直流融冰裝置諧波對避雷器泄露電流的影響

李蓉，趙威，楊超，白添凱，賀牧

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650011）

0 前言

在七甸直流融冰裝置零功率調試和帶線路融冰工作中，試驗發現直流融冰裝置產生的諧波不僅會影響站用變工作、保護動作，還會影響金屬氧化物避雷器泄露電流的測量，從而影響對系統設備絕緣特性的判斷。本文主要研究七甸變直流融冰裝置及其諧波特性，進一步研究直流融冰裝置產生的諧波對系統中金屬氧化物避雷器（Metal Oxide Arrester, MOA）泄露電流測量的影響，給出這一過程的理論推導與分析，為進一步指導直流融冰裝置的投運和排除諧波對金屬氧化物避雷器泄漏電流帶電監測的影響提供理論依據。

1 變直流融冰裝置概況

昆明供電局某500 kV變加裝的直流融冰裝置采用12脈動換流器結構，如圖1所示。圖1中，T為換流變壓器，采用三相三繞組變壓器；12p為12脈動換流器、6p為6脈動換流器；Ld為平波電抗器。12脈動換流器由兩個6脈動換流器在直流側串聯，交流側通過換流變壓器并聯構成。換流變壓器的閥側繞組一個為星形接線，另一個為三角形接線，這使得兩個6脈動換流器在交流側得到相位相差30°的換相電壓，從而構成12脈動。

圖1 七甸直流融冰裝置12脈動整流器原理

每個6脈動換流器（6p）采用三相橋式電路，如圖2所示。圖2中VT1~VT6代表6脈動換流器中的6個換流閥，每一個換流閥由若干個晶閘管串聯組成，數字1~6就代表了換流閥工作時的依次導通順序。ua、ub、uc為交流系統等值基波相電壓；Lr為每相的等值換相電感，由換流變壓器漏感和交流系統等值電感組成；Ld為平波電抗器的電感值；m和n分別是6脈動整流器的共陰極點和共陽極點；N為交流系統參考電位。

圖2 6脈動整流器原理

2 變直流融冰裝置諧波分析

2.1 直流融冰裝置諧波理論分析

直流融冰裝置整流器由于采用半控型元件晶閘管，屬于電網換相換流器，在運行時需要吸收大量無功功率，同時向電網輸出大量諧波。圖3中，從上往下分別為12脈動整流器的整流電壓波形、Y/Y接線型換流變閥側相電流波形、Y/Δ接線型換流變閥側相電流波形和換流變網側交流系統相電流波形。

圖3 12脈動整流器的整流電壓Ud波形、Y/Y接線換流 變閥側相電流iAY波形、Y/Δ換流變閥側相電流iAD波形、 換流變網側交流系統相電流iA波形

將圖3中各變量波形運用傅里葉級數進行分解，可以得到有關12脈動換流器正常運行時的一般性結論[1-3]：

1）整流電壓ud中所含的特征諧波次數為h=12k次（k為自然數），即含有12、24、36……次特征諧波，其中第h次特征諧波電壓的有效值為C：

式中，α為觸發角，μ為換相角，諧波電壓系數為：

（5）施加一定應力后，ND鋼鈍化膜被機械破壞，導致基體遭遇更嚴重的腐蝕，而Corten鋼在相同情況下能依靠內側摻混殘存的少量合金元素形成的氧化物減緩腐蝕速率，因此，Corten鋼腐蝕速率更低。對耐腐蝕材料采取摻混合金及表面強化相結合的方式可能更有利于抵御應力對耐腐蝕性的削弱。

理想空載直流電壓為：

當換相角μ=0時，第h次特征諧波電壓的有效值為：

2）交流側相電流iA中所含的特征諧波次數為h=12k±1次（k為自然數），即含有11、13、23、25……次特征諧波，其中第h次特征諧波電流的有效值為：

式中諧波電流系數為：

空載時基波電流有效值為：

由式（1）~式（7）可見，對于12脈動換流器產生的注入交直流側的特征諧波來說，存在以下關系：

1）隨著諧波次數的增加，各次諧波的數值減小，當次數增加達到一定程度，諧波將以電磁波的形式發射到空間中，而不再存在于交直流側。因此，對系統危害最大的是次數較低的諧波。

