南橋換流站閥塔光纖放電問(wèn)題分析

朱柳慧，肖燁輝，倪汝冰，費(fèi) 斌，錢程晨

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063）

2013年底，上?！?00 k V南橋換流站對(duì)雙極閥塔光纖及光纖槽進(jìn)行改造。在啟動(dòng)Ⅰ調(diào)試期間，出現(xiàn)光纖放電現(xiàn)象。光纖放電會(huì)導(dǎo)致光纖表皮灼傷損壞，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致?lián)Q流閥晶閘管觸發(fā)與回報(bào)信號(hào)傳輸受阻，進(jìn)而引起直流閉鎖的嚴(yán)重故障。經(jīng)過(guò)反復(fù)分析和多輪整改，現(xiàn)已基本消除了放電現(xiàn)象。

1 問(wèn)題分析

1.1 閥廳光纖改造原因

南橋站換流閥為±500 k V懸吊式四重閥結(jié)構(gòu)，采用光電轉(zhuǎn)換的觸發(fā)方式，閥塔頂部為地電位，底部為高電位，每個(gè)四重閥都連接于交流系統(tǒng)同一相上。單相閥塔含有4個(gè)單閥，每個(gè)單閥含有4個(gè)半層閥，單相閥塔共16個(gè)半層閥，分左右兩列布置，共8個(gè)閥層（見(jiàn)圖1）。上下兩個(gè)單閥之間的額定電壓是125 k V［1］。

圖1 南橋站換流閥結(jié)構(gòu)

閥塔采用光纖技術(shù)進(jìn)行閥控和檢測(cè)，具有較高的隔離電壓［2］。每相閥塔有4條光纖槽，其中2條短光纖槽內(nèi)放置1至4層的光纖、2條長(zhǎng)光纖槽內(nèi)放置5至8層的光纖；每個(gè)半層閥有兩個(gè)閥段，每個(gè)閥段有15只晶閘管串聯(lián)組成，每個(gè)半層閥的光纖從兩個(gè)閥段的中橫梁引出至層間光纖槽。每相閥塔中共用到4種光纖，分別是二進(jìn)八出的觸發(fā)光纖、八進(jìn)八出的回檢光纖、二進(jìn)二出的避雷器光纖和五進(jìn)五出的漏水檢測(cè)光纖。

2013年10月8日，南橋站極1極控B系統(tǒng)發(fā)晶閘管冗余耗盡跳閘信號(hào)，極1閉鎖。現(xiàn)場(chǎng)檢查B相閥塔損壞的光纖槽發(fā)現(xiàn)該段光纖槽內(nèi)壁有4處非貫穿性樹(shù)枝狀放電痕跡（見(jiàn)圖2），在非故障相（C相）光纜槽內(nèi)，特別是壓接處也發(fā)現(xiàn)多處輕微放電痕跡（見(jiàn)圖3）。

圖2 光纜槽樹(shù)枝狀放電痕跡

圖3 光纜槽壓接處輕微放電

初步分析故障原因是：在長(zhǎng)期運(yùn)行中，極1 B相閥塔內(nèi)光纜槽表面半導(dǎo)體漆涂層性能劣化，在場(chǎng)強(qiáng)集中處產(chǎn)生多處樹(shù)枝狀爬電。同時(shí)，由于早期工程設(shè)計(jì)中光纖及扎帶未按阻燃標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)（均為可燃物），爬電產(chǎn)生的小電弧引燃光纜及扎帶，燒斷光纖導(dǎo)致閥觸發(fā)和回報(bào)脈沖丟失，最終導(dǎo)致直流閉鎖。

2.2 改造后放電現(xiàn)象

為避免類似事故再次發(fā)生，確保葛南直流穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)南橋站雙極閥塔光纖及光纖槽進(jìn)行改造。采用目前新建直流工程中普遍使用的全絕緣阻燃型光纖槽代替原半導(dǎo)體涂層光纖槽，全絕緣阻燃光纖代替易燃光纖，并取消扎帶。

