高壓直流轉換開關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

（直流輸電技術國家重點實驗室（南方電網科學研究院有限責任公司），廣東廣州 510663）

0 引言

高壓直流轉換開關是實現直流輸電工程單極運行方式轉換的重要設備。國內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］、團林直流輸電工程［8］等，在進行大地/金屬方式轉換時，曾發生過數次MRTB 或ERTB 故障導致轉換失敗，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，直流轉換開關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時間不超過數毫秒，而直流轉換開關避雷器動作持續時間較長，可達幾十至幾百毫秒，目前相關標準中對于直流避雷器的長波小電流工況并無相應考核要求［14-15］。部分工程直流轉換開關避雷器操作沖擊保護水平/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換開關避雷器柱數和增加每柱串聯閥片數兩種改造方式對避雷器動作時間和壓比等參數的影響，判斷其是否能夠改善避雷器的運行環境，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避雷器技術參數

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

表1 MRTB避雷器參數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

直流系統單極運行方式轉換過程中，MRTB 避雷器吸收能量大，單次轉換過程吸收能量一般達十幾MJ，避雷器需采用多柱并聯的結構，對避雷器的均流特性和能量耐受能力的要求高?！?00 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和能量裕度是普僑和楚穗直流工程的數倍，壓比略低。比如牛從直流工程MRTB 避雷器柱數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設計

以±800 kV 普僑直流為例，對MRTB 避雷器增加柱數或每柱片數的改造方案可行性和必要性進行分析計算。經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 避雷器設計保護水平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，在保護水平不變的基礎上，單柱最多可配置21片閥片。

本文對增加避雷器柱數和增加避雷器每柱串聯閥片數兩類改造方案進行對比，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行仿真計算。在3 795 A（1.2 倍過負荷電流）、3 125 A（額定電流）、2 400 A 和1 200 A 直流運行電流下轉換時，不同MRTB 避雷器配置方案對應的避雷器殘壓、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 片現閥片類似，對應吸收能量能力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 避雷器應力波形如圖5所示。

表7 1 200 A直流運行電流下轉換的MRTB避雷器應力Tab.7 Stress of MRTB arrester under 1 200 A DC operating current conversion

圖2 3 795 A直流運行電流下轉換的MRTB避雷器應力（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直流運行電流下轉換的MRTB避雷器應力（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直流運行電流下轉換的MRTB避雷器應力（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直流運行電流下轉換的MRTB避雷器應力（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直流運行電流下轉換的MRTB避雷器應力Tab.4 Stress of MRTB arrester under 3 795 A DC operating current conversion

根據仿真分析，兩類改造方案中，增加每柱片數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水平，即使片數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直流運行電流下轉換的MRTB避雷器應力Tab.5 Stress of MRTB arrester under 3 125 A DC operating current conversion

表6 2 400 A直流運行電流下轉換的MRTB避雷器應力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，僅通過增加柱數的方式和僅通過增加片數的方式需要的柱數和片數如表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。

表8 滿足將殘壓/參考電壓控制在1.15以下的柱數和片數方案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若干柱后對應殘壓與參考電壓之比，即根據柱數計算最大沖擊電流時單柱流過電流，該電流對應的電壓與參考電壓之比。在1.2 p.u.過負荷電流轉換時，若以1 mA 參考電壓為基準，采用64 柱（2 倍）并聯時該比值約為1.19（對應50 A），采用320 柱（5倍）并聯時該比值約為1.16（對應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?；诒?中的避雷器閥片伏安特性曲線，額定電流及以下轉換時，避雷器通流時間均在100 ms 以內；1.2 倍過負荷電流轉換時，避雷器串聯閥片數需增加至26片，在不增加避雷器串聯閥片數的情況下無法將避雷器通流時間控制在100 ms以內。

增加避雷器柱數和片數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柱數，采用該措施主要影響設備布置，不會對避雷器外相關設備造成影響。增加避雷器片數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布置。

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

仿真對比了采用16 臺，每臺內并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 直流運行電流下轉換時的MRTB 避雷器應力，以及全部避雷器在3 125 A 額定直流電流下轉換時的MRTB 避雷器應力，計算結果見表9?？梢娡入娏飨聹p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 下轉換仍遠小于避雷器數量未減少時在3 125 A 下轉換時的避雷器應力。在并聯支數更多的情況下，減少1 臺的影響會更小，在避雷器故障臺數不多的情況下具備壞一臺拆一臺繼續運行的可行性。

表9 MRTB避雷器應力Tab.9 Stress of MRTB arrester

4 對設備絕緣水平和布置的影響

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

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。

經仿真計算，3 795 A 過負荷電流下轉換時，當每柱閥片分別為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。

根據計算結果，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后，與振蕩回路避雷器、電容器、電抗器并聯。若增加避雷器柱數，在避雷器單層布置的情況下，振蕩回路設備平臺占地面積需加大。若增加單柱避雷器片數，還需對各設備間空氣凈距及底部平臺受力進行校核。

5 避雷器故障概率計算

按照現有避雷器標準開展的避雷器閥片試驗無法達到全檢驗的效果，閥片存在一定缺陷率，在質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，不同避雷器總臺數時避雷器故障臺數概率圖如圖6 和圖7 所示?？梢婋S著避雷器柱數增加，發生避雷器故障概率提高。柱數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，但目前無詳細支撐數據。

圖6 避雷器故障臺數概率圖（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 避雷器進行了改造方案計算分析，結論如下：

1）通過增加柱數和增加片數兩種方式可顯著提高吸收避雷器吸收能量裕度，降功率轉換也有明顯的效果。但現有避雷器吸收能量裕度足夠無需加大。

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

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

4）增加避雷器片數將顯著提高MRTB 斷路器和振蕩回路電容器絕緣水平要求。

綜上，增加避雷器柱數對改善避雷器運行特性無明顯作用，增加避雷器單柱片數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行相關改造?，F場可在較低功率水平下進行轉換以降低避雷器應力。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運行的措施。對于新建工程，應加強避雷器閥片質量控制和試驗檢驗，降低工程使用的閥片缺陷概率，提升柱間特性一致性。

南方電網昆明特高壓試驗研究基地