可控自恢復(fù)消能裝置避雷器多次沖擊能量耐受特性研究

張彥杰， 李紅偉， 郎小華， 李寶兵， 李石磊， 劉 凱， 劉曉瑋，袁素梅， 姚玉鎖 ， 趙大翠， 劉 杉， 張搏宇

(1.平高東芝(廊坊)避雷器有限公司，河北 廊坊 065001；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102209；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京1001921)

0 引 言

白鶴灘水電站是世界在建最大水電站，總裝機(jī)容量16 GW，建成后將僅次于三峽工程的世界第二大水電站[1]。國(guó)家“西電東送”核心樞紐工程——白鶴灘-江蘇±800千伏特高壓直流輸電工程(簡(jiǎn)稱“白鶴灘-江蘇工程”)，是促進(jìn)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排的重大清潔能源項(xiàng)目。工程起于四川涼山州的白鶴灘換流站，止于江蘇蘇州的虞城換流站，末端虞城換流站將在世界直流輸電領(lǐng)域首次應(yīng)用常規(guī)直流和柔性直流混合級(jí)聯(lián)技術(shù)[2-7]。其研發(fā)應(yīng)用的能夠快速實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)能量平衡的可控自恢復(fù)消能裝置，能有效緩解華東電網(wǎng)火電機(jī)組減少導(dǎo)致的電壓穩(wěn)定壓力，從而大幅提升華東電網(wǎng)的受電能力。

可控自恢復(fù)消能裝置用于限制混合級(jí)聯(lián)拓?fù)涞蛪憾薞SC換流閥在系統(tǒng)故障下的過(guò)電壓，并吸收積累在VSC換流閥的盈余功率，以提高系統(tǒng)故障穿越能力。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由保護(hù)用避雷器(固定部分MOA1、可控部分MOA2)、開關(guān)K等部分組成[8-10]。正常運(yùn)行時(shí)，開關(guān)K打開，避雷器整體接入系統(tǒng)；發(fā)生故障時(shí)，開關(guān)K合閘，可控部分旁路，固定部分限制VSC過(guò)電壓；待故障清除后，開關(guān)K再次打開，避雷器整體接入系統(tǒng)，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行[8]?？煽乇芾灼魇峭ㄟ^(guò)控制避雷器可控部分的投切，保證正常工況下低荷電率，嚴(yán)重故障下低殘壓，抑制暫時(shí)過(guò)電壓，保護(hù)VSC子模塊。

圖1 可控自恢復(fù)消能裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of novel energy dissipation device

可控自恢復(fù)消能裝置避雷器(以下簡(jiǎn)稱“可控避雷器”)需要在時(shí)間長(zhǎng)達(dá)百毫秒級(jí)的系統(tǒng)短路故障下，吸收VSC換流閥的大量盈余功率，因此需要具有單次能量吸收能力高、耐受通流時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)作次數(shù)多等特點(diǎn)?？煽乇芾灼鞯年P(guān)鍵技術(shù)就是解決防閃絡(luò)結(jié)構(gòu)、高能量電阻片一致性、長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性等問(wèn)題[9]?？煽乇芾灼鞣篱W絡(luò)問(wèn)題已經(jīng)解決，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了防閃絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以有效防止單個(gè)電阻片側(cè)面閃絡(luò)引起整只避雷器故障，并通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)查找故障點(diǎn)，以便得到及時(shí)處理，不會(huì)造成線路異常停電。為了可控避雷器可以安全、可靠地運(yùn)行，需要對(duì)電阻片的可靠性開展研究，研究電阻片耐受多次沖擊能量耐受的能力以及耐受后電阻片的性能變化情況，對(duì)確?？煽乇芾灼鏖L(zhǎng)期可靠運(yùn)行具有重要意義[10]。

1 可控避雷器參數(shù)

平高東芝(廊坊)避雷器有限公司(簡(jiǎn)稱“平高東芝廊坊”)供貨白鶴灘-江蘇工程虞城站可控避雷器，避雷器固定部分技術(shù)要求,不含熱備用能量吸收能力不低于320 MJ，再考慮20%整體熱備用，避雷器吸收能量不低于384 MJ。避雷器壽命40年，動(dòng)作次數(shù)大于200次。

可控避雷器參數(shù)如表1。

表1 可控避雷器參數(shù)Table 1 The parameter of controllable arrester

按照技術(shù)要求整臺(tái)避雷器由固定部分與可控部分串聯(lián)組成，固定部分采用4節(jié)串聯(lián)、136柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可控部分采用1節(jié)串聯(lián)、136柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)。公司生產(chǎn)的QA22電阻片(尺寸φ100×22 mm)可以滿足可控避雷器電氣參數(shù)的相關(guān)技術(shù)要求和性能參數(shù)，依據(jù)GB/T2389-2008及可控避雷器技術(shù)規(guī)范開展驗(yàn)證試驗(yàn)。

