一种适用于柔直换流站阀厅避雷器在线监测表计的研制

董伟峰 范映 陈金文 张雯婧

摘  要：厦门柔直换流站阀厅避雷器在线监测表计在正常运行时，出现了监测数据随着系统功率负荷的变化而变化、监测数据不能很好地反映避雷器运行工作状态等问题。文章结合厦门柔直换流站阀厅避雷器的运行状况，研制一种适用于柔直换流站阀厅避雷器在线监测的表计。实现对阀厅避雷器泄露电流的有效测量，使监测器不受系统谐波和现场空间谐波的影响，具有抗干扰能力强、数据监测灵敏度强、显示稳定等特点，能够正确反映柔直系统避雷器运行时的真实状态，保证设备运行的可靠性。

关键词：柔直换流站;阀厅;直流避雷器;在线监测;监测器

中图分类号：TM933 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）02-0075-03

Abstract： When the on-line monitor meter of arrester in valve hall of Xiamen VSC-HVDC Station is in normal operation， the monitor data changes with the change of system power load， and the monitor data cannot well reflect the working state of arrester. In this paper， a meter for on-line monitoring of arrester in valve hall of Xiamen VSC-HVDC Station is developed based on the operating conditions of arrester in valve hall of Xiamen VSC-HVDC Station. It can effectively measure the leakage current of the arrester， so that the monitor is not affected by the system harmonics and the field space harmonics. It has the characteristics of strong anti-interference ability， strong data monitoring sensitivity and stable display， and can correctly reflect the real state of the lightning arrester in the flexible and straight system， and ensure the reliability of the equipment operation.

Keywords： VSC-HVDC Station; valve hall; DC arrester; online monitoring; monitor

引言

直流避雷器一般采用無间隙金属氧化物避雷器。利用氧化物良好的非线性伏安特性，使在正常工作电压时流过避雷器的电流很小。当过电压作用时，电阻急剧下降，泄放过电压的能量，达到保护的效果。这种避雷器与传统的避雷器的差异是它没有放电间隙，利用氧化物的非线性曲线起到泄流和开断的作用。

厦门柔直换流站避雷器分别安装在换流变压器阀侧，阀厅上桥臂三相侧和下桥臂三相侧、直流极线侧、直流中性线侧。其中，换流变阀侧避雷器位于桥臂电抗器室内，直流极线侧避雷器和直流中性线侧避雷器位于直流场区域，上桥臂、下桥臂避雷器位于换流阀阀厅内。

避雷器在线监测所采用的方法通常是装设泄漏电流表。

1 柔直换流站阀厅避雷器监测器的现状分析

厦门柔性直流换流站阀厅避雷器实际运行中，其监测数据出现了以下问题：

（1）监测数据随着系统功率负荷的变化而变化，并呈现不同的差异。

（2）监测数据相对于避雷器正常运行的参数差距很

大，不能很好地反映避雷器的运行工作状态。

采用常规的避雷器监测方式对其泄露电流的有效值或平均值直接进行监测时，避雷器泄露电流出现了异常。当系统运行时，系统的运行电压并没有发生变化，而避雷器是压敏设备，其泄露电流只会随着电压的变化而变化，因此这种泄露电流的变化是一种异常的变化，不是避雷器真正运行电流的变化，不能正确反映避雷器的运行健康状态。

避雷器运行时的等效电路如图1所示。从图1可以看出，避雷器可以等效为一个压敏电阻和一个电容的并联电路。在持续运行电压下，正常避雷器的内部泄漏电流中以基波为主，包含容性成分IC和阻性成分IR，IC主要为基波成分，IR则除含有基波成分外，还含有丰富的谐波成分，这是由避雷器的非线性特性造成的。阻性电流和容性电流合成全电流从避雷器的底端流出，形成避雷器的泄露电流IX。

根据柔直工程阀厅避雷器的运行环境和运行工况可知：

（1）在IGBT启动和稳定运行时，会产生大量的空间电磁场;

（2）IGBT带负荷时，系统会产生大量的谐波直接叠加到避雷器上;

