Research on the Modification Plan of HVDC Transfer Switch Arrester

高压直流转换开关是实现直流输电工程单极运行方式转换的重要设备。国内高压直流工程包括葛南直流输电工程^［1-2］、天广直流输电工程^［3］、云广直流输电工程^［4］、银东直流输电工程^［5-7］、团林直流输电工程^［8］等，在进行大地/金属方式转换时，曾发生过数次MRTB或ERTB故障导致转换失败，分析原因多为振荡回路避雷器阀片故障、柱间特性不一致等导致避雷器击穿所致。与直流输电工程中其他类型直流避雷器相比，直流转换开关避雷器的运行工况较为特殊，其工作吸收能量大，通流时间长^［9-13］。一般直流避雷器通流持续时间不超过数毫秒，而直流转换开关避雷器动作持续时间较长，可达几十至几百毫秒，目前相关标准中对于直流避雷器的长波小电流工况并无相应考核要求^［14-15］。部分工程直流转换开关避雷器操作冲击保护水平/参考电压（压比）较高，运行条件较苛刻。本文以MRTB避雷器为例，计算分析增加直流转换开关避雷器柱数和增加每柱串联阀片数两种改造方式对避雷器动作时间和压比等参数的影响，判断其是否能够改善避雷器的运行环境，明确换流站MRTB避雷器改造的可行性和必要性。

以南方电网公司部分直流工程为例，MRTB避雷器设计参数和实际供货参数配置如表1所示。MRTB避雷器操作冲击保护水平/参考电压（压比）如表2所示。

直流系统单极运行方式转换过程中，MRTB避雷器吸收能量大，单次转换过程吸收能量一般达十几MJ，避雷器需采用多柱并联的结构，对避雷器的均流特性和能量耐受能力的要求高。±800 kV普侨和楚穗直流工程由厂家A供货，±500 kV金中与牛从直流工程由厂家B供货。金中与牛从直流工程实际供货的避雷器柱数和能量裕度是普侨和楚穗直流工程的数倍，压比略低。比如牛从直流工程MRTB避雷器柱数约为普侨直流工程的6倍，牛从和普侨直流工程MRTB避雷器的压比分别是1.16和1.22～1.27。

以±800 kV普侨直流为例，对MRTB避雷器增加柱数或每柱片数的改造方案可行性和必要性进行分析计算。经比较多家主流直流避雷器厂家最新提供的直流工程用避雷器阀片的单阀片伏安特性，确定采用其中一种阀片特性进行计算即可。厂家A提供的直流工程用避雷器单阀片典型伏安特性如图1和表3所示，以其为例，对普洱换流站MRTB避雷器改造方案重新进行配置计算。

Figure 1.  Volt-ampere characteristics curve of single valve of arrester

普洱换流站原MRTB避雷器设计保护水平124 kV，配合电流3.2 kA，实际供货64柱。基于厂家最新提供的典型避雷器阀片伏安特性，在保护水平不变的基础上，单柱最多可配置21片阀片。

本文对增加避雷器柱数和增加避雷器每柱串联阀片数两类改造方案进行对比，包括以下方案。

1）单柱配置20片阀片，64柱。

2）单柱配置21片阀片，64柱。

3）单柱配置21片阀片，128柱。

4）单柱配置21片阀片，320柱。

5）单柱配置25片阀片，64柱。

6）单柱配置28片阀片，64柱。

7）单柱配置30片阀片，64柱。

8）单柱配置40片阀片，64柱。

9）单柱配置50片阀片，64柱。

对普洱站MRTB避雷器各改造方案进行仿真计算。在3 795 A（1.2倍过负荷电流）、3 125 A（额定电流）、2 400 A和1 200 A直流运行电流下转换时，不同MRTB避雷器配置方案对应的避雷器残压、冲击电流、通流时间和吸收能量对比如表4至表7所示。其中吸收能量能力按每柱避雷器在5 mA参考电压下5 kJ/kV估算得到。原普洱MRTB避雷器给出1 mA参考电压为102 kV，与采用21片现阀片类似，对应吸收能量能力27.2 MJ。3 795 A直流运行电流下避雷器采用64柱每柱21片，320柱每柱21片，64柱每柱50片的MRTB避雷器应力波形如图2至图4所示；1 200 A直流运行电流下避雷器采用64柱每柱21片的MRTB避雷器应力波形如图5所示。