2 綜合試驗(yàn)方案

選取同批次特征參量相近的15片電阻片，將電阻片隨機(jī)分成3組，每組5片，依次使用A、B、C為組別編號(hào)，各組中的各電阻片也有確定且唯一編號(hào)。電阻片編號(hào)如表2。

表2 電阻片編號(hào)Table 2 The number of resistors

可控避雷器要求壽命周期內(nèi)動(dòng)作次數(shù)大于200次，本研究按照電阻片耐受210次2 ms方波沖擊電流進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)考慮電流分布不均勻系數(shù)的影響，單次能量大于35 kJ(可控避雷器技術(shù)要求單次吸收能量大于32.5 kJ，電流分布不均勻系數(shù)要求不大于1.05。)。

A組電阻片依次按照順序進(jìn)行下列試驗(yàn)，210次沖擊能量耐受試驗(yàn)、加速老化試驗(yàn)、大電流沖擊耐受試驗(yàn)、熱穩(wěn)定試驗(yàn)。每次試驗(yàn)前后測(cè)量電阻片直流1 mA參考電壓UDC1 mA、0.75倍直流參考電壓下漏電流I0.75、30/60 μs波形下500 A殘壓Ures.500A、8/20 μs波形下10 kA殘壓Ures.10 kA、直流5 mA參考電壓時(shí)組內(nèi)均流βDC、工頻參考電壓下組內(nèi)均流βAC、30/60 μs波形組內(nèi)均流β30/60[11-24]。

A組進(jìn)行沖擊能量耐受試驗(yàn)后，A、B組進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。加速老化試驗(yàn)后，A、C組依次進(jìn)行大電流沖擊耐受試驗(yàn)、熱穩(wěn)定試驗(yàn)。試驗(yàn)前后測(cè)量電阻片特征參量UDC1 mA、I0.75、Ures.500 A、Ures.10 kA。

表3 電阻片分組Table 3 The group of resistors

A組電阻片210次沖擊能量耐受試驗(yàn)過(guò)程中，每隔30次測(cè)量電阻片UDC1mA、I0.75。A組電阻片進(jìn)行每項(xiàng)試驗(yàn)前后進(jìn)行特征參量測(cè)量。

通過(guò)分析特征參量的變化，發(fā)現(xiàn)電阻片性能的變化情況。通過(guò)對(duì)組間電阻片特征參量變化情況的分析，發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律，初步掌握多次沖擊能量耐受對(duì)電阻片性能的影響。

3 能量耐受試驗(yàn)

能量耐受試驗(yàn)依據(jù)GB/T 22389-2008第7.10、9.9條進(jìn)行，試驗(yàn)采用2 ms方波，試驗(yàn)時(shí)考慮電流分布不均勻系數(shù)的影響，單次能量大于35 kJ(可控避雷器技術(shù)要求單次吸收能量大于32.5 kJ，電流分布不均勻系數(shù)要求不大于1.05。)， 3次為一組，共進(jìn)行210次70組，2次沖擊間隔時(shí)間為50 s～60 s，2組之間使試品冷卻到接近環(huán)境溫度，檢查電阻片外觀情況[25]。

試驗(yàn)過(guò)程中，每10組(30次)試驗(yàn)后測(cè)量電阻片UDC1mA、I0.75。試驗(yàn)前后測(cè)量電阻片特征參量UDC1mA、I0.75、Ures.500A、Ures.10kA、βDC、βAC、β30/60。

試驗(yàn)后，電阻片應(yīng)無(wú)擊穿、閃絡(luò)、破損或其他明顯損傷的痕跡，且試驗(yàn)前后殘壓變化率不大于5%。

能量耐受試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。

表4 能量耐受試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Test data of energy tolerance test

能量耐受試驗(yàn)過(guò)程，UDC1mA隨著電流沖擊次數(shù)增加無(wú)明顯變化；I0.75隨著電流沖擊次數(shù)增加而微增大，第20組后I0.75趨于穩(wěn)定。

試驗(yàn)前后特征參量如表7。

表5 能量耐受試驗(yàn)過(guò)程中UDC1mA測(cè)量結(jié)果Table 5 UDC1mA measurement during energy tolerance test kV

表6 能量耐受試驗(yàn)過(guò)程中I0.75測(cè)量結(jié)果Table 6 I0.75measurement during energy tolerance test μA