2）從式中可以看出，特征諧波數值大小的影響因素較多，主要有：觸發角α、換相角μ、交流系統電壓E（或直流電流Id）等因素。

上述分析表明，由于12脈動換流器由晶閘管構成，采用通斷工作方式，因此12脈動換流器為典型非線性設備，必然產生諧波。

2.2 七甸變融冰裝置諧波情況現場驗證

在七甸變直流融冰裝置零功率調試及帶線路融冰試驗過程中，在換流變閥側側監測到明顯諧波含量，諧波電流以6k+1次和6k-1次為主，主要是5次、7次、11次、13次、17次、19次等低次諧波，其中，5次諧波電流含量達到20%以上。在換流變網側監測到諧波，諧波電流主要是12k+1次和12k-1次為主，其中11次和13次諧波電流達到6%以上。

3 金屬氧化物避雷器

避雷器用于保護電力系統輸變電設備，使其免受過電壓危害，而其中，金屬氧化物避雷器以其優異的非線性伏安特性、保護水平不受間隙放電特性限制、結構簡單等優點在電力系統中獲得了廣泛應用[4]。在MOA日常預防性試驗中，泄露電流試驗可以較好判斷MOA絕緣是否存在內部受潮、老化等缺陷，為避雷器實際狀況判斷提供依據。

在小電流區域，金屬氧化物避雷器可以等效為圖4所示的非線性電阻和電容的并聯等效電路[5-8]。其中，R為金屬氧化物非線性電阻，C為等效電容，u為加在MOA上的電壓，i為全泄露電流，iR為全泄露電流中的阻性分量，iC為全泄露電流中的容性分量。

圖4 MOA等效電路

4 諧波對MOA泄露電流的影響

因為系統中由直流融冰裝置產生的諧波隨次數的升高含量降低，因此含量高且影響大的為低次諧波，直流融冰裝置注入交流系統最低為11次諧波，假設系統中含有11次諧波，則此時加在MOA上的電壓：

式（8）中，U1、U11分別為施加電壓基波及其包含11次諧波的電壓幅值，φ11為第11次諧波電壓的相位角，此時泄露電流中容性分量為：

考慮到MOA工作于小電流區域時，電容C的變化很小，則有，將其與式（8）代入式（9）可得：

泄露電流中阻性分量為：

其中，R1為基頻下的非線性電阻值，R11為11倍頻下的非線性電阻值。

在式（10）及（11）中，可以看到，式（10）中的第二部分，式（11） 中的部 分均是由電壓諧波引起的，式（11）中是由非線性電阻引起的增量。

由此可見，系統中含有的諧波電壓，其幅值和相位均會對MOA泄露電流阻性分量和容性分量產生影響，造成泄露電流的增大。

5 結束語

本文以昆明供電局500 kV七甸變電站安裝的直流融冰裝置為背景，理論分析了該直流融冰裝置的諧波特性及對變電站MOA試驗中泄露電流的影響，并將理論分析與實際試驗結果進行了對比，驗證了理論分析的正確性，為進一步指導直流融冰裝置的投運和排除諧波對金屬氧化物避雷器泄漏電流帶電監測的影響提供理論依據。本文可以得到以下結論：

1）500 kV變電站安裝的直流融冰裝置依靠半控型非線性元件晶閘管進行換流，其非線性工作方式將在交直流側產生大量諧波。其中，在交流側為h=12k±1次（k為自然數）的諧波電流，在直流側為h=12k次（k為自然數）的諧波電壓。觸發角α、換相角μ、交流系統電壓E(或直流電流Id)等因素均影響特征諧波的數值。現場零功率調試和帶線路融冰試驗均證明該諧波的存在性及其對系統的影響。

2）現場測試及理論分析均發現，直流融冰裝置投入運行后，直流融冰裝置注入交直流側的諧波將對線路MOA的泄露電流帶電測試結果產生影響，由理論推導可知，諧波電壓幅值及相位均會影響MOA泄露電流值，且諧波含量越大，泄漏電流中阻性分量及容性分量都將增大，從而使得泄露電流試驗得到的數據與其真實值存在誤差，影響對MOA絕緣性能的判斷。