直流融冰装置谐波对避雷器泄露电流的影响

李蓉，赵威，杨超，白添凯，贺牧

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明 650011）

0 前言

在七甸直流融冰装置零功率调试和带线路融冰工作中，试验发现直流融冰装置产生的谐波不仅会影响站用变工作、保护动作，还会影响金属氧化物避雷器泄露电流的测量，从而影响对系统设备绝缘特性的判断。本文主要研究七甸变直流融冰装置及其谐波特性，进一步研究直流融冰装置产生的谐波对系统中金属氧化物避雷器（Metal Oxide Arrester, MOA）泄露电流测量的影响，给出这一过程的理论推导与分析，为进一步指导直流融冰装置的投运和排除谐波对金属氧化物避雷器泄漏电流带电监测的影响提供理论依据。

1 变直流融冰装置概况

昆明供电局某500 kV变加装的直流融冰装置采用12脉动换流器结构，如图1所示。图1中，T为换流变压器，采用三相三绕组变压器；12p为12脉动换流器、6p为6脉动换流器；Ld为平波电抗器。12脉动换流器由两个6脉动换流器在直流侧串联，交流侧通过换流变压器并联构成。换流变压器的阀侧绕组一个为星形接线，另一个为三角形接线，这使得两个6脉动换流器在交流侧得到相位相差30°的换相电压，从而构成12脉动。

图1 七甸直流融冰装置12脉动整流器原理

每个6脉动换流器（6p）采用三相桥式电路，如图2所示。图2中VT1~VT6代表6脉动换流器中的6个换流阀，每一个换流阀由若干个晶闸管串联组成，数字1~6就代表了换流阀工作时的依次导通顺序。ua、ub、uc为交流系统等值基波相电压；Lr为每相的等值换相电感，由换流变压器漏感和交流系统等值电感组成；Ld为平波电抗器的电感值；m和n分别是6脉动整流器的共阴极点和共阳极点；N为交流系统参考电位。

图2 6脉动整流器原理

2 变直流融冰装置谐波分析

2.1 直流融冰装置谐波理论分析

直流融冰装置整流器由于采用半控型元件晶闸管，属于电网换相换流器，在运行时需要吸收大量无功功率，同时向电网输出大量谐波。图3中，从上往下分别为12脉动整流器的整流电压波形、Y/Y接线型换流变阀侧相电流波形、Y/Δ接线型换流变阀侧相电流波形和换流变网侧交流系统相电流波形。

图3 12脉动整流器的整流电压Ud波形、Y/Y接线换流 变阀侧相电流iAY波形、Y/Δ换流变阀侧相电流iAD波形、 换流变网侧交流系统相电流iA波形

将图3中各变量波形运用傅里叶级数进行分解，可以得到有关12脉动换流器正常运行时的一般性结论[1-3]：

1）整流电压ud中所含的特征谐波次数为h=12k次（k为自然数），即含有12、24、36……次特征谐波，其中第h次特征谐波电压的有效值为C：

式中，α为触发角，μ为换相角，谐波电压系数为：

（5）施加一定应力后，ND钢钝化膜被机械破坏，导致基体遭遇更严重的腐蚀，而Corten钢在相同情况下能依靠内侧掺混残存的少量合金元素形成的氧化物减缓腐蚀速率，因此，Corten钢腐蚀速率更低。对耐腐蚀材料采取掺混合金及表面强化相结合的方式可能更有利于抵御应力对耐腐蚀性的削弱。

理想空载直流电压为：

当换相角μ=0时，第h次特征谐波电压的有效值为：

2）交流侧相电流iA中所含的特征谐波次数为h=12k±1次（k为自然数），即含有11、13、23、25……次特征谐波，其中第h次特征谐波电流的有效值为：

式中谐波电流系数为：

空载时基波电流有效值为：

由式（1）~式（7）可见，对于12脉动换流器产生的注入交直流侧的特征谐波来说，存在以下关系：

1）随着谐波次数的增加，各次谐波的数值减小，当次数增加达到一定程度，谐波将以电磁波的形式发射到空间中，而不再存在于交直流侧。因此，对系统危害最大的是次数较低的谐波。

