胡淑慧，趙冬一，趙 崢，黃 勇，張永耀，厙海波

（1.南陽金冠電氣有限公司，河南南陽 473000；2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 102209；3.國網(wǎng)直流建設(shè)部，北京 100000）

0 引言

自1989年中國第一條超高壓直流輸電工程-葛洲壩-上海南橋直流工程建成投運以來，直流輸電技術(shù)在中國穩(wěn)步發(fā)展。2009年12月，中國投運了世界上第一條電壓等級最高的直流輸電工程——云南－廣州±800 kV特高壓直流工程[1]。隨后相繼投運了向家壩-上海、錦屏-蘇南、溪洛渡-浙西和哈密-鄭州、靈州-紹興、酒泉-湘潭、晉北-南京、錫盟-泰州、扎魯特-青州等±800 kV特高壓直流輸電工程[2-5]。目前在建的還有上海廟-臨沂、等多條±800 kV特高壓直流輸電工程。

直流輸電系統(tǒng)的運行方式包括：1）雙極大地回線方式；2）單極大地回線方式和單極金屬回線方式[6]。在金屬回線運行的方式下，金屬回線避雷器（metallic return arrester，簡稱EM避雷器）接入系統(tǒng)中，EM避雷器是±800 kV特高壓直流換流站的關(guān)鍵過電壓保護設(shè)備之一。由于金屬回線很長，往往達1000 km以上，這將導(dǎo)致系統(tǒng)故障時產(chǎn)生在金屬回線上的過電壓歷時甚長，EM避雷器吸收的能量巨大，并且流過EM避雷器的電流波形具有顯著的特點。

EM避雷器安裝在金屬回線上，為金屬回線上的電氣設(shè)備提供絕緣保護，其運行工況與傳統(tǒng)的交流避雷器有很大的差別。我國已投運的高壓、特高壓直流輸電工程中，EM避雷器出現(xiàn)不少故障、甚至嚴重的爆炸事故[7-8]。因此，深入分析EM避雷器的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力和暫態(tài)應(yīng)力，研究±800 kV特高壓直流換流站EM避雷器的關(guān)鍵技術(shù)是十分重要的。筆者以我國靈州一紹興特高壓直流工程為依托，深入研究了±800 kV特高壓直流EM避雷器的關(guān)鍵技術(shù)。

1 特高壓直流輸電系統(tǒng)單極金屬回線運行方式

±800 kV特高壓直流工程一般是雙極兩端中性點接地。當一極故障停運而轉(zhuǎn)為單極運行時，為了減少直流輸電工程停運對兩端交流系統(tǒng)的影響，有時需要進行單極大地回線和金屬回線方式的相互轉(zhuǎn)換。圖1給出了單極大地回線和金屬回線方式帶負荷相互轉(zhuǎn)換示意圖[1]。

圖1 單極大地回線和金屬回線方式帶負荷相互轉(zhuǎn)換Fig.1 Load transfer between monopole earth loop and metal loop

以極Ⅰ從大地回線方式轉(zhuǎn)換為金屬回線方式以及轉(zhuǎn)回大地回線方式為例進行說明，極Ⅱ的方式與極Ⅰ類同。

1）極1大地回線方式的接線狀態(tài)。S1、S5和MRTB為閉合狀態(tài)；S2、S3、S4、S6、S7、S8和GRTS為斷開狀態(tài)。

2）極1大地回線方式轉(zhuǎn)換為金屬回線方式。合上S4、S8和GRTS，使極2導(dǎo)線和大地回線并聯(lián)。斷開MRTB，將大地回線中的電流轉(zhuǎn)移到金屬回線中去。當MRTB完全斷開時，方式轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，形成單極金屬回線運行方式。

3）極1金屬回線方式的接線狀態(tài)。S1、S5、S4、S8和GRTS為閉合狀態(tài)；S2、S3、S6、S8和MRTB為斷開狀態(tài)。

4）極1金屬回線方式轉(zhuǎn)換為大地回線方式。合上MRTB，使大地回路線與金屬回線并聯(lián)。斷開GRTS，將金屬回線中的電流轉(zhuǎn)移到大地回線中去。當GRTS完全斷開后，將S4、S8斷開。極1則又回到大地回線運行方式。