在改造工作完成后，于2014年3月24日雙極進(jìn)入啟動(dòng)調(diào)試階段。在做開(kāi)路試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)閥基電子設(shè)備（VBE）柜內(nèi)有異常聲響，當(dāng)時(shí)直流電壓升至100k V，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)A、B、C三相VBE柜內(nèi)均存在放電現(xiàn)象。利用紫外成像儀檢查發(fā)現(xiàn)，放電位置為VBE柜內(nèi)光纖固定夾板處、VBE柜底部夾層光纖堆積處和閥控板卡端子處，每秒放電數(shù)達(dá)到32700光子數(shù)。此外，通過(guò)對(duì)光纖槽內(nèi)等電位點(diǎn)的抽查發(fā)現(xiàn)，閥塔光纖槽內(nèi)的光纖也存在放電。

由于本次改造只換了光纖和光纖槽，而原光纖和光纖槽在運(yùn)行的二十余年里沒(méi)有發(fā)生過(guò)此類放電現(xiàn)象，故應(yīng)從改造前后更新的部件著手進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 光纖槽放電解決方案

從電氣絕緣的原理可知，任何處于高壓電場(chǎng)的懸空物體都存在感應(yīng)電荷。絕緣越好的物體，表面的感應(yīng)電荷泄放越困難，越容易積聚。處于不同電位的物體，相接近或感應(yīng)電荷積聚超過(guò)相互之間的絕緣水平就會(huì)放電。為了避免換流閥發(fā)生這種放電造成光纖損壞，通常對(duì)光纖進(jìn)行分段等電位鉗位，對(duì)閥控設(shè)備進(jìn)行接地屏蔽等措施。

原光纖回路為了解決不同電位的感應(yīng)電荷問(wèn)題，光纖槽采用了半導(dǎo)體材料，當(dāng)電荷積聚時(shí)可以得到有效的引走。改造后的光纖槽沒(méi)有采用半導(dǎo)體材料，屬于高絕緣強(qiáng)度。光纖槽對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 光纖槽絕緣情況對(duì)比

第一批次新光纖槽無(wú)半導(dǎo)體涂層，在其他直流工程中，同樣采用阻燃的絕緣光纖，卻沒(méi)有放電，其中一個(gè)重要原因就是閥塔和VBE柜的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同。以林楓直流工程為例，換流閥光纖到閥塔頂部后，通過(guò)數(shù)十米長(zhǎng)的金屬導(dǎo)電光纖橋架引至VBE室，光纖在導(dǎo)電光纖橋架中進(jìn)行分段捆扎和固定，可以使光纖槽內(nèi)光纖充分與地電位連接，有效地將光纖電位鉗制在地電位，避免將高電位引至VBE柜上，見(jiàn)圖4和圖5。

葛南直流工程的VBE安裝在閥廳閥塔正上方，葛南工程投運(yùn)較早，受早期光纖收發(fā)器件、光纖本體的功率及衰減參數(shù)影響，導(dǎo)致?lián)Q流閥連接光纖長(zhǎng)度受限，無(wú)法將閥控設(shè)備布置到控制室，所以閥控屏柜就近安裝在閥廳內(nèi)的閥塔頂部（見(jiàn)圖6）。這樣一來(lái)閥控設(shè)備及閥控側(cè)光纖相比新建直流工程，在更為嚴(yán)酷的電磁環(huán)境下運(yùn)行，對(duì)相應(yīng)設(shè)備的屏蔽及接地處理也有了更為嚴(yán)格的要求。

圖4 換流閥與VBE間的金屬走線槽

圖5 光纖橋架

圖6 葛南工程閥控柜安裝位置

考慮到目前不具備搬移VBE柜的改造條件，因此從現(xiàn)有條件來(lái)分析VBE柜屏柜、柜底和光纖槽的具體放電點(diǎn)，尋找解決放電問(wèn)題的辦法。

（1）VBE柜光纖固定夾板處放電。VBE柜內(nèi)明顯的放電點(diǎn)位于光纖固定夾板處，二進(jìn)八出觸發(fā)光纖的金屬轉(zhuǎn)接頭與固定架板間放電，并且光纖金屬轉(zhuǎn)接頭距離固定夾板點(diǎn)只有0.5～1 mm的間隙，見(jiàn)圖7。

