±500 kV團林換流站金屬回線轉換開關轉換失敗原因分析

鄭衛(wèi)紅，常聚忠，周建國，劉建國

（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

2016年6月2日，團林換流站在進行極Ⅱ由單極大地回線轉為單極金屬回線運行方式的過程中，由于金屬回線轉換開關（Metallic Return Transfer Breaker，MRTB）在分閘過程中產生的過電壓導致振蕩回路的電抗器均壓環(huán)對其支柱絕緣子放電，振蕩回路無法產生過零點，MRTB振蕩回路失效、分閘失敗，MRTB開關保護動作，MRTB重合成功，極Ⅱ單極大地回線轉單極金屬回線不成功，隨后遙控步進操作返回單極大地運行方式。

大地回線和金屬回線之間的轉換需要大地回路轉換開關(Ground Return Transfer Switch，GRTS)和MRTB配合才能完成轉換[1-2]。大地回線轉為金屬回線的過程為兩個階段，首先需要閉合GRTS，形成大地回線和金屬回線并聯運行的方式，然后拉開MRTB，完成由大地回線向金屬回線的轉換。由于直流輸電系統中金屬回線電阻要大于大地回線電阻，所以在轉換過程中當大地回線和金屬回線并聯運行時，流過MRTB電流要遠大于流過GRTS的電流[3-6]。據此可知，大地回線轉金屬回線斷開MRTB的電流要遠大于金屬回線轉大地回線斷開GRTS的電流。本文針對直流開關振蕩回路中因電抗器均壓環(huán)設計缺陷導致振蕩回路失效，金屬回線轉換失敗的案例進行分析，并提出相關改進建議。

1 直流開關動作原理及功能

直流開關一般由3部分構成：一是由交流SF6斷路器構成的轉換開關B；二是以形成電流過零點為目的L、C振蕩回路形成的轉換電路；三是以吸收開斷過程中產生能量為目的的非線性電阻R等耗能元件。直流開關一般多采用無源型疊加振蕩電流方式，利用電弧電壓隨電流增大而下降的非線性負電阻效應在與電弧間隙并聯的LC回路中產生自激振蕩，當振蕩電流的幅值超過流過斷路器斷口的直流電流時，流過斷路器斷口的總電流就會出現過零點，此時，SF6斷路器斷口間的電弧熄滅，其非線性電阻、電感線圈、電容器安裝于絕緣平臺上，詳見圖1。

圖1 直流斷路器原理圖Fig.1 Schematic diagram of DC switch

2 MRTB轉換失敗及檢查情況

極Ⅱ直流功率1 500 MW單極大地回線運行，極Ⅱ由大地回線轉換至金屬回線時，MRTB開關保護動作重合MRTB，MRTB開關重合成功，極Ⅱ大地回線轉金屬回線不成功。站內天氣為大雨，MRTB開關生產廠家為ABB，型號為HPL245B1。

2.1 現場檢查情況

對MRTB及其振蕩回路元件外觀進行了全面檢查，檢查發(fā)現振蕩回路電抗器下方均壓環(huán)及支柱絕緣子有放電痕跡，具體見圖2。對有放電痕跡的絕緣子進行了更換，更換前對新絕緣子進行了耐壓試驗；對有放電痕跡的均壓環(huán)進行了打磨處理；對振蕩回路的絕緣平臺進行了絕緣電阻測量，結果均正常。

圖2 MRTB振蕩回路電抗器支柱絕緣子閃絡痕跡Fig.2 The flashover trace of the support insulator for MRTB oscillation circuit reactor

2.2 MRTB及其振蕩回路元件試驗

對MRTB及其振蕩回路元件進行了試驗，試驗結果均正常，詳見表1。

表1 MRTB及其振蕩回路元件試驗Tab.1 The test of MRTB and its oscillator circuit elements

2.3 MRTB保護原理及動作行為分析

MRTB開關保護原理為：MRTB開關分位時，如果檢測到接地極電流|IDEL1+IDEL2|＞75 A，保護延時140 ms發(fā)指令重合MRTB開關。

圖3 MRTB開關保護重合故障錄波Fig.3 The transient fault record during reclosing of MRTB protection

從圖3故障錄波可以看出，開關分閘后IDEL1+IDEL2電流最小值約90 A，之后迅速增長，130 ms后保護動作，MRTB開關重合，保護動作正確。同時，從圖3可以看出，此時極Ⅱ中性母線電壓UDNmax=144.051 kV，MRTB開關振蕩回路產生了較高的振蕩電壓。

3 故障原因分析

通過圖紙以及現場檢查測量，電抗器支柱絕緣子高度390 mm，均壓環(huán)向下延伸長度320 mm，均壓環(huán)與支柱絕緣子傘裙邊緣最短空氣絕緣間隙170 mm。因均壓環(huán)向下延伸過長，使支柱絕緣子的有效絕緣距離減少，導致絕緣裕度不足。

圖4 電抗器均壓環(huán)及支柱絕緣子測量尺寸Fig.4 The measurements of reactor corona ring and post insulator

MRTB制造設計時，電抗器均壓環(huán)設計不合理，均壓環(huán)與支柱絕緣子傘裙邊緣空氣間隙設計裕度不足，MRTB操作時，產生的操作過電壓使電抗器均壓環(huán)對支柱絕緣子放電，轉換操作不成功。

圖5 MRTB振蕩回路失效示意圖Fig.5 Schematic diagram of MRTB oscillation loop failure

如圖5所示，MRTB在斷開的過程中，直流電流對電容器進行充電，進而逐步在電容器上產生一個較高振蕩電壓，此時轉移直流電流較大且站內為大雨天氣，在電容器與電抗器連接處電容器高壓側對電抗器支柱絕緣子底部放電，造成LC振蕩回路中電容被短路，振蕩回路失效，最終導致SF6斷路器無法分開電流。

4 改進建議

（1）增加電抗器絕緣裕度，對電抗器均壓環(huán)聯結件進行改進

查閱圖紙發(fā)現本次使用的均壓環(huán)及其聯結件為通用部件，由于此次線圈尺寸較小，聯結件長度相對于電抗器本體尺寸過長。經過廠家計算及核驗更改設計后的聯結件與絕緣子底部最小空氣間隙距離增加至321 mm，可以滿足額定電流情況下大地回線轉金屬回線方式要求，改進后的聯結件見圖6。

圖6 改進后的電抗器均壓環(huán)聯結件（單位：mm）Fig.6 Improved connector of reactor corona ring(unit：mm)

（2）提高MRTB振蕩回路電抗器支柱絕緣子的電壓等級

將目前采用的振蕩回路電抗器60 kV支柱絕緣子更換為72.5 kV的支柱絕緣子，通過提高支柱絕緣子的電壓等級解決絕緣裕度不足的問題。

（3）盡量避免在惡劣天氣下進行大地回線轉金屬回線操作

在換流站遇有大雨及高濕度環(huán)境下，應盡量避免進行大地回線轉金屬回線操作，防止由于惡劣天氣造成運行方式轉換不成功。

5 結語

當前新建換流站直流開關均采用無源振蕩回路，對于斷開相同直流電流的有源振蕩回路相比，對其振蕩回路元件性能要求更高，但由于設計原因或元件故障導致直流開關無法斷開直流電流的事件偶有發(fā)生。本文對直流開關振蕩回路電抗器的均壓環(huán)存在設計缺陷進行了深入研究，并根據實際運行情況提出了具體、可行的改進建議，這對于目前國內換流站具有此類結構的電抗器具有較高的參考價值和較強的借鑒意義。

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