Figure 2.  Stress of MRTB arresters under 3 795 A DC operating current conversion with 64 columns and 21 valve per column

Figure 3.  Stress of MRTB arresters under 3 795 A DC operating current conversion with 320 columns and 21 valve per column

Figure 4.  Stress of MRTB arresters under 3 795 A DC operating current conversion with 64 columns and 50 valve per column

Figure 5.  Stress of MRTB arresters under 1 200 A DC operating current conversion with 64 columns and 21 valve per column

根据仿真分析，两类改造方案中，增加每柱片数可显著降低避雷器通流时间，降低吸收能量和冲击电流，增大吸收能量裕度，但也会显著提高避雷器保护水平，即使片数增加较多对降低避雷器残压/参考电压比值也非常不明显。增加柱数可显著提高吸收能量裕度，可降低避雷器残压/参考电压值，但柱数需增加较多作用才较为明显。此外避雷器最大放电电流略增，避雷器通流时间微增。

基于表3中的避雷器阀片伏安特性曲线，若要将避雷器残压/参考电压控制在1.15以内，仅通过增加柱数的方式和仅通过增加片数的方式需要的柱数和片数如表8所示。可见在额定电流及以上无法将避雷器残压/1 mA参考电压控制在1.15以内。

另外，通过避雷器伏安特性也可大致测算并联若干柱后对应残压与参考电压之比，即根据柱数计算最大冲击电流时单柱流过电流，该电流对应的电压与参考电压之比。在1.2 p.u.过负荷电流转换时，若以1 mA参考电压为基准，采用64柱（2倍）并联时该比值约为1.19（对应50 A），采用320柱（5倍）并联时该比值约为1.16（对应10 A）。

为改善避雷器长波小电流特殊运行工况，考虑尽量将避雷器通流时间限制在100 ms内。基于表3中的避雷器阀片伏安特性曲线，额定电流及以下转换时，避雷器通流时间均在100 ms以内；1.2倍过负荷电流转换时，避雷器串联阀片数需增加至26片，在不增加避雷器串联阀片数的情况下无法将避雷器通流时间控制在100 ms以内。

增加避雷器柱数和片数的措施都可明显提高避雷器吸收能量安全裕度。为尽量降低避雷器残压/参考电压比值，只能增加避雷器并联柱数，采用该措施主要影响设备布置，不会对避雷器外相关设备造成影响。增加避雷器片数可降低避雷器通流时间，但无法明显降低压比，且避雷器保护水平抬高后需校核MRTB原断路器及振荡回路电容器、电抗器绝缘水平以及相关布置。

除避雷器本身参数配置变化可对避雷器应力造成影响外，MRTB进行转换时的直流运行电流对避雷器应力影响也非常显著。低功率情况下转换时的避雷器应力较低。现有避雷器在2 400 A直流运行电流下转换能量裕度约为500%，在3 125 A下转换能量裕度约为200%。若在转换时避雷器出现1支故障损坏情况，可拆除该支继续运行。

仿真对比了采用16台，每台内并4柱的MRTB避雷器配置，考虑全部避雷器和因损坏减少1台避雷器的情况，在2 400 A直流运行电流下转换时的MRTB避雷器应力，以及全部避雷器在3 125 A额定直流电流下转换时的MRTB避雷器应力，计算结果见表9。可见同等电流下减少1台避雷器后对残压、冲击电流、吸收能量影响都不大，减少1台避雷器后在2 400 A下转换仍远小于避雷器数量未减少时在3 125 A下转换时的避雷器应力。在并联支数更多的情况下，减少1台的影响会更小，在避雷器故障台数不多的情况下具备坏一台拆一台继续运行的可行性。

