劉勁松， 禹晉云， 張啟浩， 孫小偉， 梁迪團(tuán)

(中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明 650000)

0 引 言

直流轉(zhuǎn)換開關(guān)是高壓直流輸電工程中關(guān)鍵的設(shè)備之一。雙端直流系統(tǒng)的運(yùn)行方式多樣，除通常采用的雙極接線方式外，在單極運(yùn)行時(shí)還可采用大地回線或金屬回線接線方式[1-2]。當(dāng)直流系統(tǒng)以單極大地回線運(yùn)行時(shí)，將導(dǎo)致變電站內(nèi)以中性點(diǎn)接地方式運(yùn)行的變壓器產(chǎn)生直流偏磁。此外，直流電流也會(huì)使直流系統(tǒng)中接地極極址的接地體出現(xiàn)電解腐蝕，在大電流時(shí)還會(huì)影響接地極極址的使用壽命[3-6]。在直流系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通常會(huì)在不中斷直流輸送功率的情況下對(duì)其接線方式進(jìn)行在線轉(zhuǎn)換，即由單極大地回線轉(zhuǎn)換為單極金屬回線運(yùn)行[7-9]。對(duì)上述接線方式進(jìn)行在線轉(zhuǎn)換，即運(yùn)行方式之間轉(zhuǎn)換，直流轉(zhuǎn)換開關(guān)的操作需要所并聯(lián)的避雷器組吸收大量能量限制過電壓才能完成開關(guān)開斷，避雷器若出現(xiàn)故障則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失敗[10]。

在線同步采樣多柱避雷器動(dòng)作電流是及時(shí)發(fā)現(xiàn)和更換特性退化的避雷器閥組，保障設(shè)備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要技術(shù)手段。目前，對(duì)金屬氧化物避雷器的動(dòng)作電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)的設(shè)備相對(duì)較少。為實(shí)現(xiàn)動(dòng)作電流的同步采樣，本文研究了一種無線通信的動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)裝置，具有高精度同步、高采樣率、短距離無線通信和非破壞安裝等優(yōu)勢(shì)。實(shí)測(cè)動(dòng)作電流數(shù)據(jù)表明：監(jiān)測(cè)裝置能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電流不均勻情況，避免避雷器被擊穿引起的非計(jì)劃停運(yùn)，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 直流轉(zhuǎn)換開關(guān)構(gòu)成及工作原理

直流開關(guān)一般由3 部分構(gòu)成：①由交流斷路器改造而成的轉(zhuǎn)換開關(guān)B； ②以形成電流過零點(diǎn)為目的的LC振蕩回路；③以吸收開斷過程中產(chǎn)生能量為目的的非線性電阻R等耗能元件。非線性電阻、電感線圈和電容器安裝于絕緣平臺(tái)上，見圖1。

圖1 直流轉(zhuǎn)換開關(guān)原理圖

在雙極兩端中性點(diǎn)接地的直流輸電工程中，高壓直流轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)一般由 4 種不同類型的設(shè)備構(gòu)成：金屬回線轉(zhuǎn)換斷路器(MRTB)、大地回線轉(zhuǎn)接開關(guān)(GRTS)、極中性線側(cè)的低壓高速開關(guān)(LVHS)和 雙極運(yùn)行中性線臨時(shí)接地開關(guān)(NBGS)。

2 動(dòng)作電流無線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高精度同步、高采樣率、短距離無線通信和非破壞安裝等目標(biāo)，動(dòng)作電流無線監(jiān)測(cè)裝置包括ZIGBEE無線通信模塊、電源模塊、同步高速采樣模塊、測(cè)量通路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。多個(gè)監(jiān)測(cè)模塊的動(dòng)作電流數(shù)據(jù)經(jīng)ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)匯集單元，最終經(jīng)光纖通路送至后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行分析和處理，測(cè)量裝置及系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 測(cè)量裝置及系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 通信方式

測(cè)量裝置安裝于直流轉(zhuǎn)換開關(guān)高壓側(cè)，如采用光纖通信的方式需要考慮一二次隔離，還需要增加額外設(shè)備，無法任意點(diǎn)安裝。因此對(duì)測(cè)量裝置需求是無源無線、體積小和方便安裝，同時(shí)不用破壞原有線路，也無需額外增加設(shè)備。測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)匯集單元宜采用短距離無線通信方式。

2.2 供電及省電設(shè)計(jì)

考慮到測(cè)量裝置需要在多點(diǎn)安裝，設(shè)計(jì)上采用一次性電池的供電方?？紤]到環(huán)境的影響，選用電池工作溫度-40 ℃～85 ℃。同時(shí)，對(duì)于省電也做了充分考慮：測(cè)量裝置有兩種工作模式，分別為待機(jī)模式和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式，由后臺(tái)軟件控制模式切換。在待機(jī)模式下，測(cè)量裝置以極低的功耗運(yùn)行，等待來自后臺(tái)軟件的啟動(dòng)命令。在收到啟動(dòng)命令后，測(cè)量裝置進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，即實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸功能。

