接地極線路導(dǎo)線脫落事故原因分析及相應(yīng)措施

陳 光,楊振國,楊振家,王金笙,靳憲瑤

(1．東北電力設(shè)計院,長春 130021;2．黑龍江省電力勘察設(shè)計研究院,哈爾濱 150078;3．國網(wǎng)吉林省電力有限公司培訓(xùn)中心,長春 130062;4．大連電力勘察設(shè)計院有限公司,遼寧 大連 116011)

目前,高壓直流輸電是國內(nèi)電力輸送的一個重要方向。正常情況下,與其他高壓輸電線路一樣,接地極線路導(dǎo)線下方不影響人的一般生產(chǎn)耕作等活動。接地極線路在單極大地回路運行狀態(tài)下一旦發(fā)生導(dǎo)線脫落,將有幾千安培的電流通過導(dǎo)線脫落點流入大地,導(dǎo)致附近地面局部土壤溫度、地電位、跨步電壓及接觸電勢等主要指標(biāo)短時內(nèi)迅速升高,直接威脅到附近人畜的安全,所以除不可抗自然災(zāi)害因素外,應(yīng)避免任何其他因素導(dǎo)致的導(dǎo)線脫落。就接地極線路導(dǎo)線脫落事故來看,“葛上”直流工程兩端換流站接地極線路曾因絕緣子未加裝招弧角,在投運初期,兩端都發(fā)生過雷擊脫落事故,類似的問題在國外工程中也有發(fā)生,因此,在“天廣”及以后的直流工程中,接地極線路絕緣子均加裝招弧角。截至2010年,運行中未再發(fā)生導(dǎo)線脫落事故[1]。但2010年國內(nèi)某條接地極線路卻發(fā)生了由于招弧角間隙問題而引發(fā)的導(dǎo)線脫落事故。本文通過對該次事故的分析,結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)高壓直流絕緣間隙研究成果,明確了招弧角間隙的設(shè)計取值范圍,為招弧角設(shè)計取值范圍提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 接地極線路運行情況

某接地極線路于2010年9月投入運行,2012年7月 6日直流系統(tǒng)運行方式為極Ⅰ直流系統(tǒng)處于檢修狀態(tài),極Ⅱ直流系統(tǒng)單極金屬回路運行,直流系統(tǒng)電壓為 400 kV,接地極母線電壓 UDN為 25 kV。19∶17極Ⅱ直流系統(tǒng)在單極金屬回路轉(zhuǎn)單極大地回路操作金屬回路轉(zhuǎn)換開關(guān)(MRTB)后,運行工作站(OWS)報接地極電阻監(jiān)視阻抗異常,UND由 25 kV降至3．1 kV,且接地電阻 REZ逐漸增大 ,到同日 20∶00,REZ增大至 160Ω不變?？紤]到安全及巡視能見度等問題,7月7日在對接地極線路進行巡視時發(fā)現(xiàn)接地極線路 4號塔一側(cè)導(dǎo)線絕緣子炸裂(面向接地極址方向左側(cè)),導(dǎo)線脫落,地面發(fā)現(xiàn)絕緣子炸裂碎片,招弧角嚴(yán)重?zé)龘p。脫落導(dǎo)線周圍地面有燒灼痕跡。該接地極線路桿塔采用十字形設(shè)計,導(dǎo)線采用2組 2分裂 LGJ-630/45鋼芯鋁絞線,水平布置,懸垂絕緣子串采用單、雙聯(lián) 160 kN直流盤型瓷絕緣子,每聯(lián)3片設(shè)計。懸垂及耐張絕緣子串均加裝招弧角。直流系統(tǒng)額定電壓為±500 kV,單極大地運行方式下額定入地電流為 3000 A。

經(jīng)向運行部門了解,7月 6日“接地電阻監(jiān)視阻抗異常”報警及事故發(fā)生前的 6月 28日及 7月 4日,電網(wǎng)運行均有異常情況發(fā)生。在換流站操作過程中,均發(fā)生過接地極極線電流不平衡報警情況。

