直流电压下换流阀桥臂保护避雷器泄漏电流特性研究

谭向宇

(云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

特约稿件

直流电压下换流阀桥臂保护避雷器泄漏电流特性研究

谭向宇

(云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

对IEEE提出的避雷器等效模型进行简化，采用多指数拟合函数拟合避雷器小电流区和中电流区的工作曲线。依照该曲线，分析研究谐波电压、避雷器老化和污秽对避雷器泄漏电流的影响。

等效模型；谐波；老化；污秽；泄漏电流

0 前言

高压直流输电是目前世界上大国解决高电压、大容量、远距离输电和电网互联的重要手段，起源于20世纪50年代。线路造价低、功率损耗小、功率调节灵活迅速等优点使其在国内外得到广泛应用。目前，我国高压直流输电最高电压等级已达±800 kV(向家坝—上海直流线路，我国第一条电压等级为±800 kV直流输电线路)，正向±1 000 kV电压等级迈进[1-4]。

高压直流输电系统主要由换流站和逆变站组成，而换流阀是整流和逆变电路中的主要元件，也是最关键的部件之一。为了防止过电压对换流阀的损坏，必须采用避雷器对其进行保护，但避雷器的运行状态同样影响换流阀运行的安全可靠性[5-6]。因此，利用电磁暂态仿真软件 ((Alternative Transients Program，ATP)对换流阀桥臂保护避雷器的泄漏电流进行研究，了解不同状态下避雷器泄漏电流特性，具有重要的学术意义。

1 避雷器等效模型的建立

1.1 避雷器等效电路

IEEE 3.4.11工作组在对实际避雷器进行大量试验与仿真研究的基础上，于1992年建立了比较准确的避雷器计算模型[7]。避雷器等效电路如图1所示。

图1 IEEE等效电路图

图2 简化后避雷器等效电路

上述模型中参数较多且不容易确定，对电路进行如下简化，得到电路图如图2，其中R是可变电阻，体现避雷器的非线性，C是电容器的电容。

1.2 避雷器工作曲线

避雷器非线性电阻的拟合分为单指数和多指数拟合[8-11]。单指数拟合是采用主要作用电流段(1 mA～10 A)的伏安特性代替整段的伏安特性，其伏安特性拟合函数表达式为：

式中U为避雷器电压降落；为电阻片的非线性系数，1＜β＜∞，β值越大，表明避雷器非线性越强。

多指数拟合相对于单指数拟合，具有较好精确度。其根据试验获得的避雷器伏安数据点采用多段指数进行拟合，其表达式为：

式中I、U表示电阻片的电流和电压，Uri和β (i=2，3……m)为对电阻片伏安特性进行分段指数拟合所得，m表示曲线的分割点数；Uri为相邻两段分段点电压及相邻两个指数曲线交点处的电压值。

文中采用多指数拟合的方法，将避雷器的非线性伏安特性曲线分成两段进行拟合，得到如图3所示的伏安特性曲线。

图3 非线性电阻伏安特性曲线

2 谐波对避雷器泄漏电流的影响

直流侧谐波主要是换流引起的谐波，即所谓特征谐波和其他原因引起的谐波，其中由其他原因引起的谐波主要是指换流参数和控制的各种不对称引起的谐波以及交流电网中谐波通过换流器转移到直流侧的谐波，即所谓非特征谐波。

对于12脉动换流器，其特征谐波为12k(k= 1、2、3……)次谐波，其中起主要作用的是12次、24次和36次谐波。整流侧直流电压中所含谐波的种类和单次谐波含量都会对避雷器泄漏电流有所影响，要分两种情况考虑谐波的影响。

当整流侧电压中只含有12次谐波时，那么泄漏电流和谐波含量的关系如图4所示。当谐波含量增加时，泄漏电流也有一定的增加，但变化不大。对于工作在不同直流电压分量下的避雷器，其泄漏电流主要受直流电压分量影响。将直流电压为135 kV的曲线放大，如图5所示。可以看出，谐波含量较大时，泄漏电流变化较快。因此，需要减少整流侧直流电压中单次谐波含量。

图4 不同电压下谐波含量和泄漏电流的关系

图5 直流135kV时泄漏电流和谐波含量的关系

当直流侧总谐波含量一定时，所含谐波种类的不同时，其泄漏电流特性也不同，如图6所示。在低电压区，三条曲线基本重合，谐波种类对泄漏电流的影响不明显；当电压上升到一定值时，泄漏电流开始陡增，并且随着谐波种类的增加，该起始电压不断减小，且谐波种类越丰富，泄漏电流越大。

图6 谐波类型和泄漏电流的关系

3 避雷器老化对泄漏电流的影响

在直流电压长期作用下，阀片的U-I曲线发生不对称改变，原因是反向肖特基势垒高度比正向肖待基势垒高度降低更多，即肖待基势垒出现了不对称的畸变。由于直流电压极性不变，离子一直在向晶界势垒单向迁移，导致反向偏压使肖持基势垒不断降低，从而导致泄漏电流随时间增加而增大。

