兩起±500kV換流站交流濾波器開關(guān)爆裂原因分析與改造

王電處 周亞樹 曹顯武 劉百爽

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

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兩起±500kV換流站交流濾波器開關(guān)爆裂原因分析與改造

王電處 周亞樹 曹顯武 劉百爽

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

介紹了近兩年南方電網(wǎng)同塔雙回±500kV牛寨換流站及±500kV僑鄉(xiāng)換流站短期內(nèi)接連發(fā)生兩起交流濾波器容性開關(guān)爆裂事故，反應(yīng)了高壓直流系統(tǒng)中國產(chǎn)交流濾波器開關(guān)在故障中暴露出的不足以及運行中存在的缺陷，重點分析了事故過程中開關(guān)爆裂的現(xiàn)象與原因，并根據(jù)其他換流站以及事故中暴露的問題提出了一些應(yīng)對措施，以達到降低開關(guān)爆裂的幾率及爆裂時對工作人員的人身安全造成的風險的目的，目前大部分應(yīng)對措施已在±500kV牛寨換流站及僑鄉(xiāng)換流站得到有效實施并取得初步成果,驗證了改造的有效性與實用性，同時也將事件中暴露出的問題反饋給西安西電開關(guān)等開關(guān)廠家，也為我國高壓開關(guān)的生產(chǎn)、研究與發(fā)展提供了一些現(xiàn)實依據(jù)。

爆裂；開關(guān)；改造

近年來，我國國民經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，促進了電力工業(yè)向大機組、遠距離、超/特高壓及交直流并用的方向發(fā)展。根據(jù)多年運行經(jīng)驗，高壓電網(wǎng)輸送電功率變化大，為了控制線路的電壓水平，提高傳輸能力與電能質(zhì)量，必須按不同的有功狀況對線路進行無功補償。目前，對系統(tǒng)電壓控制的有效手段為采用投切電容器組，這將導(dǎo)致電容器組開關(guān)頻繁動作，日頻可達3～4次，對電容器組開關(guān)開斷性能提出了新的要求[1]。根據(jù)我國現(xiàn)場高壓戶外斷路器的使用現(xiàn)狀，一般采用的都是SF6或真空斷路器。

在我國輸配電系統(tǒng)中，20世紀 60年代使用多油斷路器、空氣斷路器，技術(shù)較落后，1968年華光電子管廠研制出第一只運用于商品化的真空開關(guān)管，但由于各種原因與國外的產(chǎn)品質(zhì)量相差甚遠。20世紀70年代初，我國開始引進第一臺SF6斷路器。經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，現(xiàn)在我國的電力系統(tǒng)中高壓開關(guān)設(shè)備幾乎全部使用 SF6斷路器和真空斷路器[4]。為適應(yīng)我國電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，我國今年來加大科技投人，加大研制開發(fā)力度，同時大量收集變電站現(xiàn)場反饋的一些問題與缺陷，及時分析、研究、改進，以求盡快趕超國際先進水平。

本文結(jié)合南方電網(wǎng)±500kV 牛寨換流站及±500kV僑鄉(xiāng)換流站近期接連發(fā)生兩起交流濾波器容性開關(guān)（均采用 SF6斷路器）爆裂事故，分析了高壓直流系統(tǒng)中國產(chǎn)交流濾波器開關(guān)在故障中暴露出的不足以及運行中存在的缺陷，重點分析了事故過程中開關(guān)爆裂的現(xiàn)象與原因，并根據(jù)其他換流站以及事故中暴露的問題提出了一些應(yīng)對措施，以達到降低開關(guān)爆裂幾率及爆裂時對工作人員的人身安全造成的風險的目的，并且大部分措施已經(jīng)在牛寨換流站及僑鄉(xiāng)換流站得到有效實施，取得初步成果。

1　事故介紹

1.1592開關(guān)爆裂介紹

2014年10月27日01時35分牛寨換流站在降功率過程中，由于無功控制要求切除592交流濾波器，開關(guān)切除過程中592開關(guān)B相發(fā)生故障，故障電流達到 19369.9A（如圖 1所示），交流濾波器母線保護及濾波器零序電流保護均動作?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)592開關(guān)B相發(fā)生爆裂（如圖2所示），且對周圍的電容器、開關(guān)等其他設(shè)備造成不同程度的損壞。