EM避雷器在金屬回線上的安裝位置見圖2[9-10]。

2 EM避雷器的電應(yīng)力分析

2.1 穩(wěn)態(tài)應(yīng)力

特高壓直流輸電系統(tǒng)中，在中性母線不接地端換流站的金屬回線上安裝有EM避雷器。EM避雷器在系統(tǒng)單極金屬回線的方式下正常運行時，承受的電壓較低，為線路電阻與最大運行電流的乘積。例如：某直流工程中輸電線路全長1438 km，每極直流線路的電阻值（標準情況下）為10.3 Ω，根據(jù)計算工況不同電阻值在10.3～13.3Ω的范圍內(nèi)取值。直流電流取值3125 A，則

當線路增長及運行電流增大時，EM避雷器的持續(xù)運行電壓也會增大，但一般不會超過100 kV，中國部分特高壓直流輸電工程中的EM避雷器的持續(xù)運行電壓見表1。

表1 中國部分特高壓直流工程EM避雷器的最大持續(xù)運行電壓值Table 1 Maximum continuous operating voltage of EM surge arresters for some UHVDC project in China

EM避雷器在正常運行條件下，施加到兩端的電壓是含有一定諧波的直流電壓，幅值較小，因此EM避雷器的荷電率較低，等效折合為30%～35%。

2.2 暫態(tài)應(yīng)力

中性母線是直流系統(tǒng)中運行電壓最低的部分，在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時，容易被系統(tǒng)其他部分影響而產(chǎn)生過電壓。在中性母線包括金屬回線上產(chǎn)生過電壓的可能情況：1）接地短路故障過電壓；2）斷線故障過電壓。其中接地短路故障過電壓最嚴重，下面我們主要分析這種故障下過電壓產(chǎn)生的機理及EM避雷器的暫態(tài)應(yīng)力。

我們按照某一特高壓直流工程的配置進行了仿真計算[11]。在仿真計算中性母線過電壓時，過電壓工況選擇單極金屬回線運行方式，因為在該方式下，整流站不直接接地，其中性母線包括金屬回線過電壓更嚴重。整流站中性母線上幾種嚴重過電壓工況：

1）換流橋和換流變壓器閥之間發(fā)生接地故障。運行方式：從送端換流站到受端換流站的單極金屬返回。事件序列：故障開始4 ms后，整流站移相。預(yù)故障條件：a）全電壓運行；b）直流電流最大；c）交流側(cè)電壓最大；d）整流運行方式；e）交流母線的短路容量最大。

2）平波電抗器閥側(cè)直流母線接地故障。運行方式：從送端換流站到受端換流站的單極金屬返回。事件序列：故障開始4 ms后，整流站移相。預(yù)故障條件：a）直流電流最大；b）整流運行方式；c）交流母線的短路容量最大。

3）直流線路接地故障。運行方式：從送端換流站到受端換流站的單極金屬返回。事件序列：靠近整流站，直流線路接地故障。重新啟動：金屬返回運行時100%Ud重啟兩次。預(yù)故障條件：a）直流電流最大；b）整流運行方式；c）交流母線的短路容量最大。

表2 EM避雷器的過電壓及能量計算結(jié)果Table 2 Calculation results of overvoltage and energy of EM arrester

由計算結(jié)果可以看出，送端極線永久故障考慮重啟時，EM避雷器上的過電壓及通過能量最為嚴重，最大過電壓為389 kV，最大能量為38.5 MJ。在直流極線發(fā)生接地故障時，直流系統(tǒng)對該故障的保護策略一般是移相一段時間，待線路去游離后重啟，重啟發(fā)現(xiàn)故障依舊存在時停止直流系統(tǒng)，在永久性故障的情況下，就相當于連續(xù)兩次對中性母線進行過電壓沖擊，故該故障過電壓下EM避雷器的通流容量是單次過電壓能量的2倍。

