直流融冰裝置諧波對(duì)避雷器泄露電流的影響

李蓉，趙威，楊超，白添凱，賀牧

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650011）

0 前言

在七甸直流融冰裝置零功率調(diào)試和帶線路融冰工作中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)直流融冰裝置產(chǎn)生的諧波不僅會(huì)影響站用變工作、保護(hù)動(dòng)作，還會(huì)影響金屬氧化物避雷器泄露電流的測(cè)量，從而影響對(duì)系統(tǒng)設(shè)備絕緣特性的判斷。本文主要研究七甸變直流融冰裝置及其諧波特性，進(jìn)一步研究直流融冰裝置產(chǎn)生的諧波對(duì)系統(tǒng)中金屬氧化物避雷器（Metal Oxide Arrester, MOA）泄露電流測(cè)量的影響，給出這一過程的理論推導(dǎo)與分析，為進(jìn)一步指導(dǎo)直流融冰裝置的投運(yùn)和排除諧波對(duì)金屬氧化物避雷器泄漏電流帶電監(jiān)測(cè)的影響提供理論依據(jù)。

1 變直流融冰裝置概況

昆明供電局某500 kV變加裝的直流融冰裝置采用12脈動(dòng)換流器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1中，T為換流變壓器，采用三相三繞組變壓器；12p為12脈動(dòng)換流器、6p為6脈動(dòng)換流器；Ld為平波電抗器。12脈動(dòng)換流器由兩個(gè)6脈動(dòng)換流器在直流側(cè)串聯(lián)，交流側(cè)通過換流變壓器并聯(lián)構(gòu)成。換流變壓器的閥側(cè)繞組一個(gè)為星形接線，另一個(gè)為三角形接線，這使得兩個(gè)6脈動(dòng)換流器在交流側(cè)得到相位相差30°的換相電壓，從而構(gòu)成12脈動(dòng)。

圖1 七甸直流融冰裝置12脈動(dòng)整流器原理

每個(gè)6脈動(dòng)換流器（6p）采用三相橋式電路，如圖2所示。圖2中VT1~VT6代表6脈動(dòng)換流器中的6個(gè)換流閥，每一個(gè)換流閥由若干個(gè)晶閘管串聯(lián)組成，數(shù)字1~6就代表了換流閥工作時(shí)的依次導(dǎo)通順序。ua、ub、uc為交流系統(tǒng)等值基波相電壓；Lr為每相的等值換相電感，由換流變壓器漏感和交流系統(tǒng)等值電感組成；Ld為平波電抗器的電感值；m和n分別是6脈動(dòng)整流器的共陰極點(diǎn)和共陽(yáng)極點(diǎn)；N為交流系統(tǒng)參考電位。

圖2 6脈動(dòng)整流器原理

2 變直流融冰裝置諧波分析

2.1 直流融冰裝置諧波理論分析

直流融冰裝置整流器由于采用半控型元件晶閘管，屬于電網(wǎng)換相換流器，在運(yùn)行時(shí)需要吸收大量無功功率，同時(shí)向電網(wǎng)輸出大量諧波。圖3中，從上往下分別為12脈動(dòng)整流器的整流電壓波形、Y/Y接線型換流變閥側(cè)相電流波形、Y/Δ接線型換流變閥側(cè)相電流波形和換流變網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)相電流波形。

圖3 12脈動(dòng)整流器的整流電壓Ud波形、Y/Y接線換流 變閥側(cè)相電流iAY波形、Y/Δ換流變閥側(cè)相電流iAD波形、 換流變網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)相電流iA波形

將圖3中各變量波形運(yùn)用傅里葉級(jí)數(shù)進(jìn)行分解，可以得到有關(guān)12脈動(dòng)換流器正常運(yùn)行時(shí)的一般性結(jié)論[1-3]：

1）整流電壓ud中所含的特征諧波次數(shù)為h=12k次（k為自然數(shù)），即含有12、24、36……次特征諧波，其中第h次特征諧波電壓的有效值為C：

式中，α為觸發(fā)角，μ為換相角，諧波電壓系數(shù)為：

（5）施加一定應(yīng)力后，ND鋼鈍化膜被機(jī)械破壞，導(dǎo)致基體遭遇更嚴(yán)重的腐蝕，而Corten鋼在相同情況下能依靠?jī)?nèi)側(cè)摻混殘存的少量合金元素形成的氧化物減緩腐蝕速率，因此，Corten鋼腐蝕速率更低。對(duì)耐腐蝕材料采取摻混合金及表面強(qiáng)化相結(jié)合的方式可能更有利于抵御應(yīng)力對(duì)耐腐蝕性的削弱。

理想空載直流電壓為：

當(dāng)換相角μ=0時(shí)，第h次特征諧波電壓的有效值為：

2）交流側(cè)相電流iA中所含的特征諧波次數(shù)為h=12k±1次（k為自然數(shù)），即含有11、13、23、25……次特征諧波，其中第h次特征諧波電流的有效值為：

