直流侧的避雷器设计与应用探析

1）持续运行电压CCOV/PCOV

高压直流避雷器的持续运行电压不同于交流系统，它不是单一的工频电压，而是由直流电压、基频电压、谐波电压和高频瞬态电压合成的。避雷器的持续运行电压CCOV和PCOV应高于它所安装处的最高运行电压，并考虑严酷工况下叠加的谐波和高频暂态的运行电压，从而避免避雷器吸收能量过大，加速老化，降低可靠性。下面以向家坝—上海±800kV特高压直流输电工程的整流侧复龙站为例，对换流站直流侧避雷器的持续运行电压计算进行说明，避雷器布置如图18-2所示。

（1）阀避雷器V

阀的开通与关断产生的转换瞬态电压叠加在换相电压上，特别是在阀关断时，换相过冲增加了换流变阀侧绕组的电压，并作用在阀和避雷器上。图18-4所示为阀避雷器的持续运行电压波形，其幅值正比于最大理想空载直流电压Udim，由下式决定[6]：

向上特高压直流工程中，整流站的Udim=237.6kV，故阀避雷器的持续运行电压为CCOV=π/3×237.6=248.8kV。

图18-4　阀避雷器持续运行电压波形

考虑换相过冲的持续运行电压PCOV确定为CCOV与换相过冲之和。PCOV的大小与晶闸管换流阀的固有特性及其阻尼电阻和电容、阀和换流回路中的各种电容和电感、触发角与换相角等多种因素有关，可以建立包括上述因素的详细模型予以预测，也可以根据工程经验选择的PCOV与CCOV的比值予以确定。目前，高压直流工程中一般取换相过冲约为15%～19%，即PCOV与CCOV的比值约为1.15～1.19。在向上特高压直流工程中，整流站的换相过冲取为16%，即换相过冲系数为1.16。

（2）直流极线避雷器DB

直流极线避雷器DB1和DB2的最大运行电压几乎是纯的直流电压，避雷器的CCOV取为直流极线的最大运行电压，在向上特高压工程中为824kV。在某些其他工程中，该值有时也取为816kV。

（3）换流器高压端避雷器CBH

换流器高压端避雷器CBH的运行电压为12脉动换流单元两端的持续运行电压加上上、下12脉动换流单元中间母线的电压，其中不考虑换相过冲的持续运行电压CCOV表示为

式中，Uoffset为上、下12脉动换流单元中间母线的最大运行电压，由于在特高压换流站中采用了平抗分置的方式，该处电压近似为纯直流电压，向上特高压工程中取为412kV。

考虑换相过冲的持续运行电压PCOV为避雷器的CCOV加上换相过冲，关于换相过冲的选取目前主要有两种思路：

①由于特高压直流系统中每个12脉动换流单元由两个6脉动换流器串联组成，并且每个换流器的相位相差30°，上、下6脉动换流器的换相时刻并不相同，从而导致两个6脉动换流器的换相过冲不是发生在同一时刻，故由两个6脉动换流器叠加后的12脉动换流单元的换相过冲幅值实际上与单个6脉动换流器的换相过冲幅值相同，故避雷器CBH的PCOV为

式中，CCOV1为避雷器CBH的不考虑换相过冲的持续运行电压；k1为6脉动换流器的换相过冲，在向上特高压直流工程中整流站的换相过冲取为16%；CCOV2为6脉动换流器的持续运行电压，计算式如式（18-2）所示，即CCOV2=π/3×Udim。

②将上12脉动换流单元看作一个整体，整体考虑两端电压的换相过冲，通常12脉动换流单元两端电压的换相过冲取为10%，即过冲系数1.1，故可得避雷器CBH的PCOV为

式中，Uoffset为上、下12脉动换流单元中间母线的最大运行电压，由于在特高压换流站中采用了平抗分置的方式，该处电压近似为纯直流电压；k为12脉动换流单元两端电压的换相过冲系数，取为1.1。

在向上特高压直流工程中，将相关参数代入上面各式可得：

两种考虑方案得到的PCOV为

（4）上12脉动换流单元6脉动桥避雷器MH

上12脉动换流单元6脉动桥避雷器MH的运行电压为阀两端的持续运行电压加上上、下12脉动换流单元中间母线的电压，表示如下：

式中，Uoffset为上、下12脉动换流单元中间母线的最大运行电压，由于在特高压换流站中采用了平抗分置的方式，该处电压近似为纯直流电压；k为考虑6脉动换流单元两端电压的换相过冲后的系数。

在向上特高压直流工程中，将相关参数代入式（18-6）和式（18-7）可得：

CCOV=π/3×237.6+412=661（kV）

PCOV=1.16×π/3×237.6+412=701（kV）

（5）12脉动换流单元中间母线避雷器CBL2

12脉动换流单元中间母线避雷器CBL2的运行电压为12脉动换流单元两端的持续运行电压加中性母线平波电抗器阀侧对地电压。CCOV和PCOV的计算原理与避雷器CBH类似，表示如下：

