避雷器光電模塊校驗(yàn)時，使用兩種長度（5 m和20 m）的電壓輸出線進(jìn)行測試，用于校核測試線長度對換流閥避雷器光電模塊動作情況的影響。具體測試結(jié)果如表2、表3所示。

表2 光電模塊測試數(shù)據(jù)表（電壓輸出線5 m）

表3 光電模塊測試數(shù)據(jù)表（電壓輸出線20 m）

經(jīng)測試得出，氣隙擊穿電壓存在一定離散型，范圍在4 600～5 300 V，儀器顯示電流較大時（＞1 000 A），模塊氣隙內(nèi)出現(xiàn)電弧；儀器顯示電流較小時（＜1 000 A），模塊氣隙內(nèi)未出現(xiàn)電弧。在電壓輸出線長度不同的情況下，發(fā)現(xiàn)相同輸出電壓下的動作電流差異較大，而且結(jié)果顯示，電壓輸出線越短，出現(xiàn)電流較大（＞1 000 A）的概率越大。

3 換流閥避雷器光電監(jiān)視模塊校驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)和性能

基于標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器，形成的一種換流閥避雷器光電模塊校驗(yàn)裝置，最大輸出電壓為8 kV，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 換流閥避雷器光電模塊校驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

對校驗(yàn)裝置的開路電壓和短路電流進(jìn)行誤差測試，結(jié)果如表4、表5所示。由表4、表5可知，誤差均在±3%以下。

表4 開路電壓誤差測試結(jié)果

表5 短路電流誤差測試結(jié)果

4 結(jié)論

（1）換流閥避雷器光電監(jiān)視模塊氣隙在標(biāo)準(zhǔn)的雷電沖擊電壓波作用下?lián)舸└怕矢蟆?/p>

（2）使用現(xiàn)場進(jìn)行換流閥光電監(jiān)視模塊校驗(yàn)時，電壓輸出線應(yīng)盡量縮短，減小輸出阻抗，降低輸出能量損耗。

（3）在進(jìn)行換流閥光電監(jiān)視模塊校驗(yàn)時，儀器顯示短路電流＞1 000 A時，而接收器未顯示動作信號，建議檢查光纖通道。