可控自恢复消能装置避雷器多次冲击能量耐受特性研究

张彦杰， 李红伟， 郎小华， 李宝兵， 李石磊， 刘 凯， 刘晓玮，袁素梅， 姚玉锁 ， 赵大翠， 刘 杉， 张搏宇

(1.平高东芝(廊坊)避雷器有限公司，河北 廊坊 065001；2.全球能源互联网研究院有限公司，北京 102209；3.中国电力科学研究院有限公司，北京1001921)

0 引 言

白鹤滩水电站是世界在建最大水电站，总装机容量16 GW，建成后将仅次于三峡工程的世界第二大水电站[1]。国家“西电东送”核心枢纽工程——白鹤滩-江苏±800千伏特高压直流输电工程(简称“白鹤滩-江苏工程”)，是促进国家能源结构调整和节能减排的重大清洁能源项目。工程起于四川凉山州的白鹤滩换流站，止于江苏苏州的虞城换流站，末端虞城换流站将在世界直流输电领域首次应用常规直流和柔性直流混合级联技术[2-7]。其研发应用的能够快速实现毫秒级能量平衡的可控自恢复消能装置，能有效缓解华东电网火电机组减少导致的电压稳定压力，从而大幅提升华东电网的受电能力。

可控自恢复消能装置用于限制混合级联拓扑低压端VSC换流阀在系统故障下的过电压，并吸收积累在VSC换流阀的盈余功率，以提高系统故障穿越能力。其拓扑结构如图1所示，由保护用避雷器(固定部分MOA1、可控部分MOA2)、开关K等部分组成[8-10]。正常运行时，开关K打开，避雷器整体接入系统；发生故障时，开关K合闸，可控部分旁路，固定部分限制VSC过电压；待故障清除后，开关K再次打开，避雷器整体接入系统，系统恢复正常运行[8]。可控避雷器是通过控制避雷器可控部分的投切，保证正常工况下低荷电率，严重故障下低残压，抑制暂时过电压，保护VSC子模块。

图1 可控自恢复消能装置拓扑结构Fig.1 Topological structure of novel energy dissipation device

可控自恢复消能装置避雷器(以下简称“可控避雷器”)需要在时间长达百毫秒级的系统短路故障下，吸收VSC换流阀的大量盈余功率，因此需要具有单次能量吸收能力高、耐受通流时间长、动作次数多等特点。可控避雷器的关键技术就是解决防闪络结构、高能量电阻片一致性、长期运行可靠性等问题[9]。可控避雷器防闪络问题已经解决，结构设计采用了防闪络结构，可以有效防止单个电阻片侧面闪络引起整只避雷器故障，并通过监测系统及时查找故障点，以便得到及时处理，不会造成线路异常停电。为了可控避雷器可以安全、可靠地运行，需要对电阻片的可靠性开展研究，研究电阻片耐受多次冲击能量耐受的能力以及耐受后电阻片的性能变化情况，对确保可控避雷器长期可靠运行具有重要意义[10]。

1 可控避雷器参数

平高东芝(廊坊)避雷器有限公司(简称“平高东芝廊坊”)供货白鹤滩-江苏工程虞城站可控避雷器，避雷器固定部分技术要求,不含热备用能量吸收能力不低于320 MJ，再考虑20%整体热备用，避雷器吸收能量不低于384 MJ。避雷器寿命40年，动作次数大于200次。

可控避雷器参数如表1。

表1 可控避雷器参数Table 1 The parameter of controllable arrester

按照技术要求整台避雷器由固定部分与可控部分串联组成，固定部分采用4节串联、136柱并联结构，可控部分采用1节串联、136柱并联结构。公司生产的QA22电阻片(尺寸φ100×22 mm)可以满足可控避雷器电气参数的相关技术要求和性能参数，依据GB/T2389-2008及可控避雷器技术规范开展验证试验。

2 综合试验方案

选取同批次特征参量相近的15片电阻片，将电阻片随机分成3组，每组5片，依次使用A、B、C为组别编号，各组中的各电阻片也有确定且唯一编号。电阻片编号如表2。

表2 电阻片编号Table 2 The number of resistors

可控避雷器要求寿命周期内动作次数大于200次，本研究按照电阻片耐受210次2 ms方波冲击电流进行，试验时考虑电流分布不均匀系数的影响，单次能量大于35 kJ(可控避雷器技术要求单次吸收能量大于32.5 kJ，电流分布不均匀系数要求不大于1.05。)。

