高壓直流轉(zhuǎn)換開關(guān)避雷器改造方案研究

盧毓欣，趙曉斌，秦康，徐迪臻，辛清明，郭龍

（直流輸電技術(shù)國家重點實驗室（南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司），廣東廣州 510663）

0 引言

高壓直流轉(zhuǎn)換開關(guān)是實現(xiàn)直流輸電工程單極運行方式轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備。國內(nèi)高壓直流工程包括葛南直流輸電工程［1-2］、天廣直流輸電工程［3］、云廣直流輸電工程［4］、銀東直流輸電工程［5-7］、團(tuán)林直流輸電工程［8］等，在進(jìn)行大地/金屬方式轉(zhuǎn)換時，曾發(fā)生過數(shù)次MRTB 或ERTB 故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失敗，分析原因多為振蕩回路避雷器閥片故障、柱間特性不一致等導(dǎo)致避雷器擊穿所致。與直流輸電工程中其他類型直流避雷器相比，直流轉(zhuǎn)換開關(guān)避雷器的運行工況較為特殊，其工作吸收能量大，通流時間長［9-13］。一般直流避雷器通流持續(xù)時間不超過數(shù)毫秒，而直流轉(zhuǎn)換開關(guān)避雷器動作持續(xù)時間較長，可達(dá)幾十至幾百毫秒，目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對于直流避雷器的長波小電流工況并無相應(yīng)考核要求［14-15］。部分工程直流轉(zhuǎn)換開關(guān)避雷器操作沖擊保護(hù)水平/參考電壓（壓比）較高，運行條件較苛刻。本文以MRTB 避雷器為例，計算分析增加直流轉(zhuǎn)換開關(guān)避雷器柱數(shù)和增加每柱串聯(lián)閥片數(shù)兩種改造方式對避雷器動作時間和壓比等參數(shù)的影響，判斷其是否能夠改善避雷器的運行環(huán)境，明確換流站MRTB 避雷器改造的可行性和必要性。

1 直流工程MRTB避雷器技術(shù)參數(shù)

以南方電網(wǎng)公司部分直流工程為例，MRTB 避雷器設(shè)計參數(shù)和實際供貨參數(shù)配置如表1 所示。MRTB 避雷器操作沖擊保護(hù)水平/參考電壓（壓比）如表2所示。

表1 MRTB避雷器參數(shù)Tab.1 Parameters of MRTB arrester

表2 MRTB避雷器壓比Tab.2 Ratio of residual voltage to reference voltage of MRTB arrester

直流系統(tǒng)單極運行方式轉(zhuǎn)換過程中，MRTB 避雷器吸收能量大，單次轉(zhuǎn)換過程吸收能量一般達(dá)十幾MJ，避雷器需采用多柱并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，對避雷器的均流特性和能量耐受能力的要求高。±800 kV 普僑和楚穗直流工程由廠家A 供貨，±500 kV 金中與牛從直流工程由廠家B 供貨。金中與牛從直流工程實際供貨的避雷器柱數(shù)和能量裕度是普僑和楚穗直流工程的數(shù)倍，壓比略低。比如牛從直流工程MRTB 避雷器柱數(shù)約為普僑直流工程的6 倍，牛從和普僑直流工程MRTB 避雷器的壓比分別是1.16和1.22～1.27。

2 MRTB避雷器改造方案及參數(shù)設(shè)計

以±800 kV 普僑直流為例，對MRTB 避雷器增加柱數(shù)或每柱片數(shù)的改造方案可行性和必要性進(jìn)行分析計算。經(jīng)比較多家主流直流避雷器廠家最新提供的直流工程用避雷器閥片的單閥片伏安特性，確定采用其中一種閥片特性進(jìn)行計算即可。廠家A 提供的直流工程用避雷器單閥片典型伏安特性如圖1和表3 所示，以其為例，對普洱換流站MRTB 避雷器改造方案重新進(jìn)行配置計算。

圖1 避雷器單閥片伏安特性曲線Fig.1 Volt-ampere characteristics curve of single valve of arrester

表3 避雷器單閥片伏安特性Tab.3 Volt-ampere characteristics of single valve of arrester

普洱換流站原MRTB 避雷器設(shè)計保護(hù)水平124 kV，配合電流3.2 kA，實際供貨64 柱?；趶S家最新提供的典型避雷器閥片伏安特性，在保護(hù)水平不變的基礎(chǔ)上，單柱最多可配置21片閥片。