式中諧波電流系數(shù)為：

空載時(shí)基波電流有效值為：

由式（1）~式（7）可見，對(duì)于12脈動(dòng)換流器產(chǎn)生的注入交直流側(cè)的特征諧波來說，存在以下關(guān)系：

1）隨著諧波次數(shù)的增加，各次諧波的數(shù)值減小，當(dāng)次數(shù)增加達(dá)到一定程度，諧波將以電磁波的形式發(fā)射到空間中，而不再存在于交直流側(cè)。因此，對(duì)系統(tǒng)危害最大的是次數(shù)較低的諧波。

2）從式中可以看出，特征諧波數(shù)值大小的影響因素較多，主要有：觸發(fā)角α、換相角μ、交流系統(tǒng)電壓E（或直流電流Id）等因素。

上述分析表明，由于12脈動(dòng)換流器由晶閘管構(gòu)成，采用通斷工作方式，因此12脈動(dòng)換流器為典型非線性設(shè)備，必然產(chǎn)生諧波。

2.2 七甸變?nèi)诒b置諧波情況現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

在七甸變直流融冰裝置零功率調(diào)試及帶線路融冰試驗(yàn)過程中，在換流變閥側(cè)側(cè)監(jiān)測(cè)到明顯諧波含量，諧波電流以6k+1次和6k-1次為主，主要是5次、7次、11次、13次、17次、19次等低次諧波，其中，5次諧波電流含量達(dá)到20%以上。在換流變網(wǎng)側(cè)監(jiān)測(cè)到諧波，諧波電流主要是12k+1次和12k-1次為主，其中11次和13次諧波電流達(dá)到6%以上。

3 金屬氧化物避雷器

避雷器用于保護(hù)電力系統(tǒng)輸變電設(shè)備，使其免受過電壓危害，而其中，金屬氧化物避雷器以其優(yōu)異的非線性伏安特性、保護(hù)水平不受間隙放電特性限制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用[4]。在MOA日常預(yù)防性試驗(yàn)中，泄露電流試驗(yàn)可以較好判斷MOA絕緣是否存在內(nèi)部受潮、老化等缺陷，為避雷器實(shí)際狀況判斷提供依據(jù)。

在小電流區(qū)域，金屬氧化物避雷器可以等效為圖4所示的非線性電阻和電容的并聯(lián)等效電路[5-8]。其中，R為金屬氧化物非線性電阻，C為等效電容，u為加在MOA上的電壓，i為全泄露電流，iR為全泄露電流中的阻性分量，iC為全泄露電流中的容性分量。

圖4 MOA等效電路

4 諧波對(duì)MOA泄露電流的影響

因?yàn)橄到y(tǒng)中由直流融冰裝置產(chǎn)生的諧波隨次數(shù)的升高含量降低，因此含量高且影響大的為低次諧波，直流融冰裝置注入交流系統(tǒng)最低為11次諧波，假設(shè)系統(tǒng)中含有11次諧波，則此時(shí)加在MOA上的電壓：

式（8）中，U1、U11分別為施加電壓基波及其包含11次諧波的電壓幅值，φ11為第11次諧波電壓的相位角，此時(shí)泄露電流中容性分量為：

考慮到MOA工作于小電流區(qū)域時(shí)，電容C的變化很小，則有，將其與式（8）代入式（9）可得：

泄露電流中阻性分量為：

其中，R1為基頻下的非線性電阻值，R11為11倍頻下的非線性電阻值。

在式（10）及（11）中，可以看到，式（10）中的第二部分，式（11） 中的部 分均是由電壓諧波引起的，式（11）中是由非線性電阻引起的增量。

由此可見，系統(tǒng)中含有的諧波電壓，其幅值和相位均會(huì)對(duì)MOA泄露電流阻性分量和容性分量產(chǎn)生影響，造成泄露電流的增大。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以昆明供電局500 kV七甸變電站安裝的直流融冰裝置為背景，理論分析了該直流融冰裝置的諧波特性及對(duì)變電站MOA試驗(yàn)中泄露電流的影響，并將理論分析與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了理論分析的正確性，為進(jìn)一步指導(dǎo)直流融冰裝置的投運(yùn)和排除諧波對(duì)金屬氧化物避雷器泄漏電流帶電監(jiān)測(cè)的影響提供理論依據(jù)。本文可以得到以下結(jié)論：

1）500 kV變電站安裝的直流融冰裝置依靠半控型非線性元件晶閘管進(jìn)行換流，其非線性工作方式將在交直流側(cè)產(chǎn)生大量諧波。其中，在交流側(cè)為h=12k±1次（k為自然數(shù)）的諧波電流，在直流側(cè)為h=12k次（k為自然數(shù)）的諧波電壓。觸發(fā)角α、換相角μ、交流系統(tǒng)電壓E(或直流電流Id)等因素均影響特征諧波的數(shù)值。現(xiàn)場(chǎng)零功率調(diào)試和帶線路融冰試驗(yàn)均證明該諧波的存在性及其對(duì)系統(tǒng)的影響。

2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及理論分析均發(fā)現(xiàn)，直流融冰裝置投入運(yùn)行后，直流融冰裝置注入交直流側(cè)的諧波將對(duì)線路MOA的泄露電流帶電測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，由理論推導(dǎo)可知，諧波電壓幅值及相位均會(huì)影響MOA泄露電流值，且諧波含量越大，泄漏電流中阻性分量及容性分量都將增大，從而使得泄露電流試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與其真實(shí)值存在誤差，影響對(duì)MOA絕緣性能的判斷。