（3）系统中同时存在直流和交流成分，叠加后共同作用在避雷器上面。

综上所述，对于柔直工程阀厅运行的避雷器，由于运行系统和环境的复杂性，造成实际上汇流到避雷器底端的电流成分很复杂，既含有避雷器本体的正常的泄露电流（包括容性分量和阻性分量），又还含有系统的直流阻性分量、系统中存在的与谐波次数成正比的高次谐波容性分量以及空间电磁场耦合的与谐波次数成正比的高次谐波分量，正是由于柔直工程避雷器底端的电流存在如此的复杂性，才造成常规的采用直接监测避雷器底端电流的有效值的方式以及平均值方式出现监测电流不合理的状况。

2 柔直换流站阀厅避雷器监测器的研究现状

普通泄漏电流表，一般是将避雷器的泄露电流进行整流转换成平均值，然后依据交流信号的平均值和有效值的对应关系，换算成有效值进行显示，显示采用就地指针式表头显示。随着在线监测技术的发展，目前出现了可以远传信号的在线监测器，将就地显示的有效值信号转换为数字信号，采用RS-485接口的方式进行传送给后台，在后台进行集中显示。

厦门柔直工程阀厅避雷器实际运行中，出现了泄漏电流表计的监测数据随着功率变化不稳定的现象。由于厦门柔直工程阀厅避雷器的泄露电流存在直流，交流和谐波分量，而将避雷器的泄露电流整流转换成平均值的普通交流避雷器，在柔直换流站阀厅复杂工况下不适应。因此有必要在柔直工程的不同運行工况下，对避雷器的泄露电流变化进行分析。

3 柔直换流站阀厅避雷器监测器的优化设计

3.1 柔直换流站阀厅避雷器监测器原理

在避雷器实际运行过程中，对避雷器的运行状态造成影响的实际上只是阻性电流。根据其系统运行特点和避雷器的工作特性，主要需要监测其基波分量、三次谐波分量以及直流分量。其中直流分量为纯阻性电流部分;三次谐波分量反映了避雷器的非线性部分的变化，而非线性部分就是等效的压敏电阻部分，所以反映的阻性电流部分;而基波中既含有容性电流的基波也含有阻性电流的基波，但是由于避雷器结构的稳定性，其等效电容值基本不会发生改变，所以容性电流的基波部分在运行中基本不会发生改变。所以如果基波发生了变化，一般是由阻性电流的基波的改变引起的，这是由于避雷器长期运行在工频电压下，其电阻特性或者内部密封等原因造成其电阻的线性部分的改变引起的。而周围电磁场以及系统高次谐波的影响基本都是三次以上的高次谐波，而且绝大部分是容性电流部分，所以不会对避雷器的运行健康状况造成影响。因此，对于柔性直流工程阀厅中的避雷器，只需要采用合适的数据采集和处理方案提取其泄露电流中的直流分量、基波和三次谐波并对其监测和判断即可。

3.2 柔直换流站阀厅避雷器监测器优化改进

基于上述分析，确定柔直换流站阀厅中的避雷器在线监测器的数据采集与处理的方案如下：

对避雷器泄露电流信号直接进行实时交流采样，将含有直流、交流和高次谐波分量的电流信号进行按照基波的整周期采集。

对采集后的周期信号进行加窗运算，消除掉采样矩形窗引起频谱泄露。

对信号进行快速傅里叶变化，提取出泄露电流中的直流分量、基波分量以及高次谐波分量等信号。

分别计算直流分量和工频交流分量的有效值并进行合成，作为避雷器的泄露电流的真有效值原理如图2所示，避雷器底端的泄漏电流经过取样电阻R5转换为电压信号送到CPU的A/D输入端，有CPU内部的A/D转换器进行交流采样;避雷器的动作电流经过取样电杆T转化为脉冲送给CPU的中断口INT，CPU通过中断方式对避雷器的动作次数进行计数。对泄露电流进行交流采样以后采用FFT数字处理算法，分离出泄露电流的直流分量和基波工频分量，其余的高频分量进行滤除，然后采用有效值算法计算出直流和交流工频电流的有效值，连同计数次数一起在LED显示器上进行显示。同时通过串口将电流值和动作次数送给CPU外部的RS-485隔离器进行隔离和RS-485电平的转换，转换后的数据通过输出接口进行输出，同时输出接口接入外部直流电源送个电源隔离器，隔离后的直流电给整个表计的内部电路供电。由于采用了RS-485和电源隔离措施，是表计的内部电路和外部接口在电气上完全隔离，保障了避雷器动作时表计的可靠工作。