A组电阻片依次按照顺序进行下列试验，210次冲击能量耐受试验、加速老化试验、大电流冲击耐受试验、热稳定试验。每次试验前后测量电阻片直流1 mA参考电压UDC1 mA、0.75倍直流参考电压下漏电流I0.75、30/60 μs波形下500 A残压Ures.500A、8/20 μs波形下10 kA残压Ures.10 kA、直流5 mA参考电压时组内均流βDC、工频参考电压下组内均流βAC、30/60 μs波形组内均流β30/60[11-24]。

A组进行冲击能量耐受试验后，A、B组进行加速老化试验。加速老化试验后，A、C组依次进行大电流冲击耐受试验、热稳定试验。试验前后测量电阻片特征参量UDC1 mA、I0.75、Ures.500 A、Ures.10 kA。

表3 电阻片分组Table 3 The group of resistors

A组电阻片210次冲击能量耐受试验过程中，每隔30次测量电阻片UDC1mA、I0.75。A组电阻片进行每项试验前后进行特征参量测量。

通过分析特征参量的变化，发现电阻片性能的变化情况。通过对组间电阻片特征参量变化情况的分析，发现一些规律，初步掌握多次冲击能量耐受对电阻片性能的影响。

3 能量耐受试验

能量耐受试验依据GB/T 22389-2008第7.10、9.9条进行，试验采用2 ms方波，试验时考虑电流分布不均匀系数的影响，单次能量大于35 kJ(可控避雷器技术要求单次吸收能量大于32.5 kJ，电流分布不均匀系数要求不大于1.05。)， 3次为一组，共进行210次70组，2次冲击间隔时间为50 s～60 s，2组之间使试品冷却到接近环境温度，检查电阻片外观情况[25]。

试验过程中，每10组(30次)试验后测量电阻片UDC1mA、I0.75。试验前后测量电阻片特征参量UDC1mA、I0.75、Ures.500A、Ures.10kA、βDC、βAC、β30/60。

试验后，电阻片应无击穿、闪络、破损或其他明显损伤的痕迹，且试验前后残压变化率不大于5%。

能量耐受试验数据如表4。

表4 能量耐受试验数据Table 4 Test data of energy tolerance test

能量耐受试验过程，UDC1mA随着电流冲击次数增加无明显变化；I0.75随着电流冲击次数增加而微增大，第20组后I0.75趋于稳定。

试验前后特征参量如表7。

表5 能量耐受试验过程中UDC1mA测量结果Table 5 UDC1mA measurement during energy tolerance test kV

表6 能量耐受试验过程中I0.75测量结果Table 6 I0.75measurement during energy tolerance test μA

表7 能量耐受试验前后电阻片特征参量测量结果Table 7 Characteristic parameters measurement of

能量耐受试验后，电阻片无击穿、闪络、破损或其他明显损伤的痕迹。仅A2UDC1mA微升0.19%，其它电阻片UDC1mA无变化，平均微增大0.04%；Ures.500A普遍增大，平均增大1.39%；Ures.10kA微增大，平均增大0.13%；I0.75增大，平均增大6.89%(1.39 μA)，试验通过。综合判断，试验后电阻片未见明显劣化。

4 加速老化试验

A组电阻片完成能量耐受试验后，A、B两组在相同试验条件下进行加速老化试验，以研究210次冲击能量耐受对老化特性的影响[26]。试验依据GB/T 22389-2008第9.11.2条进行，采用纯直流。依据Arrhenius公式，加速老化试验按温度125 ℃、时间210 h进行，工程用避雷器的设计荷电率为81.3%,试验按照偏严考虑，直流加速老化试验的试品施加电压荷电率按95%进行折算[6]。在施加电压1 h～2 h之间测量在电压U下电阻片的功率损耗P1。在测量P1后，每隔0.1 h采集一次电阻片的功率损耗，试验过程中测得功率损耗中的最小功率损耗为P3，在不间断施加U计210 h后，在相同条件下测量功率P2。试验要求P2≤1.1P3且P2≤P1，试验后电阻片应无击穿、闪络、破损或其他明显损伤的痕迹。试验前后测量所有电阻片特征参量。A组试验后需测量βDC、βAC、β30/60。

A、B组电阻片加速老化试验开始后2小时附近达到最大功率损耗，之后功率损耗开始减小，直至趋于稳定，A组电阻片与B组电阻片功率损耗曲线变化趋势一致。两组电阻片功耗满足P2≤1.1P3且P2≤P1的要求，试验后电阻片无击穿、闪络、破损或其他明显损伤的痕迹，试验通过。