圖3中波形為送端極線永久故障EM避雷器兩端過電壓。

下面對送端極線接地故障過電壓機理進行分析討論。該故障造成的中性母線過電壓按照發(fā)展機理分為二個階段：1）由整流側(cè)換流器提供能量；2）由金屬回線續(xù)流提供能量。

圖3 送端極線永久故障EM避雷器上的過電壓波形圖Fig.3 Overvoltage waveform of EM arrester on permanent fault of sending terminal line

第一階段：極線發(fā)生接地故障時，4個6脈動換流器相當于4個疊加起來的直流電。此時，形成一個一端通過故障點接地、一端接在中性母線上的過電壓電源，該電源通過大地形成回路加在EM避雷器兩端，造成避雷器上的過電壓。因該過電壓電源極性為正，該電源高壓端接地，低壓端接在中性母線上，使得該階段避雷器上的過電壓極性為負。隨后直流電源因系統(tǒng)保護動作降至零，第一階段過電壓消失。此階段的過電壓能量與支流系統(tǒng)故障時輸送的能量直接相關(guān)，輸送的容量越大，這一階段的過電壓能量就越高。極接地故障產(chǎn)生過電壓第一階段等效原理圖見圖4。

圖4 極接地故障產(chǎn)生過電壓第一階段等效原理圖Fig.4 The first stage equivalent principle of overvoltage generated by pole grounding fault

第二階段：此階段因換流閥已經(jīng)關(guān)斷，金屬回線上的殘余電荷只能通過中性母線上連接的避雷器與大地形成回路進行續(xù)流，因為金屬回線殘余電荷形成的電流方向是從線路流向中性母線，使得中性母線電壓由第一階段的負極性過電壓逐漸升高為正極性過電壓，如圖5所示。該過電壓能量與金屬回線分布電感中的殘余能量直接相關(guān)，金屬回線長度即直流線路長度越長，故障發(fā)生時，直流電流越大，第二階段過電壓的能量就越大。極接地故障產(chǎn)生過電壓第二階段等效原理圖見圖5。

圖5 極接地故障產(chǎn)生過電壓第二階段等效原理圖Fig.5 The second stage equivalent principle of overvoltage generated by pole grounding fault

綜上所述，直流極線接地故障產(chǎn)生過電壓由兩個階段組成。第一階段過電壓能量與直接系統(tǒng)故障時輸送的容量直接相關(guān)，輸送容量越大，過電壓能量越高。第二階段過電壓能量與金屬回線上的殘余能量直接相關(guān)，金屬回線長度即直流線路越長，故障發(fā)生時直流電源電流越大，第二階段過電壓能量越高。并且，因直流系統(tǒng)對于該故障的保護策略一般是移相一段時間線路去游離后重啟，重啟發(fā)現(xiàn)線路故障依然存在時停止直流系統(tǒng)。這樣，相當于EM避雷器需要承受2倍的能量沖擊。

因此，EM避雷器的暫態(tài)應(yīng)力的特征非常明顯。通過EM避雷器的沖擊電流具有幅值低（＜1 kA）、持續(xù)時間長（一般10 ms以上）、多脈沖、正負極反轉(zhuǎn)的特點。EM避雷器需要吸收巨大的能量。中國特高壓直流輸電工程中的EM避雷器的能量吸收技術(shù)要求見表3。

表3 中國特高壓直流工程EM避雷器的能量吸收額定值Table 3 Rating energy absorption of EM surge arresters for UHV DC projects in China

考慮臨時接地的情況，第一次去游離后，重啟時，由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，可能去游離時間不夠，絕緣沒有完全恢復(fù)，在重啟時，直流電壓達到很高后絕緣再次擊穿，造成突然接地，EM避雷器會再次承受較大能量。故經(jīng)濟研究院已建議將在建的靈州-紹興、酒泉-湖南、晉北-江蘇、上海廟-山東、錫盟-泰州5條直流工程整流側(cè)EM避雷器能量設(shè)計值提高到50 MJ。