表7 能量耐受試驗(yàn)前后電阻片特征參量測(cè)量結(jié)果Table 7 Characteristic parameters measurement of

能量耐受試驗(yàn)后，電阻片無(wú)擊穿、閃絡(luò)、破損或其他明顯損傷的痕跡。僅A2UDC1mA微升0.19%，其它電阻片UDC1mA無(wú)變化，平均微增大0.04%；Ures.500A普遍增大，平均增大1.39%；Ures.10kA微增大，平均增大0.13%；I0.75增大，平均增大6.89%(1.39 μA)，試驗(yàn)通過(guò)。綜合判斷，試驗(yàn)后電阻片未見明顯劣化。

4 加速老化試驗(yàn)

A組電阻片完成能量耐受試驗(yàn)后，A、B兩組在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，以研究210次沖擊能量耐受對(duì)老化特性的影響[26]。試驗(yàn)依據(jù)GB/T 22389-2008第9.11.2條進(jìn)行，采用純直流。依據(jù)Arrhenius公式，加速老化試驗(yàn)按溫度125 ℃、時(shí)間210 h進(jìn)行，工程用避雷器的設(shè)計(jì)荷電率為81.3%,試驗(yàn)按照偏嚴(yán)考慮，直流加速老化試驗(yàn)的試品施加電壓荷電率按95%進(jìn)行折算[6]。在施加電壓1 h～2 h之間測(cè)量在電壓U下電阻片的功率損耗P1。在測(cè)量P1后，每隔0.1 h采集一次電阻片的功率損耗，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得功率損耗中的最小功率損耗為P3，在不間斷施加U計(jì)210 h后，在相同條件下測(cè)量功率P2。試驗(yàn)要求P2≤1.1P3且P2≤P1，試驗(yàn)后電阻片應(yīng)無(wú)擊穿、閃絡(luò)、破損或其他明顯損傷的痕跡。試驗(yàn)前后測(cè)量所有電阻片特征參量。A組試驗(yàn)后需測(cè)量βDC、βAC、β30/60。

A、B組電阻片加速老化試驗(yàn)開始后2小時(shí)附近達(dá)到最大功率損耗，之后功率損耗開始減小，直至趨于穩(wěn)定，A組電阻片與B組電阻片功率損耗曲線變化趨勢(shì)一致。兩組電阻片功耗滿足P2≤1.1P3且P2≤P1的要求，試驗(yàn)后電阻片無(wú)擊穿、閃絡(luò)、破損或其他明顯損傷的痕跡，試驗(yàn)通過(guò)。

加速老化試驗(yàn)功率損耗曲線如圖2。

圖2 加速老化試驗(yàn)功率損耗曲線Fig.2 Power loss curve of accelerated aging test

電阻片加速老化試驗(yàn)前后特征參量如表8-9。

新時(shí)期公路工程項(xiàng)目數(shù)量與建設(shè)力度都在不斷增加，公路工程建設(shè)施工單位面臨的質(zhì)量安全問(wèn)題迎來(lái)了更多的挑戰(zhàn)，甚至影響著施工單位自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，公路工程建設(shè)施工單位在一定程度上采取了監(jiān)管措施，只是其監(jiān)管工作依舊存在一些問(wèn)題。

表8 A組電阻片加速老化試驗(yàn)前后特征參量測(cè)量結(jié)果Table 8 Characteristic parameters measurement of resistors before and after accelerated aging test of group A

表9 B組電阻片加速老化試驗(yàn)前后特征參量測(cè)量結(jié)果Table 9 Characteristic parameters measurement of resistors before and after accelerated aging test of group B

分析試驗(yàn)前后特征參量數(shù)據(jù)，A組、B組電阻片UDC1mA、Ures.500A、Ures.10kA增大，I0.75減小，兩組電阻片特征參量變化趨勢(shì)一致。UDC1mA，A組平均增大4.43%，B組平均增大3.51%。Ures.500A，A組平均增大2.88%，B組平均增大2.92%。Ures.10kA，A組平均增大2.21%，B組平均增大2.19%。I0.75，A組平均減小26.17%(平均減小5.66μA)，B組平均減小32.06%(平均減小6.25μA)。A組電阻片承受210 次沖擊能量耐受后，電阻片老化特性未見明顯影響。

5 大電流沖擊耐受試驗(yàn)