2 事故原因分析

在換流站站內(nèi)分別對上述每組極線分別加裝了自換流站面對接地極線路方向左側(cè)線路(IDEL1)及右側(cè)線路(IDEL2)兩個電流測量裝置。正常運行時,IDEL1和 IDEL2數(shù)值應(yīng)基本一致。

a．根據(jù)接地極線路不平衡保護原理,事故發(fā)生前 6月 28日 16：39及 7月 4日 14：23,從 2次 IDEL電流不平衡波形可以分析得出如下結(jié)論：2次電流不平衡出現(xiàn)時,直流線路極Ⅰ停運,均出現(xiàn)在極Ⅱ線路由單極大地回路轉(zhuǎn)為單極金屬回路過程中,即發(fā)生在拉開金屬回路轉(zhuǎn)換開關(guān)(MRTB)時段;從 2次大地回路轉(zhuǎn)金屬回路的UDN波形看,2次轉(zhuǎn)換過程中拉開 MRTB時的UDN都較大,即瞬時的操作過電壓超過了 110 kV。

b．6月 28日 06：23接地極線路故障 ,接地級線路電流不平衡告警,30 ms后復(fù)歸。經(jīng)運行部門查看2套系統(tǒng)的雙極中性線差動保護的差流基本為0,基本可以排除 IDEL1本身測量的故障,初步可以斷定IDEL1接地極極線上某處的絕緣被破壞或降低,導(dǎo)致 IDEL1電流增大,30 ms后不平衡報警消失說明絕緣沒有完全被破壞。由于接地極線路是從換流站出發(fā),4根子導(dǎo)線最終通過線路,在接地極極址的224號中心塔全部連接在一起并入地與地面以下的接地極極環(huán)相連接。經(jīng)測試極址處入地的終端塔各分支線路以及接地極各分段的電流,極址處終端塔與接地極各段電氣連接正常,接地極接地電阻不大于 0．3Ω。

由此可以推斷,6月 28日 06：23極Ⅱ由金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路運行過程中,IDEL1線路上就已經(jīng)存在某處絕緣故障點,導(dǎo)致后續(xù)各次 IDEL1線路在大地回路與金屬回路互相轉(zhuǎn)換過程中,入地電流不是完全經(jīng)過接地極,而是經(jīng)過了線路中某處絕緣故障點對塔身放電進而形成了新的沿塔身入地的泄流通道,因此,該處就是4號塔對應(yīng)于 IDEL1側(cè)的線路絕緣子金具串存在的絕緣故障。由于當(dāng)時并無大風(fēng)產(chǎn)生,根據(jù)接地極線路絕緣子串的特點可以斷定放電點為間隙較小的招弧角。極Ⅰ故障停運,極Ⅱ由金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路運行過程中中性母線電壓UDN出現(xiàn)了接近 150 kV的瞬間操作過電壓,可以斷定,該幅值的操作過電壓直接導(dǎo)致 4號塔對應(yīng)于 IDEL1側(cè)絕緣子串招弧角間隙擊穿,但擊穿后并未形成持續(xù)的續(xù)流,很快自行熄弧,致使電流不平衡報警 30 ms后消失。

可以看出 ,6月 28日 16：39及 7月 4日 14：23,2次IDEL電流不平衡均是短時的,都在30 ms后由于IDEL1和IDEL2電流值基本一致并接近于0時結(jié)束報警,表示接地極線路由大地回路轉(zhuǎn)為金屬回路過程的結(jié)束,也意味著出現(xiàn)絕緣故障的 4號塔 IDEL1線路對塔身放電結(jié)束。

c．7月 6日 19：17：50到 19：17：51的 1 ms時間段之間,IDEL1電流明顯高于 IDEL2電流,之后兩者達到一致,到 19：17：56時,IDEL1電流逐漸又高于 IDEL2,再經(jīng)過 50 ms延時后,19：19時不平衡電流報警,同時OWS報“接地極電阻監(jiān)視阻抗異常”報警。到 7月 6日 20：00分 REZ增大至 160Ω不變。由此可以斷定,7月 6日 19：17：50導(dǎo)線已經(jīng)脫落。

6月29日,運行部門對全線逐基桿塔進行了巡視,未發(fā)現(xiàn)異常故障,隨后的 7月 4日 11：14極Ⅱ線路由單極金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路過程中,也并未出現(xiàn)異常報警,可以斷定尚未發(fā)生導(dǎo)線脫落事故。由于7月 4日14：23由單極大地回路轉(zhuǎn)為單極金屬回路操作直到 7月 6日 19：19,單極金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路操作期間無其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作,不具備事故發(fā)生的基本條件,而且 7月 4日 14：23至 7月 6日 19：19之間經(jīng)歷了 4日一下午以及 5日、6日兩個白天,如果導(dǎo)線脫落事故發(fā)生在此期間,接地極線路周圍活動的常住居民理應(yīng)有足夠的時間發(fā)現(xiàn),但電力部門并沒有接到有關(guān)的報告,因此,可以判定導(dǎo)線脫落事故就發(fā)生在 7月 6日19：19單極金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路操作過程中。