加速老化试验功率损耗曲线如图2。

图2 加速老化试验功率损耗曲线Fig.2 Power loss curve of accelerated aging test

电阻片加速老化试验前后特征参量如表8-9。

新时期公路工程项目数量与建设力度都在不断增加，公路工程建设施工单位面临的质量安全问题迎来了更多的挑战，甚至影响着施工单位自身的市场竞争力。因此，公路工程建设施工单位在一定程度上采取了监管措施，只是其监管工作依旧存在一些问题。

表8 A组电阻片加速老化试验前后特征参量测量结果Table 8 Characteristic parameters measurement of resistors before and after accelerated aging test of group A

表9 B组电阻片加速老化试验前后特征参量测量结果Table 9 Characteristic parameters measurement of resistors before and after accelerated aging test of group B

分析试验前后特征参量数据，A组、B组电阻片UDC1mA、Ures.500A、Ures.10kA增大，I0.75减小，两组电阻片特征参量变化趋势一致。UDC1mA，A组平均增大4.43%，B组平均增大3.51%。Ures.500A，A组平均增大2.88%，B组平均增大2.92%。Ures.10kA，A组平均增大2.21%，B组平均增大2.19%。I0.75，A组平均减小26.17%(平均减小5.66μA)，B组平均减小32.06%(平均减小6.25μA)。A组电阻片承受210 次冲击能量耐受后，电阻片老化特性未见明显影响。

5 大电流冲击耐受试验

A组电阻片完成加速老化试验后，A、C两组在相同试验条件下进行大电流冲击耐受试验。试验依据GB/T 22389-2008第7.11、9.10条进行，试验时考虑电流分布不均匀系数的影响，电阻片耐受两次4/10 μs 105 kA冲击(可控避雷器电流分布不均匀系数要求不大于1.05)，两次之间间隔时间应能使电阻片冷却到环境温度[27-29]。试验后电阻片应无击穿、闪络、破损或其他明显损伤的痕迹。电阻片以研究210次长持续时间电流冲击耐受、加速老化试验对大电流冲击耐受试验的影响。试验前后测量所有电阻片特征参量。A组电阻片试验后需测量βDC、βAC、β30/60。

两组电阻片大电流冲击耐受试验后，电阻片无击穿、闪络、破损或其他明显损伤的痕迹，试验通过。

电阻片大电流冲击耐受试验前后特征参量如表10至表11。

表10 A组电阻片大电流冲击耐受试验前后特征参量测量结果Table 10 Characteristic parameters measurement of resistors before and after high current impulse test of group A

表11 C组电阻片大电流冲击耐受试验前后Table 11 Characteristic parameters measurement of resistorsbefore and after high current impulse test of group C

分析试验前后特征参量数据，两组电阻片UDC1mA减小，Ures.500A、I0.75增大，Ures.10kA有增大有减小无规律，两组电阻片特征参量变化趋势一致。UDC1mA，A组平均减小1%，B组平均减小1.04%。Ures.500A，A组平均增大0.39%，C组平均增大0.34%。Ures.10kA，A组平均增大0.27%，C组平均增大0.08%。I0.75，A组平均增大38.17%(平均增大6.08 μA)，C组平均增大27.12%(平均增大4.98 μA)。

A组电阻片承受210次长持续时间电流冲击耐受、加速老化试验后，电阻片大电流冲击耐受性能未见明显变化。

6 热稳定试验

A、C两组电阻片完成大电流冲击耐受试验后，在相同试验条件下进行热稳定试验。试验依据GB/T 22389-2008第7.11、9.11.7条进行，试验过程中电阻片的温度稳定地降低，则认为比例单元是热稳定的，认为通过了本试验。试验后，电阻片应无击穿、闪络、破损或其他明显损伤的痕迹，且试验前后残压变化率不大于5%。

试验前进行比例单元、避雷器固定部分元件和可控部分元件的热等价性能试验，比例单元的相对温升应高于避雷器的相对温升。

热等价相对温升曲线如图3。

图3 热等价相对温升曲线Fig.3 Thermally equivalent relativetemperature curve

将电阻片制成比例单元放在烘箱内预热，试品温度为60℃±3℃。将比例单元从烘箱中取出，并应尽可能短且不超过5 min的时间内，对试品施加1次大于34.6 kJ的能量耐受，然后应尽可能快且在不超过100 ms的时间内，对试品施加30 min荷电率100%的直流电压(高于避雷器CCOV)，监测电阻片温度[30-31]。试验时考虑电流分布不均匀系数的影响，单次能量大于34.6 kJ(可控避雷器技术要求单次吸收能量大于32.5 kJ，电流分布不均匀系数要求不大于1.05。)。