2）从式中可以看出，特征谐波数值大小的影响因素较多，主要有：触发角α、换相角μ、交流系统电压E（或直流电流Id）等因素。

上述分析表明，由于12脉动换流器由晶闸管构成，采用通断工作方式，因此12脉动换流器为典型非线性设备，必然产生谐波。

2.2 七甸变融冰装置谐波情况现场验证

在七甸变直流融冰装置零功率调试及带线路融冰试验过程中，在换流变阀侧侧监测到明显谐波含量，谐波电流以6k+1次和6k-1次为主，主要是5次、7次、11次、13次、17次、19次等低次谐波，其中，5次谐波电流含量达到20%以上。在换流变网侧监测到谐波，谐波电流主要是12k+1次和12k-1次为主，其中11次和13次谐波电流达到6%以上。

3 金属氧化物避雷器

避雷器用于保护电力系统输变电设备，使其免受过电压危害，而其中，金属氧化物避雷器以其优异的非线性伏安特性、保护水平不受间隙放电特性限制、结构简单等优点在电力系统中获得了广泛应用[4]。在MOA日常预防性试验中，泄露电流试验可以较好判断MOA绝缘是否存在内部受潮、老化等缺陷，为避雷器实际状况判断提供依据。

在小电流区域，金属氧化物避雷器可以等效为图4所示的非线性电阻和电容的并联等效电路[5-8]。其中，R为金属氧化物非线性电阻，C为等效电容，u为加在MOA上的电压，i为全泄露电流，iR为全泄露电流中的阻性分量，iC为全泄露电流中的容性分量。

图4 MOA等效电路

4 谐波对MOA泄露电流的影响

因为系统中由直流融冰装置产生的谐波随次数的升高含量降低，因此含量高且影响大的为低次谐波，直流融冰装置注入交流系统最低为11次谐波，假设系统中含有11次谐波，则此时加在MOA上的电压：

式（8）中，U1、U11分别为施加电压基波及其包含11次谐波的电压幅值，φ11为第11次谐波电压的相位角，此时泄露电流中容性分量为：

考虑到MOA工作于小电流区域时，电容C的变化很小，则有，将其与式（8）代入式（9）可得：

泄露电流中阻性分量为：

其中，R1为基频下的非线性电阻值，R11为11倍频下的非线性电阻值。

在式（10）及（11）中，可以看到，式（10）中的第二部分，式（11） 中的部 分均是由电压谐波引起的，式（11）中是由非线性电阻引起的增量。

由此可见，系统中含有的谐波电压，其幅值和相位均会对MOA泄露电流阻性分量和容性分量产生影响，造成泄露电流的增大。

5 结束语

本文以昆明供电局500 kV七甸变电站安装的直流融冰装置为背景，理论分析了该直流融冰装置的谐波特性及对变电站MOA试验中泄露电流的影响，并将理论分析与实际试验结果进行了对比，验证了理论分析的正确性，为进一步指导直流融冰装置的投运和排除谐波对金属氧化物避雷器泄漏电流带电监测的影响提供理论依据。本文可以得到以下结论：

1）500 kV变电站安装的直流融冰装置依靠半控型非线性元件晶闸管进行换流，其非线性工作方式将在交直流侧产生大量谐波。其中，在交流侧为h=12k±1次（k为自然数）的谐波电流，在直流侧为h=12k次（k为自然数）的谐波电压。触发角α、换相角μ、交流系统电压E(或直流电流Id)等因素均影响特征谐波的数值。现场零功率调试和带线路融冰试验均证明该谐波的存在性及其对系统的影响。

2）现场测试及理论分析均发现，直流融冰装置投入运行后，直流融冰装置注入交直流侧的谐波将对线路MOA的泄露电流带电测试结果产生影响，由理论推导可知，谐波电压幅值及相位均会影响MOA泄露电流值，且谐波含量越大，泄漏电流中阻性分量及容性分量都将增大，从而使得泄露电流试验得到的数据与其真实值存在误差，影响对MOA绝缘性能的判断。