d．接地極線路7月6日19：19導(dǎo)線脫落后到7月7日04：03期間,極Ⅱ一直處于單極大地回路運行方式,極Ⅱ直流系統(tǒng)電流通過接地極極址處以及 4號塔落地導(dǎo)線處流入(出)大地,因此導(dǎo)線脫落處附近溫度迅速升高,導(dǎo)致導(dǎo)線落地點周圍草地被明顯灼燒。

e．按從上至下順序分別為第 1片、第 2片、第 3片,通過現(xiàn)場對損壞的絕緣子及金具進行研究分析可得出：3片絕緣子受到損壞的程度由大到小的順序是第 2片,第 1片,第 3片;第 1片絕緣子通過外部放電,使絕緣子鐵帽產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)g;第 3片絕緣子同樣通過外部放電,使絕緣子鋼腳的鋅套產(chǎn)生了燒蝕;第 2片因為其位置處于受熱最嚴(yán)重的地方,頭部受損嚴(yán)重,致使電流通過絕緣子時,沒有通過外部,而是通過頭部內(nèi)部放電,使第 2片絕緣子水泥膠合劑受熱膨脹,絕緣子鐵帽發(fā)生爆裂。

f．接地極線路1號到10號桿塔型式及竣工驗收時招弧角實際間隙見表1。從表1可以看出,接地極線路構(gòu)架附近的 4號塔招弧角間隙小是大幅值操作過電壓出現(xiàn)時 4號塔絕緣子招弧角間隙被擊穿的根本原因。由于轉(zhuǎn)角塔的招弧角間隙為水平布置,同等間隙值下,水平布置的招弧角比垂直布置的招弧角更容易拉斷電弧,因此雖然2號塔與4號塔的招弧角間隙基本相當(dāng),但 4號的垂直間隙布置形式相對而言更不利于熄弧。

表1 接地極線路構(gòu)架附近桿塔及招弧角間隙值(竣工)

g．從各次導(dǎo)致接地極線路電流不平衡的極線電流以及UDN波形來看,在接地極線路由單極金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路以及單極金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路的操作過程中均可能在接地極線路構(gòu)架出線端產(chǎn)生 100～ 150 kV的大幅值過電壓,該幅值電壓是導(dǎo)致線路出口附近 4號塔相對較小的招弧角間隙容易被擊穿的根本原因。 6月 28日 06：23的操作轉(zhuǎn)換狀態(tài)與 7月 6日 19：19事故時的操作轉(zhuǎn)換狀態(tài)均是由單極金屬回路轉(zhuǎn)為單極大地回路,均有2000 A以上的入地電流通過,但 6月 28日 6：23的操作確沒有發(fā)生招弧角燃燒現(xiàn)象,主要原因應(yīng)是 7月 6日 19：19事故時小雨潮濕的天氣對招弧角自動熄弧產(chǎn)生影響,致使招弧角擊穿后直流續(xù)流無法及時自動拉斷,進而引發(fā)招弧角燒蝕。

初步分析認(rèn)為,線路運行幾年之后,導(dǎo)線及絕緣子串由于微風(fēng)振動等因素導(dǎo)致招弧角松動,間隙變小,4號塔招弧角間隙事故前可能已經(jīng)遠(yuǎn)小于竣工驗收時的間隙值。

4 相應(yīng)措施及建議

4．1 國內(nèi)外高壓直流絕緣間隙有關(guān)研究結(jié)論

導(dǎo)致接地極線路導(dǎo)線脫落的主要因素有 2個：其一是接地極線路由單極大地回線與單極金屬回線互相轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的100～ 150 kV不等的大幅值操作過電壓;其二是操作過電壓下被擊穿而形成了穩(wěn)定續(xù)流的招弧角。

國內(nèi)特高壓直流外絕緣實驗給出了相應(yīng)的直流操作沖擊放電實驗曲線(見圖1)。但該實驗曲線采用的操作沖擊電壓幅值遠(yuǎn)高于 150 kV,且曲線為非線性曲線,無法外推,因此無法得到所需的最小間隙值(近似為“棒-棒” )。

圖1 高壓直流工程直線塔空氣間隙放電特性實驗曲線組合(操作)