2.3 同步高速數(shù)據(jù)采樣

由于需要使用多個(gè)測(cè)量裝置采集的瞬時(shí)電流值才能計(jì)算出流過各支避雷器的電流波形，各測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)采樣必須嚴(yán)格同步。采用北斗模塊作為時(shí)鐘同步源，比實(shí)際的同步精度少10 μs。在硬件設(shè)計(jì)上采用外置獨(dú)立的16位高速采樣A/D芯片，采樣率為51.2 kHz,確保能夠錄取暫態(tài)高頻分量。

2.4 監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為便于在線纜或母排安裝，減少占用空間，無線通信動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)裝置采用緊湊外形設(shè)計(jì)，大幅減小裝置三維尺寸。為提高設(shè)備通用性，提高安裝效率，便于在線纜或母排上安裝，裝置包括主體和安裝支架兩部分，主體結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，安裝支架如圖3(b)所示。

圖3 監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.5 現(xiàn)場(chǎng)安裝配置

由于換流站直流場(chǎng)并聯(lián)避雷器的結(jié)構(gòu)緊湊，要求測(cè)量裝置必需要做到高度集成化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)微型化，便于等電位安裝。安裝時(shí)無需解開導(dǎo)線，對(duì)設(shè)備和連接導(dǎo)線無破壞性。

測(cè)量裝置安裝在LC回路及避雷器頂端導(dǎo)線上，其安裝布置如圖4(a)所示；測(cè)量裝置及無線數(shù)據(jù)匯集單元現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖4(b)所示，測(cè)量裝置安裝在避雷器頂端導(dǎo)線上，無線數(shù)據(jù)匯集單元安裝在電氣柜。測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)匯集單元通過ZIGBEE無線傳輸數(shù)據(jù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 換流站內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備布置方案

換流站的MRTB避雷器組為26柱并聯(lián)，頂端陣列連線較為復(fù)雜。最多需要4個(gè)動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量值才能計(jì)算出某柱避雷器的動(dòng)作電流，裝置間的采樣精確同步尤為關(guān)鍵。換流站的GRTS并聯(lián)避雷器為3柱并聯(lián)。綜合考慮數(shù)據(jù)計(jì)算的需要和安裝的便利性，最終確定MRTB避雷器組的動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)裝置布置方案如圖5(a)所示。GRTS并聯(lián)避雷器的監(jiān)測(cè)裝置布置方案如圖5(b)所示。

3.2 GTRS并聯(lián)避雷器的動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)值

為反映動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)效果，本文以GTRS并聯(lián)避雷器的監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，展開分析。轉(zhuǎn)換時(shí)刻，GRTS并聯(lián)避雷器進(jìn)線處的電流波形及單柱避雷器的動(dòng)作電流波形如圖6所示。由監(jiān)測(cè)波形可知，進(jìn)線處電流開始處于震蕩發(fā)散狀態(tài)，與直流電流穩(wěn)態(tài)值疊加后，最終使進(jìn)線處電流產(chǎn)生過零點(diǎn)，斷路器截止進(jìn)線電流，進(jìn)線處最大的電流接近600 A；電流截止后，斷口處產(chǎn)生動(dòng)態(tài)過電壓，最終達(dá)到避雷器泄漏電流閾值，避雷器動(dòng)作泄能。由監(jiān)測(cè)波形可知單柱避雷器動(dòng)作時(shí)間約為1 000個(gè)采樣點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)裝置的采用頻率為51.2 kHz，則可得知?jiǎng)幼鲿r(shí)間大約為0.4 ms。

圖4 測(cè)量裝置及匯集單元安裝圖

圖5 動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)裝置布置方案

圖6 GRTS進(jìn)線電流及單柱避雷器動(dòng)作電流波形圖

3.3 RGTRS避雷器動(dòng)作電流頻譜分析

GRTS避雷器動(dòng)作電流頻譜，4次動(dòng)作波形的頻譜分布一致，說明得益于并聯(lián)數(shù)目較低，GTRS并聯(lián)避雷器的伏安特性一致性較好，避雷器動(dòng)作重復(fù)性良好。從頻域看， GRTS斷路器斷開時(shí)并聯(lián)避雷器動(dòng)作波形的能量集中在200 Hz以下，峰值約18 Hz，如圖7所示，說明動(dòng)作電流的能量集中在工頻附近，為避雷器閥組伏安特性優(yōu)化調(diào)整提供了參數(shù)依據(jù)。GRTS斷路器閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生幅度和頻率均較大的暫態(tài)電流流經(jīng)LC振蕩回路，4次GRTS斷路器閉合時(shí)的暫態(tài)電流波形和頻率(4 kHz)完全一致。

圖7 GTRS避雷器動(dòng)作電流頻譜分析

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)作電流的同步采樣，本文研究了一種無線通信的動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)裝置，具有高精度同步、高采樣率、短距離無線通信和非破壞安裝等優(yōu)勢(shì)。實(shí)測(cè)動(dòng)作電流數(shù)據(jù)表明，監(jiān)測(cè)裝置能夠充分準(zhǔn)確反映并聯(lián)避雷器動(dòng)作電流時(shí)的域變化規(guī)律，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電流不均勻情況，通過多柱并聯(lián)避雷器動(dòng)作數(shù)據(jù)比較以及歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比，能提前發(fā)現(xiàn)特性變差的避雷器及異常的LC回路。該設(shè)備的投入使用能夠改進(jìn)避雷器組現(xiàn)有檢修試驗(yàn)策略和方法，縮短換流站停電檢修時(shí)間，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。