若增加单柱避雷器片数，将提高避雷器残压，需校核原MRTB断路器以及振荡回路设备绝缘水平。

普侨直流MRTB断路器、振荡回路电容器和电抗器端间雷电冲击绝缘水平和操作冲击绝缘水平分别不低于450 kV/325 kV、250 kV/150 kV和95 kV/－。

每柱阀片40片以下时断路器绝缘水平可满足裕度要求，每柱阀片50片以上时断路器绝缘水平无法满足裕度要求。

经仿真计算，3 795 A过负荷电流下转换时，当每柱阀片分别为21/28/40/50片，电容器端间电压分别为126/165/230/287 kV，电抗器端间电压均为14 kV。避雷器残压与电容器端间电压相近，电抗器端间电压基本不受影响。

根据计算结果，每柱阀片不超过21片才能使电容器绝缘水平保持为250/150 kV（LIWL/SIWL）不变，否则需要提高电容器绝缘水平。如需更换电容器，对造价和布置均有影响。

MRTB断路器与直流电流测量装置串联后，与振荡回路避雷器、电容器、电抗器并联。若增加避雷器柱数，在避雷器单层布置的情况下，振荡回路设备平台占地面积需加大。若增加单柱避雷器片数，还需对各设备间空气净距及底部平台受力进行校核。

按照现有避雷器标准开展的避雷器阀片试验无法达到全检验的效果，阀片存在一定缺陷率，在质量控制较好的情况下缺陷率水平约为千分之几。以普侨直流为例，MRTB避雷器共16台，每台内并4柱，每柱24个阀片。假定避雷器单个阀片的缺陷率分别为0.3%和0.1%的情况下，不同避雷器总台数时避雷器故障台数概率图如图6和图7所示。可见随着避雷器柱数增加，发生避雷器故障概率提高。柱数增加后每柱避雷器通流减小，避雷器故障率可能会有所降低，但目前无详细支撑数据。

Figure 6.  Probability diagram of the number of fault arresters when the defect probability of a single valve is 0.1%

Figure 7.  Probability diagram of the number of fault arresters when the defect probability of a single valve is 0.3%

基于典型避雷器阀片伏安特性曲线，对于普洱换流站MRTB避雷器进行了改造方案计算分析，结论如下：

1）通过增加柱数和增加片数两种方式可显著提高吸收避雷器吸收能量裕度，降功率转换也有明显的效果。但现有避雷器吸收能量裕度足够无需加大。

2）在一定功率下转换时，增加片数将提高避雷器残压，增加柱数可降低避雷器残压的幅度非常有限。降功率转换对于降低过电压和压比有效。

3）额定及以下电流下转换时，避雷器通流时间均在100 ms以内；1.2倍过负荷电流下转换时，避雷器串联阀片数需增加至26片才能将避雷器通流时间控制在100 ms以内，增加避雷器柱数无法降低避雷器通流时间。3 125 A/2 400 A/1 200 A下转换的通流时间约为1.2倍过负荷转换时的70%/50%/25%，吸收能量约为1.2倍过负荷转换时的60%/35%/6%。

4）增加避雷器片数将显著提高MRTB断路器和振荡回路电容器绝缘水平要求。

综上，增加避雷器柱数对改善避雷器运行特性无明显作用，增加避雷器单柱片数可降低避雷器通流时间，但将提高断路器和振荡回路电容器绝缘水平，因此不建议对已建工程进行相关改造。现场可在较低功率水平下进行转换以降低避雷器应力。若避雷器能量裕度足够，在因阀片缺陷引起避雷器故障的情况下可采取拆除故障台并继续运行的措施。对于新建工程，应加强避雷器阀片质量控制和试验检验，降低工程使用的阀片缺陷概率，提升柱间特性一致性。