圖1　故障波形圖

圖2　現(xiàn)場開關(guān)爆裂圖

根據(jù)波形可以看出系統(tǒng)發(fā)出 592開關(guān)分閘命令，在 592開關(guān)斷開瞬間，B相重燃出現(xiàn)了峰值19.36kA的尖峰電流，然后迅速降為0，60ms后電流變?yōu)?183A的額定負荷電流，由此可以判斷此時開關(guān)B相完全擊穿并處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時濾波器保護啟動，判斷為開關(guān)失靈，失靈保護動作跳開大組進線開關(guān)及所有小組濾波器開關(guān)。

1.2584開關(guān)爆裂介紹

2014年8月14日0時48分，根據(jù)調(diào)試需要，僑鄉(xiāng)換流站將極1雙閥組由解鎖狀態(tài)操作到閉鎖狀態(tài)過程中，系統(tǒng)發(fā)出分閘命令后，584開關(guān)三相正常斷開，開關(guān)分位出現(xiàn)，三相電流消失，45ms后584開關(guān) A相重新燃弧，經(jīng)多次燃弧熄弧過程，768ms時大組開關(guān)5073、5072跳開，584開關(guān)A相電流消失，故障隔離。檢查發(fā)現(xiàn)584開關(guān)A相靠濾波器側(cè)滅弧室瓷瓶爆裂。經(jīng)解體檢查584開關(guān)A 相動主觸頭及噴口外表面有電弧燒蝕痕跡。

圖3　現(xiàn)場開關(guān)爆裂圖

2　故障原因

2.1開關(guān)重燃及重燃原因

根據(jù)上文對兩起開關(guān)故障介紹，可以得出都是濾波器開關(guān)在分閘過程中，開斷容性電流后在交直流混合電壓作用下，電容器與滅弧室間空氣間隙放電，電容器內(nèi)外壁電位差較大，復(fù)合外套許用場強低，電容器發(fā)生徑向擊穿，引發(fā)靜觸頭對滅弧室瓷套內(nèi)壁放電，滅弧室瓷套發(fā)生徑向擊穿，導(dǎo)致瓷套爆，其中開關(guān)斷開后燃弧熄弧現(xiàn)象即為開關(guān)重燃現(xiàn)象，這也是容性開關(guān)在分合閘過程中常見的現(xiàn)象，特別是剛投入運行的開關(guān)。

重燃現(xiàn)象簡單解釋就是弧隙在弧隙電壓的作用下，弧隙仍有電流通過，電源仍向弧隙輸入能量，若輸入能量大于散出能量，即弧隙中游離過程大于去游離過程，電弧將重燃[2-3]。

導(dǎo)致開關(guān)重燃現(xiàn)象的原因為：真空滅弧室在制造過程中電極表面會粘附有一些小質(zhì)點，零件會有一些毛刺，滅弧室會帶進一些油污、汗?jié)n、棉紗纖維等[4]。這些微粒在電場的作用下會附著電荷，在開關(guān)動作過程具有一定的動能，若電場足夠強，微粒在穿過間隙到達另一電極時已經(jīng)具有很大的動能，在與另一電極碰撞時，動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使微粒本身變成蒸汽擴散，使局部的粒子密度迅速變大，這些粒子又與場致發(fā)射的電子產(chǎn)生碰撞游離，最終導(dǎo)致間隙的放電擊穿[5]。

2.2故障分析

根據(jù)以往直流運行經(jīng)驗，當容性開關(guān)發(fā)生爆裂時，其滅弧氣室的電弧燃燒路徑如圖4所示[7]。

圖4　燃弧路徑

根據(jù)兩個站的故障設(shè)備解體以及相關(guān)試驗,可以描繪出開關(guān)在發(fā)生爆裂前形成的燃弧路徑（放電通道），基本上與開關(guān)燃弧路徑相似，如圖5所示。