本文對增加避雷器柱數(shù)和增加避雷器每柱串聯(lián)閥片數(shù)兩類改造方案進(jìn)行對比，包括以下方案。

1）單柱配置20片閥片，64柱。

2）單柱配置21片閥片，64柱。

3）單柱配置21片閥片，128柱。

4）單柱配置21片閥片，320柱。

5）單柱配置25片閥片，64柱。

6）單柱配置28片閥片，64柱。

7）單柱配置30片閥片，64柱。

8）單柱配置40片閥片，64柱。

9）單柱配置50片閥片，64柱。

3 MRTB避雷器改造方案仿真分析

對普洱站MRTB 避雷器各改造方案進(jìn)行仿真計算。在3 795 A（1.2 倍過負(fù)荷電流）、3 125 A（額定電流）、2 400 A 和1 200 A 直流運行電流下轉(zhuǎn)換時，不同MRTB 避雷器配置方案對應(yīng)的避雷器殘壓、沖擊電流、通流時間和吸收能量對比如表4 至表7所示。其中吸收能量能力按每柱避雷器在5 mA參考電壓下5 kJ/kV 估算得到。原普洱MRTB 避雷器給出1 mA 參考電壓為102 kV，與采用21 片現(xiàn)閥片類似，對應(yīng)吸收能量能力27.2 MJ。3 795 A 直流運行電流下避雷器采用64柱每柱21片，320柱每柱21 片，64 柱每柱50 片的MRTB 避雷器應(yīng)力波形如圖2 至圖4 所示；1 200 A 直流運行電流下避雷器采用64 柱每柱21 片的MRTB 避雷器應(yīng)力波形如圖5所示。

表7 1 200 A直流運行電流下轉(zhuǎn)換的MRTB避雷器應(yīng)力Tab.7 Stress of MRTB arrester under 1 200 A DC operating current conversion

圖2 3 795 A直流運行電流下轉(zhuǎn)換的MRTB避雷器應(yīng)力（21片，64柱）Fig.2 Stress of MRTB arresters under 3 795 A DC operating current conversion with 64 columns and 21 valve per column

圖3 3 795 A直流運行電流下轉(zhuǎn)換的MRTB避雷器應(yīng)力（21片，320柱）Fig.3 Stress of MRTB arresters under 3 795 A DC operating current conversion with 320 columns and 21 valve per column

圖4 3 795 A直流運行電流下轉(zhuǎn)換的MRTB避雷器應(yīng)力（50片，64柱）Fig.4 Stress of MRTB arresters under 3 795 A DC operating current conversion with 64 columns and 50 valve per column

圖5 1 200 A直流運行電流下轉(zhuǎn)換的MRTB避雷器應(yīng)力（21片，64柱）Fig.5 Stress of MRTB arresters under 1 200 A DC operating current conversion with 64 columns and 21 valve per column

表4 3 795 A直流運行電流下轉(zhuǎn)換的MRTB避雷器應(yīng)力Tab.4 Stress of MRTB arrester under 3 795 A DC operating current conversion

根據(jù)仿真分析，兩類改造方案中，增加每柱片數(shù)可顯著降低避雷器通流時間，降低吸收能量和沖擊電流，增大吸收能量裕度，但也會顯著提高避雷器保護(hù)水平，即使片數(shù)增加較多對降低避雷器殘壓/參考電壓比值也非常不明顯。增加柱數(shù)可顯著提高吸收能量裕度，可降低避雷器殘壓/參考電壓值，但柱數(shù)需增加較多作用才較為明顯。此外避雷器最大放電電流略增，避雷器通流時間微增。

表5 3 125 A直流運行電流下轉(zhuǎn)換的MRTB避雷器應(yīng)力Tab.5 Stress of MRTB arrester under 3 125 A DC operating current conversion

表6 2 400 A直流運行電流下轉(zhuǎn)換的MRTB避雷器應(yīng)力Tab.6 Stress of MRTB arrester under 2 400 A DC operating current conversion

基于表3 中的避雷器閥片伏安特性曲線，若要將避雷器殘壓/參考電壓控制在1.15 以內(nèi)，僅通過增加柱數(shù)的方式和僅通過增加片數(shù)的方式需要的柱數(shù)和片數(shù)如表8 所示?？梢娫陬~定電流及以上無法將避雷器殘壓/1 mA參考電壓控制在1.15以內(nèi)。

