500kV固定式串聯(lián)補(bǔ)償裝置故障分析及防范措施的研究

鄧潔清，郭雅娟，邵 邵，劉 陽

（1.江蘇省電力公司檢修分公司，南京 211102；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 213003）

線路阻抗是限制長距離輸電容量的重要因數(shù)，輸電線路加裝固定式串聯(lián)補(bǔ)償電容器裝置（簡稱串補(bǔ)裝置）可以減小線路電抗，是提高輸電容量的有效措施［1］。串補(bǔ)裝置由補(bǔ)償電容器、氧化鋅避雷器（簡稱MOV）、保護(hù)間隙（簡稱GAP）、旁路斷路器、阻尼阻抗、保護(hù)裝置以及測量元件構(gòu)成，組成元件較多，相互之間的配合較為復(fù)雜，增加了串補(bǔ)裝置的故障概率［2］。本文以500kV三堡變電站東三II線串補(bǔ)裝置在區(qū)外短路時(shí)避雷器發(fā)生故障為例，對故障波形及保護(hù)動(dòng)作情況的分析、相關(guān)組成設(shè)備的試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)說明，以此提高專業(yè)人員對串補(bǔ)裝置故障的分析和處理能力，同時(shí)結(jié)合三堡變串補(bǔ)裝置歷次故障情況，給出相關(guān)運(yùn)維防范措施。

1 串補(bǔ)裝置結(jié)構(gòu)分析

500kV三堡變和東明變之間通過三條線路連接，承擔(dān)陽城電廠260萬kW電能的送出。東三線3條線路全長大約260km，在三堡變側(cè)各裝設(shè)1組（3相）串補(bǔ)裝置。串補(bǔ)裝置的主要元件有：電容器、MOV、保護(hù)間隙、旁路斷路器、阻尼電抗、保護(hù)裝置以及電流互感器，具體如圖1所示。

圖1 串補(bǔ)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（1）電容器起到補(bǔ)償輸電電感的作用，每相電容器容抗為29.92Ω，對應(yīng)電容值為106.4μF，由288只電容單元按兩組并聯(lián)方式組成［3］。

（2）MOV分為兩個(gè)支路和電容器并聯(lián)，防止電容器承受過電壓而損壞。每相MOV數(shù)量為14只（其中2只備用），額定吸能能力為61MJ，伏安特性如表1所示。

表1 MOV伏安特性表

（3）GAP、旁路斷路器和電容器及 MOV并聯(lián)。當(dāng)線路區(qū)內(nèi)故障，電容器和MOV流過大電流時(shí)，保護(hù)裝置觸發(fā)導(dǎo)通間隙和發(fā)令閉合旁路斷路器，避免電容器和MOV承受大電流而損壞，或者當(dāng)電容器、MOV故障時(shí)，保護(hù)裝置觸發(fā)導(dǎo)通間隙和發(fā)令閉合旁路斷路器，將電容器、MOV安全退出。GAP的結(jié)構(gòu)如圖2所示，串補(bǔ)保護(hù)發(fā)出高壓脈沖觸發(fā)點(diǎn)火間隙，電容器C4通過阻尼電阻放電，放電電流通過觸發(fā)變壓器的一次線圈觸發(fā)精密間隙，電容器C3通過阻尼電阻放電。C3和C4放電后，由于C1和C2所分擔(dān)電壓升高造成上部主間隙擊穿燃弧，上部主間隙擊穿燃弧后C1和C2通過主間隙放電，進(jìn)一步造成C3、C4上分擔(dān)電壓升高造成下部主間隙擊穿燃弧，至此整個(gè)間隙擊穿導(dǎo)通［4］。

圖2 GAP結(jié)構(gòu)示意圖

（4）阻尼電抗用于阻尼間隙和旁路斷路器導(dǎo)通時(shí)電容器反充電的暫態(tài)大電流。

（5）保護(hù)裝置由電容器保護(hù)、MOV保護(hù)、GAP觸發(fā)保護(hù)、平臺(tái)保護(hù)以及重投保護(hù)等模塊構(gòu)成，具體功能見表2［5］：