3 EM避雷器的關(guān)鍵技術(shù)研究

由上述研究分析可以看出，±800 kV特高壓直流EM避雷器的工況比較復(fù)雜，需要解決多項設(shè)計技術(shù)。國內(nèi)外對此避雷器技術(shù)開展了初步的研究，取得了一些研究成果[12-14]。中國在CIGRE 33/14.05、IEC60099-9:2012等國際標準的基礎(chǔ)上，制定了一系列直流輸電工程用避雷器的技術(shù)標準，如：GB/T22389—2008[15]、GB/T 25083—2010[16]及 Q/GDW 276—2009[17]。這些標準是基于早期直流輸電技術(shù)的科研成果而制定的。在實際工程調(diào)試和運行中，我們發(fā)現(xiàn)了一些新的問題，而對于這些問題上述標準并沒有給出明確的技術(shù)規(guī)范。

由于篇幅的限制，筆者依托靈州-紹興特高壓直流工程，開展了以下兩個方面的研究情況：1）低幅值、多脈沖的沖擊電流下金屬氧化物電阻片的能量吸收能力及篩選方法；2）多柱并聯(lián)電阻片柱分流技術(shù)。靈州-紹興±800 kV特高壓直流EM避雷器的主要技術(shù)參數(shù)見表4[18]。

表4 靈州-紹興±800 kV特高壓直流靈州站EM避雷器的主要技術(shù)參數(shù)Table 4 Main technical parameters of the EM lightning arrester of Lingzhou Station in Lingzhou-Shaoxing±800 kV UHV DC

3.1 低幅值、多脈沖的沖擊電流下金屬氧化物電阻片的能量吸收能力及篩選方法

金屬氧化物電阻片在不同的沖擊電流波形下，其吸收能量的能力有很大的差異。1999年，美國研究凝聚態(tài)物理的學(xué)者Bartkowiak、Mahan與Hubbell公司的Comber一起，從陶瓷材料的熱應(yīng)力角度出發(fā)，對建立的ZnO電阻片熱機模型進行計算，得出了不同波形和幅值沖擊電流下ZnO電阻片的應(yīng)力變化情況，揭示了ZnO電阻片能量耐受能力的熱機原理[19]。IEC TC37和 Cigre Working Group A3.17 在德國達姆施塔特理工大學(xué)，由Hinrichsen教授主持的試驗研究，進一步揭示了ZnO電阻片能量耐受能力與沖擊電流的峰值（即：電流密度）和持續(xù)時間之間的關(guān)系，包括不同規(guī)格電阻片，更多形式的沖擊電流波形和更加豐富的失效模式判據(jù)等[20]。

清華大學(xué)何金良教授指出，在不同的施加電壓下，流過金屬氧化物電阻片的電流通道是有差異的[21]。采用不同幅值的沖擊電流對電阻片進行能量沖擊，可以檢測到電阻片不同位置的缺陷。因此，在避雷器制造過程中，需要模擬避雷器實際工作中承受的沖擊電流波形，來對金屬氧化物電阻片進行能量耐受篩選試驗。

選擇使用一種組合方波電流沖擊對EM避雷器用金屬氧化物電阻片進行能量耐受篩選。具體采用以下方法：

1）根據(jù)實際工程中避雷器承受的沖擊電流波形，計算出每個脈沖的轉(zhuǎn)移電荷量QS、總的持續(xù)時間Ts。

2）按照轉(zhuǎn)移電荷量相等的原則，計算出相對應(yīng)的每個2 ms方波沖擊電流等效峰值A(chǔ)d。

實際工程中，避雷器承受的沖擊電流總的持續(xù)時間不大于1 min時，組合方波電流沖擊可按照1 min內(nèi)完成所有沖擊能量注入進行。實際工程中，避雷器承受的沖擊電流總的持續(xù)時間大于1 min時，組合方波電流沖擊可按照相等的時間內(nèi)完成所有沖擊能量注入的方式進行。

3）按照一定的時序要求，對金屬氧化物電阻片施加一定幅值的、多脈沖的組合2 ms方波電流沖擊的能量篩選。

4）一般情況下，需要采用多次的組合2 ms方波電流沖擊對金屬氧化物電阻片的能量篩選。例如：對金屬氧化物電阻片的正、反面各2次，共4次沖擊篩選。對金屬氧化物電阻片進行多次的組合2 ms方波電流沖擊能量篩選時，每次組合沖擊之間的間隔時間△t根據(jù)工程的具體要求而確定。