圖5　放電通道

現(xiàn)以牛寨換流站為例來驗證放電通道的正確性：放電通道高頻電流峰值按照公式進行計算：

式中，f=2000Hz（高頻電流脈沖時間 0.3ms）；C=1.839μF（該爆裂的濾波器的電容量）；Up=450kV（相電壓峰值）。

帶入可得到理論高頻電流峰值ic=20.788kA，與故障波形圖中峰值電流19.369kA接近，證明了放電通道的正確性。

為對比同類產(chǎn)品下，國外開關(guān)與國內(nèi)開關(guān)在交直流混合耐壓情況，特將開關(guān)送昆明特高壓基地試驗工況及試驗結(jié)果表明：僑鄉(xiāng)站584開關(guān)B相在疊加升壓至直流+520kV、交流366kVrms 7s后，開關(guān)發(fā)生放電且有明顯異響，而ABB開關(guān)則在疊加升壓至直流+600kV，交流425kVrms 35s后才發(fā)生放電現(xiàn)象，證明僑鄉(xiāng)站584開關(guān)B相絕緣裕度比ABB開關(guān)絕緣裕度低，僑鄉(xiāng)站584開關(guān)絕緣裕度試驗表見表1。

表1　僑鄉(xiāng)站584開關(guān)試驗結(jié)果表

2.3故障原因

經(jīng)過上文開關(guān)故障過程分析，以及故障設(shè)備相關(guān)試驗，并結(jié)合容性開關(guān)重燃故障的技術(shù)特點，可初步得出導(dǎo)致開關(guān)爆裂的主要原因如下。

1）在潮濕凝露天氣和污穢作用，開斷容性電流后在交直流混合電壓作用下，電容器與滅弧室間空氣間隙放電，電容器內(nèi)外壁電位差較大，復(fù)合外套許用場強低，電容器發(fā)生徑向擊穿，引發(fā)靜觸頭對滅弧室瓷套內(nèi)壁放電，滅弧室瓷套發(fā)生徑向擊穿。

2）開關(guān)的裝配質(zhì)量控制不嚴，內(nèi)部殘存金屬異物。

3）根據(jù)開關(guān)內(nèi)外絕緣設(shè)計及配合原則，開關(guān)內(nèi)絕緣應(yīng)遠高于外絕緣，由于開關(guān)內(nèi)部存在的金屬異物導(dǎo)致內(nèi)部絕緣降低，該開關(guān)先發(fā)生內(nèi)部放電[9]。

4）開斷過程中弧觸頭燒蝕產(chǎn)生的雜質(zhì)及裝配過程中遺留的金屬異物引起內(nèi)部電場畸變，承受不了開斷后的交、直流混合電壓而發(fā)生內(nèi)部絕緣擊穿閃絡(luò)。

5）換流站一般選址遠離市區(qū)，多在深山中，運行環(huán)境非常惡劣，污穢對直流電壓分布的影響和高海拔因素。

6）相比國外同類開關(guān)，國內(nèi)開關(guān)內(nèi)部絕緣設(shè)計裕度偏小。

7）交流濾波器斷路器投切頻繁，工況較惡劣，需承受交直流混合電壓。

3　改造

3.1技術(shù)措施

截止2015年8月份，牛寨換流站同類開關(guān)產(chǎn)品已發(fā)生4次徑向擊穿故障，對開關(guān)安全穩(wěn)定運行造成威脅。依據(jù)上文的主要故障原因，結(jié)合以往直流運行經(jīng)驗以及高壓開關(guān)技術(shù)特點對交流濾波器開關(guān)提出的技術(shù)措施，以降低開關(guān)故障的幾率：

1）將復(fù)合外套均壓電容更換為瓷外套均壓電容，并在軀殼側(cè)加裝均壓環(huán)改善電場分布。

2）支柱和滅弧氣室瓷套噴涂 RTV涂料（噴完后顏色為梅紅色），提高設(shè)備外絕緣防污閃能力。

圖6　噴完RTV涂料后的開關(guān)

3）增加開關(guān)額定SF6壓力，提高開關(guān)滅弧氣室絕緣水平，該條正在與西安開關(guān)廠研究處進行論證并試驗，待驗證合格后進行實施。

4）現(xiàn)行規(guī)范及標準中關(guān)于交流濾波器開關(guān)關(guān)于C2級開斷試驗的TVR考核時間為0.3s，根據(jù)現(xiàn)有的運行經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)該時間不能覆蓋所有的運行工況，因此建議在后續(xù)的換流站中應(yīng)結(jié)合自身運行情況，適當調(diào)整C2級開端試驗TVR考核時間[8]。