光纖的金屬轉(zhuǎn)接頭沒(méi)有接地，處于懸浮狀態(tài)。在換流變充電沒(méi)有解鎖時(shí)，換流閥上只有正弦交流電壓，此時(shí)空間電磁場(chǎng)均勻。當(dāng)換流閥解鎖并升壓時(shí)，換流閥內(nèi)出現(xiàn)高頻電壓及磁場(chǎng)，高頻電磁場(chǎng)會(huì)引起懸浮的金屬部件產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，由于固定夾板點(diǎn)電位低且距離非常近，就會(huì)引起放電。因此，采取的措施是將等電位銅墊片安裝在光纖固定夾上，以此把光纖轉(zhuǎn)接頭接到附近的地電位上，徹底解決懸浮電位的問(wèn)題。

圖7 懸浮的金屬轉(zhuǎn)接頭

（2）VBE柜柜底處放電。光纖一端連接處于高電位的換流閥，一端連接VBE柜，高電位電勢(shì)沿光纖長(zhǎng)度線性分布。如果處于地電位的光纖接地，高電位是不會(huì)引致地電位的，接地有效距離不夠，也就是說(shuō)需要分段逐級(jí)等電位。從光纖槽出來(lái)到VBE柜這一段沒(méi)有做等電位的措施。放電產(chǎn)生對(duì)VBE柜板卡危害很大，從試運(yùn)行情況來(lái)看，共有4塊VBE-MC板卡被打壞，因此需要在VBE柜底進(jìn)行光纖接地處理。采取的措施是，在閥塔剛進(jìn)入VBE柜的光纖束采用金屬編制帶，并固定在屏柜接地銅排上。

（3）閥塔光纖槽內(nèi)放電。整改后光纖槽等電位點(diǎn)上也存在明顯的放電痕跡。經(jīng)分析，該放電原因?yàn)楣饫w采用扎帶捆綁，缺乏等電位有效連接而導(dǎo)致的空間電暈放電。此外，扎帶捆綁對(duì)光纖槽里的光纖玻璃纖維也會(huì)造成一定的損壞，導(dǎo)致光通量的減小。

與VBE柜底放電的解決方案一致，采取對(duì)光纖逐段進(jìn)行等電位連接的方式。根據(jù)錦蘇、哈鄭等工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為使槽盒內(nèi)部電位分布更加均勻，在光纖槽盒連接點(diǎn)增加一個(gè)等電位銅板，并且用防火棉（阻燃泡沫）固定壓實(shí)，以確保層間光纖電位均勻分布。

2.4 光纖本體放電解決方案

新采用的光纖材料結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 光纖本體放電解決方案

新采用的光纖材料與原有光纖和林楓直流工程中所用的材料相比，有兩個(gè)不同點(diǎn)。

（1）第一批次新光纖為多芯結(jié)構(gòu)，原有的和林楓直流工程均為單芯。典型的光纖為單芯結(jié)構(gòu)，由外包層／內(nèi)包層環(huán)繞著纖芯構(gòu)成一條光波導(dǎo)。多芯光纖是一個(gè)共用外包，內(nèi)含有多根纖芯，而每根纖芯又有自己的內(nèi)包層的單模光纖。因此，每個(gè)芯都是一條光（纖）波導(dǎo)，即一根多芯光纖的功能相當(dāng)于多根單芯光纖。這種光纖的明顯優(yōu)勢(shì)是生產(chǎn)成本較普通的光纖低約50%。多芯單模光纖的彎曲和微彎曲損耗特性良好，抗機(jī)械強(qiáng)度高，便于施工。單芯與多芯的電氣性能無(wú)明顯區(qū)別。