例如：某特高壓直流輸電工程中，EM避雷器在逆變站直流極線接地故障時，考慮故障重啟，流過的電流波形如圖6所示，現(xiàn)場過電壓水平為-372.6～380.8 kV。在換流站直流極線接地故障時，現(xiàn)場過電壓水平為-388～382 kV。

圖6 某特高壓直流工程中EM避雷器的電壓波形圖Fig.6 Voltage and current waveforms of EM surge arresters in a UHVDC project

從圖6中可看出，避雷器承受了2次電流沖擊，其中1次正極性，1次負極性。由EM避雷器伏安特性曲線計算，可得2次電流沖擊的轉(zhuǎn)移電荷量和峰值持續(xù)時間，見表5。

表5 2次電流沖擊的轉(zhuǎn)移電荷量和峰值持續(xù)時間Table 5 Transfer charge and peak duration of 2 current impulse

總的持續(xù)時間Ts=50 ms＜1 min。

按照轉(zhuǎn)移電荷量相等的原則，可以將避雷器實際耐受沖擊電流波形轉(zhuǎn)換成使用2 ms方波電流沖擊波形。理想的2 ms方波電流沖擊峰值：Ad=500×QS（A）。見表6。

表6 組合2 ms方波電流沖擊波形峰值計算Table 6 Peak value calculation of combined 2 ms square wave current shock wave

考慮到極端嚴酷的情況，我們按每片電阻片正反各打2次、1500 A的2 ms組合方波進行篩選。

分別采用常規(guī)方法和組合2 ms方波電流沖擊波形對金屬氧化物電阻片進行篩選試驗。

選取1批?105 mm×22.5 mm金屬氧化物電阻片，共200片，隨機分成2組：1號、2號。1號采常規(guī)方法篩選，用2 ms方波電流沖擊波形（峰值：2300 A）正反各打一次；2號采用組合2 ms方波電流沖擊波形對金屬氧化物電阻片進行篩選試驗。電阻片1500 A正、反面各打2次，共4次沖擊篩選，每次之間的間隔時間Δt≤1 min。試驗統(tǒng)計結(jié)果見表7。

然后對1號組的已經(jīng)篩選的電阻片采用組合2 ms方波電流沖擊波形對金屬氧化物電阻片再次進行篩選試驗，電阻片的正、反面各2次，共4次沖擊篩選，每次之間的間隔時間△t≤1min。試驗統(tǒng)計結(jié)果見表8。損壞情況見圖8。

表7 ?105 mm×22.5 mm金屬氧化物電阻片能量篩選結(jié)果Table 7 Energy screening results of?105 mm×22.5 mm metal oxide varistor

表8 再次采用組合2 ms方波電流沖擊驗證?105 mm×22.5 mm金屬氧化物電阻片能量篩選結(jié)果Table 8 Thirdly，theenergyscreeningresultsof?105mm×22.5 mm metal oxide varistor were verified by the combination of 2 ms square wave current impact

圖7 金屬氧化物電阻片在方波電流沖擊下?lián)p壞的情況Fig.7 The damage of metal oxide resistor sheet under square wave current

試驗表明，組合2 ms方波電流沖擊波形對金屬氧化物電阻片進行篩選方法可有效剔除有缺陷的金屬氧化物電阻片，并且其損壞的方式主要是電阻片中間部位擊穿。

3.2 多柱并聯(lián)電阻片柱分流技術(shù)

EM避雷器需要吸收巨大的能量，甚至高達幾十MJ，因此要多柱電阻片柱并聯(lián)。EM避雷器在實際最嚴酷的工況中，流過避雷器的電流為200～500 A、波前時間0.1～1 ms的沖擊電流波。此伏安特性區(qū)域內(nèi)金屬氧化物電阻片非線性系數(shù)值最大，不利于金屬氧化物電阻片分流。我們在以前研究的基礎(chǔ)上[22-24]，采用串聯(lián)SiC電阻片或線性電阻技術(shù)來降低最大電流分布不均勻系數(shù)。