但是在实际教学中，因为教师经常忽视跨文化知识教学，并且有些教师只是粗略了解西方文化知识，导致学生在生活和学习中将欧美国家文化中的伯爵称之为伯爵先生。[7]通常，在跨文化教学过程中，只有真正分清先生和大人的差异，才可以正确区分两者之间的称呼。所以加强对学生跨文化意识的培养，必须要从国家之间的差异性出发，准确了解中方文化和西方文化之间的差距，积累更多的英语文化知识，这样教师才能够在课堂上向学生讲述知识点的时候，培养学生的跨文化意识。

肖特基势垒下降导致泄漏电流和功率损耗增加，由于势垒的不对称变化，又导致伏安特性的不对称漂移。

泄漏电流随时间增加可表示成：

式中A、B和t都是常数。

当避雷器的老化率分别为5%、10%和15%时，其伏安特性曲线如图7所示。避雷器老化越严重，其参考电压U1mA越低。

图7 不同老化率避雷器的U-I曲线

老化避雷器工作在正常运行电压下，其泄漏电流如图8所示。随着老化率的上升，泄漏电流陡增的起始电压下降，即避雷器预击穿的起始电压下降。老化率为5%时，正常工作电压下，避雷器仍然工作在小电流区，能够正常保护设备；而随着老化率继续增加，在正常工作电压下，泄漏电流已经较大，避雷器需要停电检修。

图8 运行电压下老化避雷器的泄漏电流

4 避雷器污秽对泄漏电流的影响

首先考虑单节避雷器有污秽的情况，它的等效电路图如图9所示。其中R1表示表面电阻。

图9 污秽避雷器等效模型

避雷器表面污秽程度不同时，泄漏电流也不尽相同，如图10所示。避雷器表面污秽越严重，运行电压下，所测得的泄漏电流越大。但是对于单节避雷器来说，表面泄漏电流不会流经避雷器内部，也就不会加速避雷器的老化。

图10 不同污秽程度避雷器的泄漏电流

当上下节避雷器的污秽程度不一样时，考虑两节避雷器串联的情况，其等效电路如图11所示，R1、R2分别为避雷器污秽时的表面电阻。根据电路理论的知识：

图11 两节避雷器串联污秽时等效电路

式中I是总电流，U1/R和U2/R’分别是流过近高压端和近地端避雷器内部的电流，U1/R1和U2/R2是流过近高压端和近地端避雷器表面的电流。

U1/R1和U2/R2的值是不一样的，那么流过避雷器内部的电流 U1/R和 U2/R’也是不一样的。

污秽微粒在避雷器表面沉积是由于自然沉降和带电微粒的运动，在直流系统中，后者起主要作用。带电微粒受到恒定电场的作用，微粒单向运动，沉积在避雷器表面。上节避雷器接在高压端，电场较大，更容易吸附带电微粒，使得上节避雷器污秽程度严重。所以U1/R1＞U2/R2，那么U1/R＜U2/R’，即流过下节避雷器内部的电流偏大，如图12所示。随着运行电压的升高，流经上下节避雷器泄漏电流的差值也将增大。因此，在长期污秽条件下运行，近地端避雷器相比近高压端避雷器更容易老化。

图12 串联避雷器的内部泄漏电流

5 结束语

本文基于避雷器仿真模型，研究了谐波电压、避雷器老化和避雷器污秽对其泄漏电流的影响，得到以下结论：

1)用多指数拟合函数拟合避雷器小电流区和中电流区的工作曲线更精确，与实际更为相符。

2)整流侧单次谐波含量较大时，泄漏电流增加较快；当谐波含量一定时，所含谐波种类越丰富；泄漏电流越大，避雷器预击穿的起始电压降低。

3)避雷器老化率上升，其预击穿起始电压下降，参考电压U1mA也随之下降；当泄漏电流超过400 mA或者参考电压U1mA下降为出厂时的85%时，避雷器需要检修或者退出运行。

4)两节避雷器串联工作时，近高压端避雷器更容易积污，而流过近地端避雷器内部的电流较大，更容易发生老化。

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Characteristics of the Leakage Current of the Arrester for Protecting the Converter Valves in DC

TAN Xiangyu
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

In order to fit the curve of arrester working in the lower current field and the middle current field，the modeling of arrester formed in 1992 by IEEE was simplified.According to the fitting curve，the influences of harmonic voltage，the aging condition of arrester and pollution degree on leakage current of arresters were studied.

equivalent model；harmonic；aging；pollution；leakage current

TM86 < class="emphasis_bold">文献标识码：B

B < class="emphasis_bold">文章编号：1006-7345(2014)04-0001-04

1006-7345(2014)04-0001-04

2014-06-19

谭向宇 (1981)，男，博士，工程师，云南电网公司电力研究院，主要从事高电压与绝缘技术研究工作 (e-mail)2040464＠163.com。