特高压直流线路避雷器灭弧技术研究

2012-07-25花郁莹朱震武曲靖供电局修试所云南曲靖655000

电气开关 2012年4期

花郁莹，朱震武(曲靖供电局修试所，云南曲靖 655000)

1 引言

我国的能源分布与用电负荷很不均衡的矛盾，东部地区经济发达，是电力负荷的集中区域，但是发电能源较少，而西南、西北地区经济相对落后，因而负荷少，但是发电能源多。在西部地区建立能源中心，大容量、远距离地将电能输送到东部地区能够有效地解决这个矛盾，因此建设全国能源通道就显得十分必要［1］。特高直流输电线路能够高大容量、远距离输送电能，适合大型区域电网的非同步互联，而且具有线路造价经济、电能损耗低、能迅速灵活地调节功率、系统稳定行高等优点，能很好的满足作为能源通道的要求［2］。建设特高压直流输电系统离不开过电压保护装置，避雷器是输电系统过电压保护的主要设备。直流线路避雷器的运行条件与工作原理与交流避雷器有很大的不同，其中之一就是交流避雷器可利用电流自然过零点的时机切断续流，而直流线路避雷器没有电流过零点可利用，因此灭弧较为困难［3］。直流避雷器产生电弧对输电线路的安全运行产生了一定的影响，产生一次电弧相当于发生一次接地短路。因此对这个问题进行研究具有重要的实际意义。

2 特高压直流线路避雷器配置以及产生电弧的原因

2.1 避雷器的工作原理及特高压直流系统避雷器配置

避雷器是连接在大地和导线之间的一种防止雷击的设备，一般与被保护设备并联。当电力设备处于正常工作电压下运行时，避雷器的阻值很大，避雷器上面仅仅只有微弱的泄漏电流流过，此时保护设备与大地相当于断路;当设备上出现雷击过电压或者是操作过电压且危及到线路的正常运行时，避雷器的阻值很小，此时避雷器相当于和大地短路，这样雷电流便从避雷器泄露到大地去。由此可知，避雷器通过对入侵流动波进行削幅，降低被保护设备所受过电压值，从而达到保护电力设备的目的。

图1给出了±800kV直流输电系统避雷器配置简图［4］。图中A为直流线路避雷器，主要是保护直流输电线路;B为直流极母线避雷器，主要保护连接在极线上设备;C为滤波器用避雷器;D1和D2为平波电抗器用避雷器，用于保护平波电抗器端对端出现反向雷电过电压这一特殊情况而设置的;E为中性点母线避雷器，主要保护中性母线和接于中性母线的设备;F1和F2为桥避雷器，M为桥中点避雷器，主要用于防止极线过电压跨过高端桥而对低端桥造成危害。

图1 特高压直流系统中典型的避雷器配置简图

2.2 直流线路避雷器电弧产生的原因

直流线路避雷器上的持续运行电压一般为额定的直流分量(含少量纹波)。当输电线路遭到雷击，避雷器动作释放雷电流后，避雷器的阻值开始恢复，但是直流避雷器没有电流过零点利用，当避雷器的阻值恢复到绝缘水平时就会被击穿从而产生电弧(类似于开关的拉闸电弧)。由此可知，产生电弧的本质原因是由于电压击穿的速度大于绝缘恢复的速度。

3 灭弧技术研究

本文在现有的避雷器在线监测系统的基础上设计避雷器灭弧系统。现有的避雷器在线监测系统是通过检测避雷器泄露电流的大小和记录避雷器释放雷电流的次数来实现避雷器的实时监测［5］。

3.1 串电阻灭弧技术原理

由于直流避雷器产生电弧的原因是电压过高，因此，若在避雷器动作后能够有效地降低避雷器所承受的电压则能够有效的灭弧。图2为避雷器串联电阻灭弧原理图，图中K1与K2为可控开关，R为高压电阻，CT为穿芯式电流互感器，Un为直流线路的额定电压。其工作过程为:当避雷器不动作时，开关K1闭合，开关K2断开，此时，避雷器与大地连接而R、K2支路不导通。当线路被雷击，避雷器动作，释放完雷电流后，K1断开，与此同时，K2闭合。此时，避雷器与电阻R串联于大地，电阻R两端分得一定比例的电压，这个电压的大小由避雷器的等效阻值和电阻R的大小共同决定。假设电阻R的阻值为R1，避雷器的等效阻值为R2，输电线路的额定电压为Un，那么避雷器的端电压U0的大小为:

避雷器未与电阻R串联之前的端电压为Un，串联电阻R之后的端电压明显减小，因此达到了灭弧目的。

图2 避雷器串联电阻灭弧原理图

3.2 避雷器灭弧系统设计

该灭弧系统在软硬件上都能与避雷器在线监测系统很好的配合，甚至融入现有的避雷器在线监测系统。其硬件系统框图如图3所示。整个系统包括信号采集及其处理模块、通信模块、上位机中心管理系统模块。信号采集及其处理模块以ARM单片机为核心，对避雷器动作次数进行计数，还对避雷器的泄漏电流信号以及K1、K2状态信号进行实时监测;中央处理器将处理后的信号通过RS485总线传输到上位机中心管理系统;而中心管理系统则采用C++Builder进行开发。当雷电流从避雷器释放掉后，从穿芯CT采集到的电流信号变小，中央处理器就开始发出触发信号，控制K1、K2做出相应的动作，实现灭弧。由于整个灭弧系统与原来的避雷器在线监测系统集成到一起，并没有作为一个独立的模块使用，因此减小了设备的体积，同时也便于管理。