2 串補(bǔ)裝置故障分析

2.1 故障概述

18：46：54.440，500kV陽東I線在東明變出口處發(fā)生C相瞬時(shí)接地故障，兩側(cè)斷路器跳開后重合成功。18：46：57.574，500kV陽東I線在東明變出口處再次發(fā)生C相接地故障，線路兩側(cè)斷路器跳開不重合（重合閘充電時(shí)間未到），同時(shí)陽東III線在東明變出口處發(fā)生AB相間接地短路故障，兩側(cè)斷路器跳開后不重合。18：46：57.574，三堡變東三II線串補(bǔ)B相MOV大電流保護(hù)動(dòng)作、MOV不平衡保護(hù)動(dòng)作、GAP拒觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，東三II線串補(bǔ)旁路斷路器三相合閘，串補(bǔ)退出運(yùn)行且永久閉鎖。串補(bǔ)裝置區(qū)外故障時(shí)，MOV大電流保護(hù)、不平衡保護(hù)和GAP拒觸發(fā)保護(hù)都不應(yīng)該動(dòng)作，這說明串補(bǔ)裝置有故障發(fā)生如圖3所示。

表2 串補(bǔ)保護(hù)裝置功能說明

圖3 故障時(shí)系統(tǒng)接線圖

2.2 故障波形及保護(hù)動(dòng)作情況分析

18：46：57.574陽東I線發(fā)生C相接地故障、陽東II線發(fā)生AB相接地故障，對于三堡變的東三II線串補(bǔ)裝置而言是線路區(qū)外三相短路故障，故障電流波形如圖4所示。

圖4 故障電流波形圖及放大圖

從東三II線串補(bǔ)保護(hù)故障波形圖中可以看出：

（1）故障發(fā)生時(shí)，線路故障電流呈現(xiàn)三相短路的特征，有效值為2 050A，此時(shí)B相電容電流和B相線路電流完全相同。B相MOV支路1和支路2、GAP都沒有電流流過，說明此時(shí)MOV未動(dòng)作、GAP未導(dǎo)通。

（2）故障發(fā)生后約20ms左右，B相電容器電流突然增加，峰值為70 700A，同時(shí)B相MOV支路1電流也突然增加。如圖4所示。B相電容電流和MOV支路1的電流大小相等、方向相反。此時(shí)B相MOV支路2、GAP電流幾乎為0。

（3）東三II線串補(bǔ)裝置近區(qū)人工短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：最大短路電流峰值為39.61kA，電容器兩端的最大電壓值約為210kV，流過MOV的最大電流峰值為7.65kA［7］。而本次故障電流最大峰值3 550A，推算電容器兩端最大電壓值21kV左右，根據(jù) MOV伏安特性，MOV不應(yīng)動(dòng)作，流過電流很小，所以進(jìn)而判斷，MOV支路2不動(dòng)作屬于正常，MOV支路1因?yàn)楣收蠐舸?，電容通過MOV支路1放電產(chǎn)生大電流。

從東三II線串補(bǔ)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)序列如表3所示，可以看出：

（1）東三II線區(qū)外故障發(fā)生后的20ms左右，由于 MOV支路1流過大電流（70 700A），且連續(xù)三個(gè)采樣點(diǎn)值都大于定值（10 000A），所以MOV大電流保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作；MOV支路1流過大電流，而MOV支路2無電流流過，所以MOV不平衡保護(hù)保護(hù)也同時(shí)動(dòng)作。

（2）MOV大電流保護(hù)、MOV不平衡保護(hù)的動(dòng)作策略都是觸發(fā)GAP和合旁路斷路器。由于MOV支路1故障擊穿，GAP兩端沒有電壓，所以當(dāng)串補(bǔ)保護(hù)發(fā)出GAP觸發(fā)命令時(shí)，GAP無法導(dǎo)通，這一點(diǎn)由GAP的觸發(fā)原理可知，因此GAP拒觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。

