HVDC站内直流转换开关避雷器动作电流监测装置设计与应用

刘劲松， 禹晋云， 张启浩， 孙小伟， 梁迪团

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局，云南 昆明 650000)

0 引 言

直流转换开关是高压直流输电工程中关键的设备之一。双端直流系统的运行方式多样，除通常采用的双极接线方式外，在单极运行时还可采用大地回线或金属回线接线方式[1-2]。当直流系统以单极大地回线运行时，将导致变电站内以中性点接地方式运行的变压器产生直流偏磁。此外，直流电流也会使直流系统中接地极极址的接地体出现电解腐蚀，在大电流时还会影响接地极极址的使用寿命[3-6]。在直流系统运行时，通常会在不中断直流输送功率的情况下对其接线方式进行在线转换，即由单极大地回线转换为单极金属回线运行[7-9]。对上述接线方式进行在线转换，即运行方式之间转换，直流转换开关的操作需要所并联的避雷器组吸收大量能量限制过电压才能完成开关开断，避雷器若出现故障则会导致转换失败[10]。

在线同步采样多柱避雷器动作电流是及时发现和更换特性退化的避雷器阀组，保障设备安全和系统稳定运行的重要技术手段。目前，对金属氧化物避雷器的动作电流进行监测的设备相对较少。为实现动作电流的同步采样，本文研究了一种无线通信的动作电流监测装置，具有高精度同步、高采样率、短距离无线通信和非破坏安装等优势。实测动作电流数据表明：监测装置能够及时发现电流不均匀情况，避免避雷器被击穿引起的非计划停运，提高系统运行稳定性。

1 直流转换开关构成及工作原理

直流开关一般由3 部分构成：①由交流断路器改造而成的转换开关B； ②以形成电流过零点为目的的LC振荡回路；③以吸收开断过程中产生能量为目的的非线性电阻R等耗能元件。非线性电阻、电感线圈和电容器安装于绝缘平台上，见图1。

图1 直流转换开关原理图

在双极两端中性点接地的直流输电工程中，高压直流转换开关系统一般由 4 种不同类型的设备构成：金属回线转换断路器(MRTB)、大地回线转接开关(GRTS)、极中性线侧的低压高速开关(LVHS)和 双极运行中性线临时接地开关(NBGS)。

2 动作电流无线监测装置设计

为实现高精度同步、高采样率、短距离无线通信和非破坏安装等目标，动作电流无线监测装置包括ZIGBEE无线通信模块、电源模块、同步高速采样模块、测量通路和数据存储模块等。多个监测模块的动作电流数据经ZIGBEE网络传输至数据汇集单元，最终经光纤通路送至后台服务器进行分析和处理，测量装置及系统构成如图2所示。

图2 测量装置及系统构成

2.1 通信方式

测量装置安装于直流转换开关高压侧，如采用光纤通信的方式需要考虑一二次隔离，还需要增加额外设备，无法任意点安装。因此对测量装置需求是无源无线、体积小和方便安装，同时不用破坏原有线路，也无需额外增加设备。测量装置和数据汇集单元宜采用短距离无线通信方式。

2.2 供电及省电设计

考虑到测量装置需要在多点安装，设计上采用一次性电池的供电方。考虑到环境的影响，选用电池工作温度-40 ℃～85 ℃。同时，对于省电也做了充分考虑：测量装置有两种工作模式，分别为待机模式和实时监测模式，由后台软件控制模式切换。在待机模式下，测量装置以极低的功耗运行，等待来自后台软件的启动命令。在收到启动命令后，测量装置进入正常运行状态，即实时监测模式，实现数据采集与传输功能。

2.3 同步高速数据采样

由于需要使用多个测量装置采集的瞬时电流值才能计算出流过各支避雷器的电流波形，各测量装置的数据采样必须严格同步。采用北斗模块作为时钟同步源，比实际的同步精度少10 μs。在硬件设计上采用外置独立的16位高速采样A/D芯片，采样率为51.2 kHz,确保能够录取暂态高频分量。

2.4 监测装置结构设计

为便于在线缆或母排安装，减少占用空间，无线通信动作电流监测装置采用紧凑外形设计，大幅减小装置三维尺寸。为提高设备通用性，提高安装效率，便于在线缆或母排上安装，装置包括主体和安装支架两部分，主体结构如图3(a)所示，安装支架如图3(b)所示。

图3 监测装置结构设计

2.5 现场安装配置

由于换流站直流场并联避雷器的结构紧凑，要求测量装置必需要做到高度集成化设计以实现微型化，便于等电位安装。安装时无需解开导线，对设备和连接导线无破坏性。

测量装置安装在LC回路及避雷器顶端导线上，其安装布置如图4(a)所示；测量装置及无线数据汇集单元现场安装如图4(b)所示，测量装置安装在避雷器顶端导线上，无线数据汇集单元安装在电气柜。测量装置和数据汇集单元通过ZIGBEE无线传输数据。

3 现场测试与试验数据分析

3.1 换流站内监测设备布置方案

换流站的MRTB避雷器组为26柱并联，顶端阵列连线较为复杂。最多需要4个动作电流监测设备的测量值才能计算出某柱避雷器的动作电流，装置间的采样精确同步尤为关键。换流站的GRTS并联避雷器为3柱并联。综合考虑数据计算的需要和安装的便利性，最终确定MRTB避雷器组的动作电流监测装置布置方案如图5(a)所示。GRTS并联避雷器的监测装置布置方案如图5(b)所示。

3.2 GTRS并联避雷器的动作电流监测值

为反映动作电流监测装置的监测效果，本文以GTRS并联避雷器的监测结果为例，展开分析。转换时刻，GRTS并联避雷器进线处的电流波形及单柱避雷器的动作电流波形如图6所示。由监测波形可知，进线处电流开始处于震荡发散状态，与直流电流稳态值叠加后，最终使进线处电流产生过零点，断路器截止进线电流，进线处最大的电流接近600 A；电流截止后，断口处产生动态过电压，最终达到避雷器泄漏电流阈值，避雷器动作泄能。由监测波形可知单柱避雷器动作时间约为1 000个采样点，根据监测装置的采用频率为51.2 kHz，则可得知动作时间大约为0.4 ms。

图4 测量装置及汇集单元安装图

图5 动作电流监测装置布置方案

图6 GRTS进线电流及单柱避雷器动作电流波形图

3.3 RGTRS避雷器动作电流频谱分析

GRTS避雷器动作电流频谱，4次动作波形的频谱分布一致，说明得益于并联数目较低，GTRS并联避雷器的伏安特性一致性较好，避雷器动作重复性良好。从频域看， GRTS断路器断开时并联避雷器动作波形的能量集中在200 Hz以下，峰值约18 Hz，如图7所示，说明动作电流的能量集中在工频附近，为避雷器阀组伏安特性优化调整提供了参数依据。GRTS断路器闭合时会产生幅度和频率均较大的暂态电流流经LC振荡回路，4次GRTS断路器闭合时的暂态电流波形和频率(4 kHz)完全一致。

图7 GTRS避雷器动作电流频谱分析

4 结束语

为实现动作电流的同步采样，本文研究了一种无线通信的动作电流监测装置，具有高精度同步、高采样率、短距离无线通信和非破坏安装等优势。实测动作电流数据表明，监测装置能够充分准确反映并联避雷器动作电流时的域变化规律，及时发现电流不均匀情况，通过多柱并联避雷器动作数据比较以及历史数据的对比，能提前发现特性变差的避雷器及异常的LC回路。该设备的投入使用能够改进避雷器组现有检修试验策略和方法，缩短换流站停电检修时间，具有重要的应用价值。