特高壓直流線路避雷器滅弧技術研究

花郁瑩，朱震武(曲靖供電局修試所，云南 曲靖 655000)

1 引言

我國的能源分布與用電負荷很不均衡的矛盾，東部地區經濟發達，是電力負荷的集中區域，但是發電能源較少，而西南、西北地區經濟相對落后，因而負荷少，但是發電能源多。在西部地區建立能源中心，大容量、遠距離地將電能輸送到東部地區能夠有效地解決這個矛盾，因此建設全國能源通道就顯得十分必要［1］。特高直流輸電線路能夠高大容量、遠距離輸送電能，適合大型區域電網的非同步互聯，而且具有線路造價經濟、電能損耗低、能迅速靈活地調節功率、系統穩定行高等優點，能很好的滿足作為能源通道的要求［2］。建設特高壓直流輸電系統離不開過電壓保護裝置，避雷器是輸電系統過電壓保護的主要設備。直流線路避雷器的運行條件與工作原理與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電流自然過零點的時機切斷續流，而直流線路避雷器沒有電流過零點可利用，因此滅弧較為困難［3］。直流避雷器產生電弧對輸電線路的安全運行產生了一定的影響，產生一次電弧相當于發生一次接地短路。因此對這個問題進行研究具有重要的實際意義。

2 特高壓直流線路避雷器配置以及產生電弧的原因

2.1 避雷器的工作原理及特高壓直流系統避雷器配置

避雷器是連接在大地和導線之間的一種防止雷擊的設備，一般與被保護設備并聯。當電力設備處于正常工作電壓下運行時，避雷器的阻值很大，避雷器上面僅僅只有微弱的泄漏電流流過，此時保護設備與大地相當于斷路;當設備上出現雷擊過電壓或者是操作過電壓且危及到線路的正常運行時，避雷器的阻值很小，此時避雷器相當于和大地短路，這樣雷電流便從避雷器泄露到大地去。由此可知，避雷器通過對入侵流動波進行削幅，降低被保護設備所受過電壓值，從而達到保護電力設備的目的。

圖1給出了±800kV直流輸電系統避雷器配置簡圖［4］。圖中A為直流線路避雷器，主要是保護直流輸電線路;B為直流極母線避雷器，主要保護連接在極線上設備;C為濾波器用避雷器;D1和D2為平波電抗器用避雷器，用于保護平波電抗器端對端出現反向雷電過電壓這一特殊情況而設置的;E為中性點母線避雷器，主要保護中性母線和接于中性母線的設備;F1和F2為橋避雷器，M為橋中點避雷器，主要用于防止極線過電壓跨過高端橋而對低端橋造成危害。

圖1 特高壓直流系統中典型的避雷器配置簡圖

2.2 直流線路避雷器電弧產生的原因

直流線路避雷器上的持續運行電壓一般為額定的直流分量(含少量紋波)。當輸電線路遭到雷擊，避雷器動作釋放雷電流后，避雷器的阻值開始恢復，但是直流避雷器沒有電流過零點利用，當避雷器的阻值恢復到絕緣水平時就會被擊穿從而產生電弧(類似于開關的拉閘電弧)。由此可知，產生電弧的本質原因是由于電壓擊穿的速度大于絕緣恢復的速度。

3 滅弧技術研究

本文在現有的避雷器在線監測系統的基礎上設計避雷器滅弧系統。現有的避雷器在線監測系統是通過檢測避雷器泄露電流的大小和記錄避雷器釋放雷電流的次數來實現避雷器的實時監測［5］。

3.1 串電阻滅弧技術原理

由于直流避雷器產生電弧的原因是電壓過高，因此，若在避雷器動作后能夠有效地降低避雷器所承受的電壓則能夠有效的滅弧。圖2為避雷器串聯電阻滅弧原理圖，圖中K1與K2為可控開關，R為高壓電阻，CT為穿芯式電流互感器，Un為直流線路的額定電壓。其工作過程為:當避雷器不動作時，開關K1閉合，開關K2斷開，此時，避雷器與大地連接而R、K2支路不導通。當線路被雷擊，避雷器動作，釋放完雷電流后，K1斷開，與此同時，K2閉合。此時，避雷器與電阻R串聯于大地，電阻R兩端分得一定比例的電壓，這個電壓的大小由避雷器的等效阻值和電阻R的大小共同決定。假設電阻R的阻值為R1，避雷器的等效阻值為R2，輸電線路的額定電壓為Un，那么避雷器的端電壓U0的大小為:

避雷器未與電阻R串聯之前的端電壓為Un，串聯電阻R之后的端電壓明顯減小，因此達到了滅弧目的。

圖2 避雷器串聯電阻滅弧原理圖

3.2 避雷器滅弧系統設計

該滅弧系統在軟硬件上都能與避雷器在線監測系統很好的配合，甚至融入現有的避雷器在線監測系統。其硬件系統框圖如圖3所示。整個系統包括信號采集及其處理模塊、通信模塊、上位機中心管理系統模塊。信號采集及其處理模塊以ARM單片機為核心，對避雷器動作次數進行計數，還對避雷器的泄漏電流信號以及K1、K2狀態信號進行實時監測;中央處理器將處理后的信號通過RS485總線傳輸到上位機中心管理系統;而中心管理系統則采用C++Builder進行開發。當雷電流從避雷器釋放掉后，從穿芯CT采集到的電流信號變小，中央處理器就開始發出觸發信號，控制K1、K2做出相應的動作，實現滅弧。由于整個滅弧系統與原來的避雷器在線監測系統集成到一起，并沒有作為一個獨立的模塊使用，因此減小了設備的體積，同時也便于管理。

圖3 硬件系統結構框圖

4 結論

本文介紹了特高壓直流輸電系統的避雷器配置方案，通過分析直流線路避雷器產生電弧的原因，得出了直流避雷器產生電弧是因為電壓擊穿的速度大于避雷器絕緣恢復的速度這個結論，以現有的避雷器在線監測系統為基礎，設計了一種避雷器滅弧方案，該方案對于直流線路避雷器滅弧的研究具有一定的參考價值。

［1］劉振亞.特高壓電網［M］.中國經濟出版社，2005.

［2］詹奕，尹項根.高電壓直流輸電與特高壓交流輸電的比較研究［J］.高電壓技術，2001，27(4)：44-46.

［3］王玉平，張一鳴.特高壓直流避雷器的技術特點與分析［J］.電力設備，2007，8(3)：16-18.

［4］李盛濤，劉輔宜.直流避雷器有關技術問題的討論［J］.電磁避雷器，1998，30(4)：3-4.

［5］郭紅英，石芳，等.避雷器在線監測系統應用［J］.電力學報，2004，19(1)：72-73.