參照國外高壓直流工頻狀態(tài)空氣間隙擊穿特性的研究結(jié)果,“棒-棒”間隙(曲線 A)在正極性直流電壓下?lián)舸╇妷号c間隙距離之間呈線性關(guān)系,國外的試驗電壓達到1600 kV,而國內(nèi)的試驗電壓最高達到 600 kV(見圖 2)。由圖 2可知,空氣間隙的直流擊穿場強約為“棒-棒”間隙 5．5 kV/cm。

中國電力科學(xué)研究院相關(guān)試驗表明：正極性直流擊穿電壓也與空氣間隙距離呈線性關(guān)系,平均擊穿場強為 4．6 kV/cm;重慶大學(xué)相關(guān)研究結(jié)論表明：在間隙小于500 mm時的擊穿電壓與間隙距離為非線性關(guān)系,但間隙大于1．0 m時則為線性關(guān)系,正極性下的空氣間隙的平均擊穿場強在4．5 kV/cm左右。

圖2 “棒-棒”空氣間隙的直流擊穿特性(工頻)

考慮到招弧角實際安裝的誤差,事故接地極線路設(shè)計招弧角間隙理論值為 200～ 300 mm。國內(nèi)多家設(shè)計過直流接地極線路的有關(guān)設(shè)計單位中,中南電力設(shè)計院采用 200 mm,西北電力設(shè)計院多采用400 mm,華東電力設(shè)計院多采用300 mm,東北電力設(shè)計院采用200 mm。本次事故前,國內(nèi)多年的接地極線路運行記錄并沒有由于直流續(xù)流引起的招弧角燃燒的記錄。

4．2 相應(yīng)措施及建議

a．在直流系統(tǒng)中應(yīng)采取有效措施限制產(chǎn)生大幅值操作過電壓。發(fā)生導(dǎo)線脫落事故線路的設(shè)計單位,在直流系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)模擬中,該幅值的接地極線路操作過電壓是允許出現(xiàn)的,而且該電壓幅值是從換流站向接地極極址方向逐漸遞減的,該結(jié)論與文獻 [1]中 10．2．8的“接地極線路出現(xiàn)的過電壓是很低的,不會超過 35 kV”條文解釋相悖。因此,對于是否應(yīng)采取措施有效限制大幅值操作過電壓還是修改接地極線路設(shè)計規(guī)范來提高絕緣水平尚有待于進一步研究。

b．針對本次事故,招弧角間隙暫按最保守的4．5 kV/cm控制 ,150kV直流電壓對應(yīng) 330mm間隙值,同時為了保證可靠的防雷效果,招弧角的間隙同時應(yīng)小于0．85倍絕緣子有效串長,對應(yīng) 430 mm的最大間隙值,因此建議對接地極線路全線招弧角間隙進行調(diào)整,由 200～ 300 mm增加至 350～430 mm,增加招弧角拉斷直流續(xù)流的能力,靠近換流站的桿塔招弧角間隙應(yīng)盡量增大。

對于0～ 150 kV幅值的接地極線路金屬回路與大地回路運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的操作過電壓的最小招弧角間隙值,需要相關(guān)實驗進行進一步明確。對于國內(nèi)其他接地線路工程,建議應(yīng)與各直流系統(tǒng)運行設(shè)計單位進行核實,明確操作過電壓的最大幅值,進一步確定是否需要對招弧角間隙進行適當(dāng)調(diào)整,以有效避免此類事故的發(fā)生。同時,招弧角安裝建議采用防松螺栓連接,最大限度避免由于導(dǎo)線振動而引起的招弧角松動所導(dǎo)致的招弧角間隙變小。運行部門也應(yīng)加強對招弧角間隙的檢查及維護。

5 結(jié)束語

文獻 [1]的 10．2．5條款對接地極線路招弧角的間隙取值僅做了“招弧角間隙應(yīng)大于直流續(xù)流電弧熄滅間隙,以保證斷開直流續(xù)流”的寬泛規(guī)定。但由于直流續(xù)流的數(shù)值需要針對具體項目進行試驗才能得出,因此對于設(shè)計取值而言無法具體參照執(zhí)行。目前國內(nèi)接地極線路招弧角間隙取值一般都采用經(jīng)驗取值,因而未能避免本次導(dǎo)線脫落事故的發(fā)生。事故接地極線路招弧角間隙已按本文分析結(jié)果調(diào)整為350～430 mm,同時招弧角聯(lián)接螺栓全部更換為防松螺栓。在此后一年多運行期間,運行狀況良好,未發(fā)生極線電流不平衡報警。

[1]Q/DG1-D002— 2005,高壓直流輸電大地返回運行系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則 [S]．