以研究210次冲击能量耐受、加速老化试验、大电流冲击耐受试验对热稳定试验的影响。试验前后测量所有电阻片特征参量。A组电阻片试验后需测量βDC、βAC、β30/60。

两组电阻片施加30 min荷电率100%直流电压过程中，所有电阻片温度呈下降趋势，达到热稳定，试验通过。A组、C组电阻片温度散热趋势一致，无明显差异。

两组电阻片热稳定试验后，电阻片无击穿、闪络、破损或其他明显损伤的痕迹，且试验前后残压变化率不大于5%。

试验过程中试品温度散热曲线如图4。

图4 温度散热曲线Fig.4 Temperature cooling curve

两组电阻片试验数据如表12。

表12 热稳定试验数据Table 12 The data of thermal stability test

热稳定试验前后特征参量如表13-14。

两组电阻片特征参量变化趋势一致，UDC1mA增大，Ures.500A、Ures.10kA、I0.75减小。UDC1mA，A组平均增大0.89%，C组平均增大0.8%。Ures.500A，A组平均减小1.72%，C组平均减小1.5%。Ures.10kA，A组平均减小1.03%，C组平均减小0.57%。I0.75，A组平均减小14.96%(平均减小3.31μA)，C组平均减小14.61%(平均减小3.43μA)。A组电阻片承受210 次长持续时间电流冲击耐受、加速老化试验、大电流冲击耐受试验后，电阻片热稳定性能未见明显变化。

表13 A组电阻片热稳定试验前后特征参量测量结果Table 13 Characteristic parameters measurement before and after thermal stability test of group A

续表

表14 C组电阻片热稳定试验前后特征参量测量结果Table 14 Characteristic parameters measurement before and after thermal stability test of group C

7 A组试验过程中特征参量变化

A组电阻片承受住了210次冲击能量耐受，长持续时间电流冲击耐受后进行加速老化试验、大电流冲击耐受试验、热稳定试验过程中，未发生击穿、闪络、开裂、破碎等损坏。每次试验前后测量电阻片特征参量UDC1mA、Ures.500A、Ures.10kA、I0.75、βDC、βAC、β30/60。

整个试验过程中A组电阻片特征参量变化量曲线如图5。

图5 A组特征参量变化量曲线Fig.5 Characteristic parameter variation curves of group A

完整试验周期前后，UDC1mA、Ures.500A、Ures.10kA增大，UDC1mA平均增大4.35%，Ures.500A平均增大2.9%，Ures.10kA平均增大1.28% 。I0.75减小，平均减小7.33%(1.49μA)。βAC未变，βDC、β30/60微减小。每个试验项目后，5片电阻片特征参量变化趋势一致，变化量接近。

8 结论

通过对电阻片进行210次长持续时间电流冲击耐受试验，以及耐受长持续时间电流冲击的电阻片与未耐受长持续时间电流冲击的电阻片相同条件下进行加速老化试验、大电流冲击耐受试验、热稳定试验研究得出如下结论：

1)电阻片耐受210次冲击能量耐受试验过程中特征参量UDC1mA、I0.75随着冲击次数增加，微增大，第20组后I0.75趋于稳定。试验后电阻片未发生击穿、闪络、开裂、破损等损坏，Ures.10kA、UDC1mA变化率小于1% 。210次长持续时间电流冲击耐受后，电阻片未见明显劣化。

2)能量耐受试验后的电阻片，依次同未进行长持续时间电流冲击耐受的电阻片同等条件下进行加速老化试验、大电流冲击试验、热稳定试验。各试验后，耐受长持续时间电流冲击的电阻片与未耐受长持续时间电流冲击的电阻片特征参量变化趋势一致，变化量无明显差异。证明210次长持续时间电流冲击耐受对电阻片的老化特性、通流能力以及保护性能没有明显影响。

3)电阻片耐受210次冲击能量耐受、加速老化试验、大电流冲击耐受试验、热稳定试验后，电阻片特征参量UDC1mA、Ures.10kA增大，变化率小于5%；I0.75减小；β近似无变化，各特征参量变化均满足国家标准或企业要求。电阻片经受不同能量考核后，无明显劣化，性能良好。

4)QA22电阻片性能满足白鹤滩-江苏工程(虞城站)用可控避雷器单次能量吸收大、动作次数多、长期运行可靠性高的需求。