式中，Uoffset为中性母线平波电抗器阀侧对地电压；CCOV1为避雷器CBL2的不考虑换相过冲的持续运行电压；k1为6脉动换流器的换相过冲，在向上特高压直流工程中整流站的换相过冲取为16%；CCOV2为6脉动换流器的持续运行电压，计算式如式（18-2）所示，即CCOV2=π/3×Udim；k2为12脉动换流单元两端电压的换相过冲系数，通常取为1.1。(www.xing528.com)

关于中性母线平波电抗器阀侧对地电压的确定需要考虑直流电压和谐波电压，系统实际运行过程中该处电压包含接地极线路的直流电压降和平波电抗器的谐波电压降。由于系统正常运行时该处对地电压较低，且该处电压的极性与该极上、下十二脉动换流器中间母线的电压极性相反，因此在确定避雷器CBL2和ML的最大持续运行电压时，可以不考虑该处电压的影响，即认为该处电压为零。

在向上特高压直流工程中，将相关参数代入式（18-8）、（18-9）、（18-10）可得：

式中，PCOV1和PCOV2分别为两种不同考虑方案下的计算结果。

（6）下12脉动换流单元6脉动桥避雷器ML

与上12脉动换流单元6脉动桥避雷器MH类似，下12脉动换流单元6脉动桥避雷器ML的持续运行电压为阀两端的持续运行电压加上中性母线平波电抗器阀侧对地电压。即为

式中，Uoffset为中性母线平波电抗器阀侧的对地电压，在确定避雷器ML的最大持续运行电压时认为该处电压为零。

在向上特高压直流工程中，将相关参数代入式（18-11）和式（18-12）可得：

CCOV=π/3×237.6=248.8kV

PCOV=1.16×π/3×237.6=289kV

（7）中性母线避雷器

中性母线避雷器包括中性母线平波电抗器阀侧避雷器CBN1和CBN2、中性母线避雷器E、接地极引线避雷器EL和金属回线避雷器EM。对于这些避雷器，不考虑换相过冲，避雷器的持续运行电压描述如下：

避雷器CBN1和CBN2安装在中性母线平波电抗器阀侧，其中CBN1位于阀厅内，CBN2位于阀厅外。避雷器的最大持续运行电压CCOV需要同时考虑直流电压和谐波电压，计算时可考虑为直流系统金属回线（整流站）或大地回线（逆变站）运行方式下接地极线路上的直流电压降加上谐波电流在中性母线平波电抗器上产生的谐波电压。

中性母线避雷器E安装于平波电抗器阀侧的中性母线上。对于整流站，避雷器的最大运行电压为直流系统单极金属回线运行方式下直流电流在接地极线路上的直流电压降；对于逆变站，由于各种运行方式下逆变站始终接地，避雷器E的最大运行电压为直流电流在逆变站接地极线路上产生的电压降。

金属回线避雷器EM安装于换流站的金属回线上。对于整流站，避雷器的最大运行电压为直流系统单极金属回线运行方式下直流电流在接地极线路上的直流电压降；对于逆变站，避雷器的最大运行电压为直流电流在逆变站接地极线路上产生的电压降。

接地极引线避雷器EL安装在换流站接地极线路入口，避雷器的最大持续运行电压CCOV为直流电流在接地极线路上产生的最大电压降。

2）荷电率

对特高压换流站直流侧大部分避雷器来说，荷电率将直接决定其参考电压。选择合理的荷电率需要综合考虑系统持续运行电压CCOV/PCOV、直流电压分量大小、环境污秽对避雷器外套电位分布的影响、温度对避雷器伏安特性的影响、避雷器安装位置（室内、室外）等因素。如前所述，荷电率的高低对避雷器的老化程度影响很大，降低荷电率可使避雷器在长期运行电压下的泄漏电流较小，不易老化；提高荷电率可降低避雷器参考电压和保护水平，对最终降低设备的绝缘水平有重要意义。

V型阀避雷器与换流阀直接并联，在阀导通时，阀避雷器两端电压为零；在阀关断时，阀避雷器两端才承受阀电压。在每个交流周期中，换流阀导通时间约为2/3周期，关断时间约为1/3周期，因此阀电压引起的泄漏电流在平均一个周期中产生的热量很小。另外，阀避雷器位于阀厅内部，环境污秽的影响可不考虑，且阀厅安装有空调，室内温度、散热等条件都可以得到较好的控制，因此一般阀避雷器的荷电率可取得较高，接近于1。