表8 滿足將殘壓/參考電壓控制在1.15以下的柱數(shù)和片數(shù)方案Tab.8 The number of columns and pieces meeting the residual voltage/reference voltage below 1.15

另外，通過避雷器伏安特性也可大致測算并聯(lián)若干柱后對應(yīng)殘壓與參考電壓之比，即根據(jù)柱數(shù)計算最大沖擊電流時單柱流過電流，該電流對應(yīng)的電壓與參考電壓之比。在1.2 p.u.過負(fù)荷電流轉(zhuǎn)換時，若以1 mA 參考電壓為基準(zhǔn)，采用64 柱（2 倍）并聯(lián)時該比值約為1.19（對應(yīng)50 A），采用320 柱（5倍）并聯(lián)時該比值約為1.16（對應(yīng)10 A）。

為改善避雷器長波小電流特殊運行工況，考慮盡量將避雷器通流時間限制在100 ms 內(nèi)。基于表3中的避雷器閥片伏安特性曲線，額定電流及以下轉(zhuǎn)換時，避雷器通流時間均在100 ms 以內(nèi)；1.2 倍過負(fù)荷電流轉(zhuǎn)換時，避雷器串聯(lián)閥片數(shù)需增加至26片，在不增加避雷器串聯(lián)閥片數(shù)的情況下無法將避雷器通流時間控制在100 ms以內(nèi)。

增加避雷器柱數(shù)和片數(shù)的措施都可明顯提高避雷器吸收能量安全裕度。為盡量降低避雷器殘壓/參考電壓比值，只能增加避雷器并聯(lián)柱數(shù)，采用該措施主要影響設(shè)備布置，不會對避雷器外相關(guān)設(shè)備造成影響。增加避雷器片數(shù)可降低避雷器通流時間，但無法明顯降低壓比，且避雷器保護(hù)水平抬高后需校核MRTB 原斷路器及振蕩回路電容器、電抗器絕緣水平以及相關(guān)布置。

除避雷器本身參數(shù)配置變化可對避雷器應(yīng)力造成影響外，MRTB 進(jìn)行轉(zhuǎn)換時的直流運行電流對避雷器應(yīng)力影響也非常顯著。低功率情況下轉(zhuǎn)換時的避雷器應(yīng)力較低。現(xiàn)有避雷器在2 400 A 直流運行電流下轉(zhuǎn)換能量裕度約為500%，在3 125 A 下轉(zhuǎn)換能量裕度約為200%。若在轉(zhuǎn)換時避雷器出現(xiàn)1支故障損壞情況，可拆除該支繼續(xù)運行。

仿真對比了采用16 臺，每臺內(nèi)并4 柱的MRTB避雷器配置，考慮全部避雷器和因損壞減少1 臺避雷器的情況，在2 400 A 直流運行電流下轉(zhuǎn)換時的MRTB 避雷器應(yīng)力，以及全部避雷器在3 125 A 額定直流電流下轉(zhuǎn)換時的MRTB 避雷器應(yīng)力，計算結(jié)果見表9。可見同等電流下減少1 臺避雷器后對殘壓、沖擊電流、吸收能量影響都不大，減少1 臺避雷器后在2 400 A 下轉(zhuǎn)換仍遠(yuǎn)小于避雷器數(shù)量未減少時在3 125 A 下轉(zhuǎn)換時的避雷器應(yīng)力。在并聯(lián)支數(shù)更多的情況下，減少1 臺的影響會更小，在避雷器故障臺數(shù)不多的情況下具備壞一臺拆一臺繼續(xù)運行的可行性。

表9 MRTB避雷器應(yīng)力Tab.9 Stress of MRTB arrester

4 對設(shè)備絕緣水平和布置的影響

若增加單柱避雷器片數(shù)，將提高避雷器殘壓，需校核原MRTB 斷路器以及振蕩回路設(shè)備絕緣水平。

普僑直流MRTB 斷路器、振蕩回路電容器和電抗器端間雷電沖擊絕緣水平和操作沖擊絕緣水平分別不低于450 kV/325 kV、250 kV/150 kV 和95 kV/-。

每柱閥片40 片以下時斷路器絕緣水平可滿足裕度要求，每柱閥片50 片以上時斷路器絕緣水平無法滿足裕度要求。

經(jīng)仿真計算，3 795 A 過負(fù)荷電流下轉(zhuǎn)換時，當(dāng)每柱閥片分別為21/28/40/50 片，電容器端間電壓分別為126/165/230/287 kV，電抗器端間電壓均為14 kV。避雷器殘壓與電容器端間電壓相近，電抗器端間電壓基本不受影響。