表3 東三II線串補(bǔ)保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)表

2.3 串補(bǔ)裝置試驗(yàn)分析

通過串補(bǔ)裝置組成元件的檢查發(fā)現(xiàn)：B相MOV支路1的一只避雷器上下防爆膜都被頂開，如圖5所示。檢查結(jié)果證明了前文分析的正確性。

（1）對B相所有避雷器開展診斷性試驗(yàn)，并和上次例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，故障避雷器數(shù)據(jù)見表4。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：故障避雷器的直流參考電壓和正常避雷器相比，和上次試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，略有下降，這說明故障避雷器應(yīng)該是閥片沿面閃絡(luò)，并非閥片本體擊穿。

圖5 故障避雷器防爆口

表4 避雷器試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

（2）對故障避雷器進(jìn)行解體檢查發(fā)現(xiàn)：故障避雷器隔弧筒及電阻片結(jié)構(gòu)完整，但四周已熏黑，為沿柱面閃絡(luò)造成；大部分電阻片邊緣存在受潮痕跡，中間部位未見異常，如圖6所示。

圖6 故障避雷器解體

（3）為進(jìn)一步確認(rèn)避雷器故障是否由閥片劣化引起，對閥片開展大電流沖擊試驗(yàn)［8］。試驗(yàn)分別選取故障避雷器和正常避雷器氧化鋅閥片各3片，分別施加幅值為10kA的8／20μS沖擊電流，殘壓均在6kV左右，結(jié)果未見明顯異常，典型波形見圖7。進(jìn)一步證明故障避雷器是由于受潮導(dǎo)致沿面閃絡(luò)，并非閥片劣化導(dǎo)致?lián)舸?/p>

圖7 避雷器電阻片波形圖對比

3 結(jié)論及防范措施

東三II線串補(bǔ)裝置B相避雷器組的一支由于密封不嚴(yán)導(dǎo)致內(nèi)部閥片受潮。線路正常運(yùn)行時(shí)，串補(bǔ)裝置流過負(fù)荷電流，受潮避雷器承受電壓較低，尚可運(yùn)行［9］；線路故障時(shí)，串補(bǔ)裝置流過短路電流，受潮避雷器突然承受高電壓沖擊，內(nèi)部閥片沿面閃絡(luò)，造成MOV相關(guān)保護(hù)動(dòng)作，串補(bǔ)裝置永久退出，造成線路輸送容量下降。500kV三堡變?nèi)M串補(bǔ)裝置從投運(yùn)以來發(fā)生過多次缺陷（故障），主要缺陷見表5。

表5 三堡變串補(bǔ)裝置缺陷（故障）匯總

根據(jù)本次串補(bǔ)裝置故障的原因分析，同時(shí)結(jié)合歷年缺陷（故障）情況，對防止固定式串補(bǔ)裝置故障，提出以下運(yùn)維措施：

（1）定期對串補(bǔ)裝置進(jìn)行精確紅外檢測，重點(diǎn)檢查電容器組引線接頭、電容器外殼、MOV端部以及串補(bǔ)平臺(tái)上電流流過的主要設(shè)備。

（2）密切關(guān)注電容器組不平衡電流值，當(dāng)確認(rèn)該值發(fā)生突變或越限告警時(shí)，應(yīng)盡早安排串補(bǔ)裝置檢修［10］。

（3）結(jié)合停電檢修工作，對每相的兩組電容器參數(shù)進(jìn)行測試，對于參數(shù)不平衡的電容組進(jìn)行調(diào)整以保證兩組電容器參數(shù)基本一致；對每支避雷器進(jìn)行直流參考電壓和直流泄露電流試驗(yàn)，特別注意測試數(shù)據(jù)的一致性。

（4）結(jié)合停電檢修工作，對多次動(dòng)作的保護(hù)間隙進(jìn)行必要的處理和更換，例如打磨、清潔。

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