D型避雷器（DB1、DB2）在运行中承受很高的纯直流电压，额定电压很高，因外绝缘要求而高度较高，且考虑到其处在极线平波电抗器外侧和直流线路出口处，故一般安装于室外。这样，室外环境污秽会影响避雷器外套电位分布的均匀性，部分外套发热传导到避雷器内部后，引起部分阀片过热；室外温度对避雷器的伏安特性和散热影响较大，当夏天室外温度很高时，避雷器在正常工作电压下的泄漏电流会变大，同时高温也会使避雷器的散热变差。因此，一般D型避雷器的荷电率不宜选的过高，可选在0.8～0.9之间。向上工程中D型避雷器最终选择的荷电率为0.85。

CBH、MH、CBL2、ML避雷器运行中承受叠加有12脉动谐波电压的直流电压，谐波电压在避雷器阀片上产生的热量较直流分量小，且这些避雷器均安装在换流站阀厅内部，环境污秽的影响可不考虑，且室内温度、散热等条件可以得到较好的控制，因此避雷器的荷电率可取得较高，约为0.9。

中性母线平抗阀侧避雷器CBN2，中性母线避雷器E、EL、EM的持续运行电压很低，对避雷器参考电压的选取不起控制作用，通常不考虑荷电率。

3）参考电压

对于直流侧大部分避雷器来说，确定了持续运行电压和荷电率后，避雷器的参考电压就确定了，但对于平波电抗器并联避雷器（DR/SR）、中性母线平抗阀侧避雷器（CBN2）、中性母线避雷器（E、EL、EM），这些避雷器的持续运行电压很低，但在某些故障下通过的能量很大，故这些避雷器的持续运行电压对参考电压的选取不起作用。其参考电压的确定需要综合考虑下列因素，并结合过电压仿真结果，根据避雷器数量和设备绝缘两者之间进行优化选择。

（1）选择参考电压较低，在交直流接地等故障下，通过避雷器的能量较大，就需要数量相当多的避雷器并联，可能会因各避雷器之间均流效果不好导致某支避雷器过载而损坏，更换特性一致的避雷器难度较大；但较低的参考电压也会降低相关设备绝缘水平，带来一定的经济效益。

（2）选择参考电压较高，所需的避雷器数量会减少，但由于保护水平也较高，考虑绝缘裕度后，中性母线设备、直流滤波器低压侧元件以及靠近中性母线的换流阀和低压端换流变阀侧绕组的绝缘水平也会相应提高，增加了成本。

事实上，按照目前的实际工程经验，倾向于在这些位置选取参考电压较高的避雷器。

另外，值得一提的是，在直流系统避雷器中，DR/SR避雷器较为特殊，其参考电压远高于其持续运行电压，而且不同工程中该避雷器的参数相差较大，这种情况的原因是DR/SR避雷器主要用于雷电过电压下避免平波电抗器两端电压差过大，由于雷电过电压远远高于平波电抗器两端的持续运行电压，故选取该避雷器的保护水平时主要考虑平波电抗器两端的雷电过电压耐压值。

4）多柱避雷器并联

在特高压直流系统中采用的不少避雷器都是经多柱并联而成，这主要是由满足过电压下的能量要求和降低避雷器保护水平两方面因素决定的。在进行避雷器多柱并联时，需要特别注意各柱均流问题。

在本章第一节特高压直流避雷器特点介绍中提到，在特高压直流系统过电压工况下避雷器通常要吸收很大的能量，如阀避雷器在某些故障下的最大吸收能量可达几个MJ，如此大的能量要求，往往就需要采用多柱并联的避雷器。多柱避雷器并联的另一种情形是需要降低被保护设备的绝缘水平。特高压直流系统电压等级很高，设备绝缘水平也很高，通过多柱避雷器并联来降低绝缘水平的原理是：并联后，可以降低各柱避雷器的配合电流，进而降低避雷器保护水平，最终使得所需的设备绝缘水平得到降低。特高压直流极母线避雷器往往设计成多柱，就是基于这样的考虑。

在进行多柱避雷器并联时，保证各柱的电流分布均匀是一个需要特别关注的问题。这是因为，避雷器动作时各柱上的电压都相同，那么各柱能量的分布就等于电流的分布。由于避雷器在实际制造过程中总存在偏差，如果其中某一柱的伏安特性过低，会导致通过的电流过大，吸收的能量过大，一旦超过其最大能量吸收能力，将会影响整支避雷器在过电压下的安全稳定运行。

一般情况下，为达到各柱避雷器能量的均匀分布，制造厂家应尽可能采用特性一致的阀片单元构成避雷器，来控制多柱避雷器电流不均匀系数β在一定范围内，该系数的定义为

式中，n为并联柱数；Imax为任意一柱的最大电流峰值；Iarr为整支避雷器的电流峰值。出厂时通过对整支避雷器进行电流分布试验即可得到上述β。国家电网公司企业标准[7]中规定该电流不均匀系数β不大于1.1。