5）重新優(yōu)化了選相分合閘裝置里的參數(shù)值設(shè)定，將分閘設(shè)置為負峰值開斷，以提高絕緣裕度[13-15]。

6）廠家在開展相關(guān)試驗后，應(yīng)做好內(nèi)部清潔工作，確保內(nèi)部清潔，同時換流站方將其作為監(jiān)造過程中的關(guān)鍵點，以確保質(zhì)量。

3.2管理措施

根據(jù)目前，交流濾波器場存在的設(shè)備以及人身風險，切實履行“保人身、保電網(wǎng)、保設(shè)備”的安全生產(chǎn)要求，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，特建議實施的如下的管理措施。

1）任何工作人員不得私自進入交流濾波器場區(qū)域，進入交流濾波器場區(qū)域前必須向主控室值班人員申請，值班人員電話或現(xiàn)場許可后方能進入交流濾波器場，人員離開時，應(yīng)及時告知值班人員。

2）進入濾波器區(qū)域的人員應(yīng)主動接受值班員許可前的安全交底，交底應(yīng)包括功率調(diào)整時間、將要投、切的濾波器等內(nèi)容。工作人員應(yīng)盡量避免靠近將要投、切的濾波器開關(guān)。

3）功率調(diào)整期間不得進入交流濾波器場。若有臨時功率調(diào)整或其他臨時操作時，工作人員應(yīng)按照值班員的通知迅速撤離濾波器場或與投、切的濾波器開關(guān)保持100m以上距離。

4）在濾波器通道口，制作安裝了風險提示及撤離路線圖。若發(fā)生濾波器開關(guān)跳閘，現(xiàn)場人員應(yīng)立即按照推薦撤離路線圖進行撤離，撤離路線圖如圖7所示。

圖7　撤離路線圖

5）適當延長交流濾波器設(shè)備的日常巡視及特巡特維周期，降低人身傷亡風險。

4　結(jié)論

通過對近兩年南方電網(wǎng)同塔雙回±500kV牛寨換流站及±500kV僑鄉(xiāng)換流站短期內(nèi)發(fā)生兩起交流濾波器容性開關(guān)爆裂的事故，分析了高壓直流系統(tǒng)中交流濾波器開關(guān)在故障中暴露出的不足以及運行中存在的缺陷，重點分析了事故過程中開關(guān)爆裂的現(xiàn)象與原因，并提出了相應(yīng)的技術(shù)措施以及管理措施，其中絕大部分技術(shù)、管理措施已經(jīng)在±500kV牛寨換流站和±500kV僑鄉(xiāng)換流站得到了應(yīng)用，并取得一定的成果。但是由于缺乏大量的運行經(jīng)驗及有效數(shù)據(jù)支撐，防止開關(guān)爆裂措施的制定、實施十分復(fù)雜，只有積累大量的直流運行經(jīng)驗，才能逐步完善相應(yīng)的技術(shù)、管理措施，提高直流運行水平，彌補廠家在開關(guān)等設(shè)備設(shè)計以及型號選取時考慮不全的不足。

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王電處（1982-），工程師，畢業(yè)于清華大學，現(xiàn)任中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局牛寨換流站站長。

Two ±500kV Converter Station AC Filter Switch Crack Analysis and Transform

Wang Dianchu Zhou Yashu Cao Xianwu Liu Baishuang
(Qujing Bureau, CSG EHV Transmission Company, Qujing, Yunnan 655000)

Introduced nearly two years with China Southern Power Grid ±500kV Niu Zhai Converter Station and ±500kV QiaoXiang converter station two converter stations AC filter capacitive switch burst accidents in the short term, It reflects the lack of HVDC systems AC filter switch failures exposed flaws and run, analyzes the phenomenon and cause of the accident during the burst switch, and proposed some measures in accordance with other converter station and the problems exposed in the accident, to achieve reduce the chance of switching burst bursting risk to personal safety of staff and resulting purposes.Currently, most responses have been implemented in ±500kV Niuzhai Converter Station and ±500kV Qiaoxiang converter station And achieved initial results，Verify the effectiveness and practicality of transformation.The incident also exposed the issue to Xi’an electrical switches and other switch manufacturers But also for production, research and development of high-voltage switch provides some realistic basis.

crack; switch; transform