A組電阻片完成加速老化試驗(yàn)后，A、C兩組在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行大電流沖擊耐受試驗(yàn)。試驗(yàn)依據(jù)GB/T 22389-2008第7.11、9.10條進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)考慮電流分布不均勻系數(shù)的影響，電阻片耐受兩次4/10 μs 105 kA沖擊(可控避雷器電流分布不均勻系數(shù)要求不大于1.05)，兩次之間間隔時(shí)間應(yīng)能使電阻片冷卻到環(huán)境溫度[27-29]。試驗(yàn)后電阻片應(yīng)無(wú)擊穿、閃絡(luò)、破損或其他明顯損傷的痕跡。電阻片以研究210次長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊耐受、加速老化試驗(yàn)對(duì)大電流沖擊耐受試驗(yàn)的影響。試驗(yàn)前后測(cè)量所有電阻片特征參量。A組電阻片試驗(yàn)后需測(cè)量βDC、βAC、β30/60。

兩組電阻片大電流沖擊耐受試驗(yàn)后，電阻片無(wú)擊穿、閃絡(luò)、破損或其他明顯損傷的痕跡，試驗(yàn)通過(guò)。

電阻片大電流沖擊耐受試驗(yàn)前后特征參量如表10至表11。

表10 A組電阻片大電流沖擊耐受試驗(yàn)前后特征參量測(cè)量結(jié)果Table 10 Characteristic parameters measurement of resistors before and after high current impulse test of group A

表11 C組電阻片大電流沖擊耐受試驗(yàn)前后Table 11 Characteristic parameters measurement of resistorsbefore and after high current impulse test of group C

分析試驗(yàn)前后特征參量數(shù)據(jù)，兩組電阻片UDC1mA減小，Ures.500A、I0.75增大，Ures.10kA有增大有減小無(wú)規(guī)律，兩組電阻片特征參量變化趨勢(shì)一致。UDC1mA，A組平均減小1%，B組平均減小1.04%。Ures.500A，A組平均增大0.39%，C組平均增大0.34%。Ures.10kA，A組平均增大0.27%，C組平均增大0.08%。I0.75，A組平均增大38.17%(平均增大6.08 μA)，C組平均增大27.12%(平均增大4.98 μA)。

A組電阻片承受210次長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊耐受、加速老化試驗(yàn)后，電阻片大電流沖擊耐受性能未見明顯變化。

6 熱穩(wěn)定試驗(yàn)

A、C兩組電阻片完成大電流沖擊耐受試驗(yàn)后，在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行熱穩(wěn)定試驗(yàn)。試驗(yàn)依據(jù)GB/T 22389-2008第7.11、9.11.7條進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中電阻片的溫度穩(wěn)定地降低，則認(rèn)為比例單元是熱穩(wěn)定的，認(rèn)為通過(guò)了本試驗(yàn)。試驗(yàn)后，電阻片應(yīng)無(wú)擊穿、閃絡(luò)、破損或其他明顯損傷的痕跡，且試驗(yàn)前后殘壓變化率不大于5%。

試驗(yàn)前進(jìn)行比例單元、避雷器固定部分元件和可控部分元件的熱等價(jià)性能試驗(yàn)，比例單元的相對(duì)溫升應(yīng)高于避雷器的相對(duì)溫升。

熱等價(jià)相對(duì)溫升曲線如圖3。

圖3 熱等價(jià)相對(duì)溫升曲線Fig.3 Thermally equivalent relativetemperature curve

將電阻片制成比例單元放在烘箱內(nèi)預(yù)熱，試品溫度為60℃±3℃。將比例單元從烘箱中取出，并應(yīng)盡可能短且不超過(guò)5 min的時(shí)間內(nèi)，對(duì)試品施加1次大于34.6 kJ的能量耐受，然后應(yīng)盡可能快且在不超過(guò)100 ms的時(shí)間內(nèi)，對(duì)試品施加30 min荷電率100%的直流電壓(高于避雷器CCOV)，監(jiān)測(cè)電阻片溫度[30-31]。試驗(yàn)時(shí)考慮電流分布不均勻系數(shù)的影響，單次能量大于34.6 kJ(可控避雷器技術(shù)要求單次吸收能量大于32.5 kJ，電流分布不均勻系數(shù)要求不大于1.05。)。

以研究210次沖擊能量耐受、加速老化試驗(yàn)、大電流沖擊耐受試驗(yàn)對(duì)熱穩(wěn)定試驗(yàn)的影響。試驗(yàn)前后測(cè)量所有電阻片特征參量。A組電阻片試驗(yàn)后需測(cè)量βDC、βAC、β30/60。

兩組電阻片施加30 min荷電率100%直流電壓過(guò)程中，所有電阻片溫度呈下降趨勢(shì)，達(dá)到熱穩(wěn)定，試驗(yàn)通過(guò)。A組、C組電阻片溫度散熱趨勢(shì)一致，無(wú)明顯差異。