根據(jù)計算結(jié)果，每柱閥片不超過21 片才能使電容器絕緣水平保持為250/150 kV（LIWL/SIWL）不變，否則需要提高電容器絕緣水平。如需更換電容器，對造價和布置均有影響。

MRTB 斷路器與直流電流測量裝置串聯(lián)后，與振蕩回路避雷器、電容器、電抗器并聯(lián)。若增加避雷器柱數(shù)，在避雷器單層布置的情況下，振蕩回路設(shè)備平臺占地面積需加大。若增加單柱避雷器片數(shù)，還需對各設(shè)備間空氣凈距及底部平臺受力進(jìn)行校核。

5 避雷器故障概率計算

按照現(xiàn)有避雷器標(biāo)準(zhǔn)開展的避雷器閥片試驗無法達(dá)到全檢驗的效果，閥片存在一定缺陷率，在質(zhì)量控制較好的情況下缺陷率水平約為千分之幾。以普僑直流為例，MRTB 避雷器共16 臺，每臺內(nèi)并4柱，每柱24 個閥片。假定避雷器單個閥片的缺陷率分別為0.3%和0.1%的情況下，不同避雷器總臺數(shù)時避雷器故障臺數(shù)概率圖如圖6 和圖7 所示?？梢婋S著避雷器柱數(shù)增加，發(fā)生避雷器故障概率提高。柱數(shù)增加后每柱避雷器通流減小，避雷器故障率可能會有所降低，但目前無詳細(xì)支撐數(shù)據(jù)。

圖6 避雷器故障臺數(shù)概率圖（單片閥片缺陷概率0.1%）Fig.6 Probability diagram of the number of fault arresters when the defect probability of a single valve is 0.1%

圖7 避雷器故障臺數(shù)概率圖（單片閥片缺陷概率0.3%）Fig.7 Probability diagram of the number of fault arresters when the defect probability of a single valve is 0.3%

6 結(jié)論

基于典型避雷器閥片伏安特性曲線，對于普洱換流站MRTB 避雷器進(jìn)行了改造方案計算分析，結(jié)論如下：

1）通過增加柱數(shù)和增加片數(shù)兩種方式可顯著提高吸收避雷器吸收能量裕度，降功率轉(zhuǎn)換也有明顯的效果。但現(xiàn)有避雷器吸收能量裕度足夠無需加大。

2）在一定功率下轉(zhuǎn)換時，增加片數(shù)將提高避雷器殘壓，增加柱數(shù)可降低避雷器殘壓的幅度非常有限。降功率轉(zhuǎn)換對于降低過電壓和壓比有效。

3）額定及以下電流下轉(zhuǎn)換時，避雷器通流時間均在100 ms 以內(nèi)；1.2 倍過負(fù)荷電流下轉(zhuǎn)換時，避雷器串聯(lián)閥片數(shù)需增加至26 片才能將避雷器通流時間控制在100 ms以內(nèi)，增加避雷器柱數(shù)無法降低避雷器通流時間。3 125 A/2 400 A/1 200 A 下轉(zhuǎn)換的通流時間約為1.2 倍過負(fù)荷轉(zhuǎn)換時的70%/50%/25%，吸收能量約為1.2 倍過負(fù)荷轉(zhuǎn)換時的60%/35%/6%。

4）增加避雷器片數(shù)將顯著提高M(jìn)RTB 斷路器和振蕩回路電容器絕緣水平要求。

綜上，增加避雷器柱數(shù)對改善避雷器運行特性無明顯作用，增加避雷器單柱片數(shù)可降低避雷器通流時間，但將提高斷路器和振蕩回路電容器絕緣水平，因此不建議對已建工程進(jìn)行相關(guān)改造。現(xiàn)場可在較低功率水平下進(jìn)行轉(zhuǎn)換以降低避雷器應(yīng)力。若避雷器能量裕度足夠，在因閥片缺陷引起避雷器故障的情況下可采取拆除故障臺并繼續(xù)運行的措施。對于新建工程，應(yīng)加強(qiáng)避雷器閥片質(zhì)量控制和試驗檢驗，降低工程使用的閥片缺陷概率，提升柱間特性一致性。

南方電網(wǎng)昆明特高壓試驗研究基地