我們選用1批?105 mm×22.5 mm金屬氧化物電阻片進行試驗。將電阻片配置成2柱電阻片柱，按照電阻片殘壓比計算出的電阻片柱伏安曲線見圖8，前部分為操作伏安曲線，后部分為雷電伏安曲線。測量其電流分布不均勻系數(shù)見表9?？梢钥闯?柱電阻片柱的雷電沖擊電流分布不均勻系數(shù)雖然比較?。?.03），但是操作沖擊電流分布不均勻系數(shù)卻較大（1.09），需要進一步降低不均勻系數(shù)。

圖8 2柱電阻片柱伏安曲線（前：操作；后：雷電）Fig.8 Under the scheme 1，the U-I curve of the column of the 2 column（Front:operation；Behind:lightning）

表9 2柱電阻片柱電流分布不均勻系數(shù)Table 9 Two column resistance sheet current distribution non-uniform coefficient

在每柱電阻片柱中串聯(lián)1片ZnO大功率線性電阻片。線性電阻片的參數(shù)見表10。串聯(lián)線性電阻的原則：保持整只EM避雷器在標稱沖擊電流下的雷電、操作殘壓滿足技術(shù)要求，即：8/20、20 kA雷電殘壓≤431 kV，30/60、6 kA操作殘壓≤393 kV。見圖9（為方便對比，將未加線性電阻的電阻片柱也放進去）。

表10 D105 ZnO大功率線性電阻片技術(shù)參數(shù)Table 10 Technical parameters of D105 ZnO high power linear resistors

對串聯(lián)線性電阻后的電阻片柱進行沖擊電流分布不均勻系數(shù)測量，測量時將電阻片柱加熱到60℃±2℃，結(jié)果見表11。

圖9 方案1下的2柱電阻片柱伏安曲線Fig.9 Under the scheme 1，the U-I curve of the column of the 2 column

表11 串聯(lián)線性電阻后2柱電阻片柱電流分布不均勻系數(shù)Table 11 The nonuniform current distribution coefficient of the 2 column resistance column after series linear resistance

從表11可看出：線性電阻串聯(lián)在電阻片柱中，有效改善了電流分布，顯著降低了沖擊電流分布不均勻系數(shù)。電阻片柱中串聯(lián)線性電阻，使電流分布具有自平衡功能，因為在同一電壓下，當某一柱電流增大時，串聯(lián)的線性電阻兩端的電壓將增大，這樣非線性電阻片兩端的電壓就減小，電流因其非線性跟著迅速減小，反之亦然，形成負反饋，使電流分布趨于均勻。

4 結(jié)論

1）±800 kV特高壓直流工程EM避雷器在正常運行狀態(tài)下，施加到EM避雷器兩端的電壓是含有一定諧波的直流電壓，幅值較小，因此EM避雷器的荷電率較低，在30%～35%。暫態(tài)應(yīng)力具有沖擊電流幅值低（＜1 kA）、持續(xù)時間長（一般10 ms以上）、多脈沖、正負極反轉(zhuǎn)的特點，EM避雷器需要吸收巨大的能量。

2）在設(shè)計時，考慮臨時接地情況，第一次去游離后，重啟，絕緣再次擊穿，造成突然接地，EM避雷器會再次承受較大能量，故建議直流工程整流側(cè)EM避雷器能量設(shè)計值提高到50 MJ。

3）試驗表明，組合2 ms方波電流沖擊波形對金屬氧化物電阻片進行篩選方法可有效剔除有缺陷的金屬氧化物電阻片，并且其損壞的方式主要是電阻片中間部位擊穿。因此，采用近似直流工程中實際波形的低幅值多脈沖的沖擊電流對金屬氧化物電阻片進行能量篩選，是保證EM避雷器能夠可靠運行的關(guān)鍵技術(shù)。

4）在電阻片柱中串聯(lián)線性電阻，形成電流負反饋，達到自平衡效果，可以顯著降低沖擊電流分布不均勻系數(shù)。