兩組電阻片熱穩(wěn)定試驗(yàn)后，電阻片無(wú)擊穿、閃絡(luò)、破損或其他明顯損傷的痕跡，且試驗(yàn)前后殘壓變化率不大于5%。

試驗(yàn)過(guò)程中試品溫度散熱曲線如圖4。

圖4 溫度散熱曲線Fig.4 Temperature cooling curve

兩組電阻片試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表12。

表12 熱穩(wěn)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 12 The data of thermal stability test

熱穩(wěn)定試驗(yàn)前后特征參量如表13-14。

兩組電阻片特征參量變化趨勢(shì)一致，UDC1mA增大，Ures.500A、Ures.10kA、I0.75減小。UDC1mA，A組平均增大0.89%，C組平均增大0.8%。Ures.500A，A組平均減小1.72%，C組平均減小1.5%。Ures.10kA，A組平均減小1.03%，C組平均減小0.57%。I0.75，A組平均減小14.96%(平均減小3.31μA)，C組平均減小14.61%(平均減小3.43μA)。A組電阻片承受210 次長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊耐受、加速老化試驗(yàn)、大電流沖擊耐受試驗(yàn)后，電阻片熱穩(wěn)定性能未見明顯變化。

表13 A組電阻片熱穩(wěn)定試驗(yàn)前后特征參量測(cè)量結(jié)果Table 13 Characteristic parameters measurement before and after thermal stability test of group A

續(xù)表

表14 C組電阻片熱穩(wěn)定試驗(yàn)前后特征參量測(cè)量結(jié)果Table 14 Characteristic parameters measurement before and after thermal stability test of group C

7 A組試驗(yàn)過(guò)程中特征參量變化

A組電阻片承受住了210次沖擊能量耐受，長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊耐受后進(jìn)行加速老化試驗(yàn)、大電流沖擊耐受試驗(yàn)、熱穩(wěn)定試驗(yàn)過(guò)程中，未發(fā)生擊穿、閃絡(luò)、開裂、破碎等損壞。每次試驗(yàn)前后測(cè)量電阻片特征參量UDC1mA、Ures.500A、Ures.10kA、I0.75、βDC、βAC、β30/60。

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中A組電阻片特征參量變化量曲線如圖5。

圖5 A組特征參量變化量曲線Fig.5 Characteristic parameter variation curves of group A

完整試驗(yàn)周期前后，UDC1mA、Ures.500A、Ures.10kA增大，UDC1mA平均增大4.35%，Ures.500A平均增大2.9%，Ures.10kA平均增大1.28% 。I0.75減小，平均減小7.33%(1.49μA)。βAC未變，βDC、β30/60微減小。每個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目后，5片電阻片特征參量變化趨勢(shì)一致，變化量接近。

8 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電阻片進(jìn)行210次長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊耐受試驗(yàn)，以及耐受長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊的電阻片與未耐受長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊的電阻片相同條件下進(jìn)行加速老化試驗(yàn)、大電流沖擊耐受試驗(yàn)、熱穩(wěn)定試驗(yàn)研究得出如下結(jié)論：

1)電阻片耐受210次沖擊能量耐受試驗(yàn)過(guò)程中特征參量UDC1mA、I0.75隨著沖擊次數(shù)增加，微增大，第20組后I0.75趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)后電阻片未發(fā)生擊穿、閃絡(luò)、開裂、破損等損壞，Ures.10kA、UDC1mA變化率小于1% 。210次長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊耐受后，電阻片未見明顯劣化。

2)能量耐受試驗(yàn)后的電阻片，依次同未進(jìn)行長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊耐受的電阻片同等條件下進(jìn)行加速老化試驗(yàn)、大電流沖擊試驗(yàn)、熱穩(wěn)定試驗(yàn)。各試驗(yàn)后，耐受長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊的電阻片與未耐受長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊的電阻片特征參量變化趨勢(shì)一致，變化量無(wú)明顯差異。證明210次長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊耐受對(duì)電阻片的老化特性、通流能力以及保護(hù)性能沒有明顯影響。

3)電阻片耐受210次沖擊能量耐受、加速老化試驗(yàn)、大電流沖擊耐受試驗(yàn)、熱穩(wěn)定試驗(yàn)后，電阻片特征參量UDC1mA、Ures.10kA增大，變化率小于5%；I0.75減??；β近似無(wú)變化，各特征參量變化均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)要求。電阻片經(jīng)受不同能量考核后，無(wú)明顯劣化，性能良好。

4)QA22電阻片性能滿足白鶴灘-江蘇工程(虞城站)用可控避雷器單次能量吸收大、動(dòng)作次數(shù)多、長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性高的需求。