为实现上述方案，在线监测器中数据采集与处理的结构图如图3所示。

由图3可知，通过采样电阻将泄露电流转换为电压信号，利用AD转换器对于避雷器底端的泄露电流直接进行交流采样，采用信号谐波分析技术提取其中的有效信号：直流分量、基波和三次谐波分量，通过有效值算法计算出能够反映流过避雷器的真实的有效分量，滤除掉系统的高频分量及空间高频电磁干扰分量，使能够真正反映避雷器泄露电流的信号保留下来，以正确反映避雷器的运行状态。

3.3 柔直换流站阀厅避雷器监测器结构方案

为保障新改进监测器和原监测器的兼容性，便于现场安装和替换升级，在监测器的外形和结构以及对外信号输出接口等方面都采用原监测器的结构和尺寸，现场就地显示部分采用便于观察的大尺寸高亮度LED进行数据实时显示，同时可以保障现场就地显示和后台显示数据的一致性。其外形结构及表计内部结构如图4所示。

一种具有数字信号输出的适用于柔直换流站阀厅避雷器的防爆式在线监测表计，包括座体、壳体、电气元件，壳体后面设置有航空插头，电气元件还含有处理器模块及A/D转换模块，处理器模块与航空插头相连。在壳体上设置了与电气元件连接的航空插头，插头内具有485通信接口，电气元件输出的模拟信号通过A/D转换模块处理后通过处理器就地采用高亮度的LED进行显示，同时可以输出485数字信号，从而能够将避雷器的运行参数上传。此外，通过设置防爆孔，实现更好的防爆效果。

该避雷器在监测表计的结构，底座6为压铸铝座，壳体3为不锈钢外壳，壳体3正对显示面板15的前侧面上开设有显示通孔，显示通孔上设有透明面板。

壳体3内设有释压防爆盖12，以与底座6连接构成释压防爆室，放电间隙11位于释压防爆盖12内。底座6后侧面上设有防爆孔5。

壳体3内设有线路板13，线路板13上设有A/D转换模块、处理器、显示驱动模块14和显示面板15。底座6后侧面上部的瓷套2与导电杆1连接，导电杆1通过瓷套2和第一绝缘垫8与底座6绝缘。内部导电杆16一端与导电杆1连接，另一端连接到放电间隙右触点，放电间隙右触点与设于底座6上的放电间隙左触点组成放电间隙11，提供避雷器动作时的放电回路。

内部导电杆16旁侧设有计数传感器9，以检测避雷器的动作次数，计数传感器9与线路板13连接，内部导电杆16旁侧还设有导线17，以检测避雷器的泄露电流，导线17与线路板13连接。

显示面板15为LED显示屏，以显示避雷器的动作次数和泄露电流。航空插头4内具有485通信接口，485通信接口与线路板13上的处理器连接。A/D转换模块为交流采样，采样时间为20ms。处理器处理的是泄露电流的真有效值，通过对基波和直流分量的计算来获得。

3.4 柔直换流站閥厅避雷器监测器改进后优点

改进后的针对柔直系统阀厅避雷器在线监测方法具有以下的优点：

对避雷器泄露电流的监测为有效值测量，抗干扰能力强。对于柔直换流站阀厅内的避雷器泄露电流，其有效成为为直流分量和工频基波分量，其余的高次谐波分量均为干扰信号。传统的直接整流方式将这些分量全部统一整流成直流并求其平均值，实际上是将高次谐波的干扰信号一并作为有效值进行测量，所以其测量值不是避雷器泄露电流的真是的有效值，含有高次谐波干扰，因此其测量数据会偏高，不能正确反映避雷器的实际运行电流。本方法可以消除高次谐波信号的干扰，同时采用了正确的有效值算法，能够正确测量出含有直流和工频谐波分量的有效值，为泄露电流的真有效值测量。

新的监测数据能够反映柔直系统阀厅避雷器运行时的实际运行状态，不受系统谐波和现场空间谐波的影响。

在系统的负荷发生变化时，泄露电流监测数据能够保持稳定，并能够正确反映避雷器的运行状态。

当避雷器的性能发生劣变时，系统的泄露电流监测数据能够灵敏的反映出来，并能够及时报警。

4 结束语

相对于常规的避雷器在线监测表计，本文设计了一种适用于柔直换流站阀厅避雷器在线监测的表计，该在线监测表计结构不仅能实时正确监测阀厅内避雷器的运行状态，而且结构简单，设计合理。具有很强的实用性及应用前景。

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