（2）第一批次新光纖表皮為杜邦公司的四氟乙烯（ETFE）材料。杜邦公司的TEFZEL 750，也稱四氟乙烯，其特點(diǎn)是具有高絕緣強(qiáng)度。聚氨酯為普通電纜采用的表皮材料。對(duì)比楓涇換流站的光纖采用聚氨酯＋3%的炭黑材料。根據(jù)查閱到的國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)可知，炭黑與導(dǎo)電性有關(guān)系，如圖8所示。由圖8可以看出，隨著炭黑填充含量的增加，復(fù)合材料的體積電阻率有所下降。但這種復(fù)合方式，僅僅是增加了材料中的導(dǎo)電粒子的濃度，引起隧道效應(yīng)和場(chǎng)致發(fā)射增強(qiáng)，使其體積電阻率緩慢下降，而不會(huì)使其電阻率突降產(chǎn)生“滲流效應(yīng)”，形成完全的導(dǎo)電通路。

圖8 炭黑填充率對(duì)導(dǎo)電性能影響

因此，填充了炭黑的聚氨酯光纖表皮降低了絕緣強(qiáng)度，使其呈現(xiàn)半導(dǎo)體的性能。南橋站第一批次新光纖采用的光纖絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他站的光纖絕緣強(qiáng)度。經(jīng)廠家的理論分析和相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，造成之前新光纖存在高壓場(chǎng)強(qiáng)下感應(yīng)電位偏高的主要原因是，該批次的光纖與護(hù)套材料電性能匹配性不佳所造成。

新光纖表皮采用的是四氟乙烯，這種材質(zhì)是良好的電介質(zhì)材料，絕緣強(qiáng)度高，介電常數(shù)一般為2.6。新光纖的玻璃纖維主要原料是二氧化硅，它不具有導(dǎo)電性。這兩種材質(zhì)雖然都絕緣，但當(dāng)介電性能沒(méi)有匹配好時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電位差，造成放電。

因此，解決了光纖與ETFE護(hù)套的匹配問(wèn)題，就能基本消除光纖槽內(nèi)存在的光纖放電現(xiàn)象。從配方方面，使用穩(wěn)定可靠的低介電配方；從工藝方面，需要保證光纖在線涂覆充分和劑量控制，同時(shí)與成纜工藝參數(shù)匹配；使用光纖處理劑，有效改善光纖與護(hù)套的匹配性能。

采用改良過(guò)的第二批次新光纖后，光纖在高頻直流場(chǎng)強(qiáng)內(nèi)的靜電強(qiáng)度大大降低，此外還需要保留部分措施以消除感應(yīng)電。由于扎帶容易造成光纖內(nèi)部玻璃纖維的損壞，因此采用阻燃海綿來(lái)代替扎帶去固定光纖，以有效緩沖閥塔振動(dòng)對(duì)光纖的不良影響，不易造成光纖的折損，并能起到阻燃的效果，措施示意圖如圖9所示。由于不需要扎帶綁扎孔后，光纖槽也相應(yīng)需要更換。

圖9 利用阻燃泡沫固定光纖的安裝位置圖

3 結(jié)語(yǔ)

葛南工程光纖改造工程項(xiàng)目為首個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)行后的換流站更換換流閥光纖的項(xiàng)目。雖然同樣的產(chǎn)品用于其他直流工程上運(yùn)行情況良好，但不能完全照搬來(lái)用。廠家在設(shè)計(jì)階段對(duì)空間電磁感應(yīng)造成的影響分析不足，造成改造施工時(shí)處理措施不到位。綜上分析，通過(guò)更換光纖，采用工藝改良的第二批次光纖，并保留等電位銅板、阻燃海綿和VBE柜光纖固定夾板處接地措施后，運(yùn)行情況良好，至今無(wú)任何放電和損壞發(fā)生，證明整改措施有效。此外，在新建直流工程的前期設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮采用全絕緣阻燃材料的同時(shí)，把VBE柜設(shè)計(jì)在閥廳以外的場(chǎng)所。

［1］ 魏壽彭.葛上±500 k V直流輸電工程淺論［J］.華中電力，1991（1）：116-127.

［2］ 延匯文，邱阿瑞，劉玉偉.晶閘管的光纖觸發(fā)技術(shù)［J］.電力電子技術(shù)，2013，37（3）：86-87.

YAN Hui-wen，QIU A-rui，LIU Yu-wei.Thyristor triggered with fiber［J］.Power Electronics，2003，37（3）：86-87.