換流閥避雷器光電監視模塊工作原理研究及其校驗裝置研制

羅小彬

中國南方電網超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 510663

0 引言

避雷器是變電站防雷保護的重要電氣設備，換流閥避雷器作用是防止換流閥遭受過電壓而損壞，同時記錄避雷器的動作情況，便于過電壓統計和事故分析[1-2]。

南方電網預試規程要求對換流站所有換流閥并聯避雷器光電監視模塊進行校驗，在使用常規校驗裝置對換流閥避雷器光電監視模塊進行校驗時，發現各換流站內閥廳避雷器光電監視模塊無法正確動作，在同一校驗輸出參數下，時而動作，時而不動作，因此無法確定其是否能夠在避雷器運行時準確反映避雷器動作情況。

SIEMENS 3EX-20型避雷器光電監視模塊的結構與常規避雷器計數器存在較大差異，為了規范該類型計數器的校驗方法，有效評估閥避雷器光電監視模塊工作狀態，需要對換流閥避雷器光電監視模塊工作原理和校驗方法進行深入研究，研制換流閥避雷器光電監視模塊專用校驗裝置，以準確判斷光電監視模塊的運行狀態[3-5]。

1 換流閥避雷器光電監視模塊工作原理

SIEMENS 3EX-20型換流閥避雷器光電監視模塊結構如圖1所示。

圖1 光電監視模塊結構圖

流閥避雷器光電監視模塊工作原理如圖2所示。當避雷器承受持續運行電壓時，避雷器底端經電阻接地，泄漏電流經電阻流入大地，一旦避雷器遭受過電壓作用時，放電電流非常大，一般為kA級別，流過電阻時會產生較大的電壓差，該電壓差加在電極的兩端，當該電壓差大于間隙的擊穿電壓時，在電極的間隙產生電弧，為可見光，該可見光經光纖傳輸至接收器，實現避雷器動作計數的功能。

圖2 流閥避雷器光電監視模塊工作原理圖

2 避雷器光電監視模塊校驗方法

對避雷器光電模塊原理的分析可以得出，避雷器光電監視模塊校驗，即擊穿光電模塊內的氣隙使電極對間產生電弧。

氣隙擊穿的3個必要條件如下：有足夠大的電場強度或足夠高的電壓；在氣隙中存在能引起電子崩并導致流注和主放電的有效電子；需要一定的時間，讓放電得以逐步發展并完成擊穿。完成擊穿所需的放電時間是很短的（以微秒計），如果氣隙上所加的是直流電壓、工頻交流電壓等持續作用的電壓，則可以滿足這3個條件，但如果所加的是變化速度很快、作用時間很短的沖擊電壓，則因其有效作用時間亦以微秒計，因此放電時間成為一個關鍵因素，故根據氣隙擊穿的條件對常用的3種校驗方法進行分析。

2.1 大電容充放電法

輸出電壓為0～5 000 V，而放電時間不定，根據運行經驗，大電容充放電法適用于國產的JCQ、JS型避雷器計數器動作情況校驗，只需對其提供一定的能量，或滿足對其計數器內部的電容充電能量需求，均可使計數器動作，但是利用此方法，能夠擊穿換流閥避雷器光電模塊氣隙的概率極小。

2.2 浪涌發生器放電法

使用的浪涌發生器具體參數如下：電壓峰值Um=6 kV，波前時間t1=1.2 μs，半峰值時間t2=50 μs，誤差＞30%。

在使用浪涌發生器進行某換流站極1閥廳換流閥避雷器光電監視模塊校驗過程中，發現大部分光電監視模塊未動作，具體校驗結果如表1所示。

表1 某換流站極1閥廳換流閥避雷器光電監視模塊校驗情況

2.3 標準波形雷電沖擊電壓發生器放電法

標準波形雷電沖擊電壓發生器輸出參數如下：電壓峰值Um=8 kV，波前時間t1=1.2 μs，半峰值時間t2=50 μs，電壓誤差＜3%。測試接線方式如圖3所示。

現場進行換流閥避雷器光電模塊校驗時，使用兩種長度（5 m和20 m）的電壓輸出線進行測試，用于校核測試線長度對換流閥避雷器光電模塊動作情況的影響。具體測試結果如表2、表3所示。

表2 光電模塊測試數據表（電壓輸出線5 m）

表3 光電模塊測試數據表（電壓輸出線20 m）

經測試得出，氣隙擊穿電壓存在一定離散型，范圍在4 600～5 300 V，儀器顯示電流較大時（＞1 000 A），模塊氣隙內出現電弧；儀器顯示電流較小時（＜1 000 A），模塊氣隙內未出現電弧。在電壓輸出線長度不同的情況下，發現相同輸出電壓下的動作電流差異較大，而且結果顯示，電壓輸出線越短，出現電流較大（＞1 000 A）的概率越大。

3 換流閥避雷器光電監視模塊校驗裝置結構和性能

基于標準雷電沖擊電壓發生器，形成的一種換流閥避雷器光電模塊校驗裝置，最大輸出電壓為8 kV，其結構如圖4所示。

圖4 換流閥避雷器光電模塊校驗裝置結構圖

對校驗裝置的開路電壓和短路電流進行誤差測試，結果如表4、表5所示。由表4、表5可知，誤差均在±3%以下。

表4 開路電壓誤差測試結果

表5 短路電流誤差測試結果

4 結論

（1）換流閥避雷器光電監視模塊氣隙在標準的雷電沖擊電壓波作用下擊穿概率更大。

（2）使用現場進行換流閥光電監視模塊校驗時，電壓輸出線應盡量縮短，減小輸出阻抗，降低輸出能量損耗。

（3）在進行換流閥光電監視模塊校驗時，儀器顯示短路電流＞1 000 A時，而接收器未顯示動作信號，建議檢查光纖通道。