±500 kV昭通換流站中性母線避雷器故障原因分析及對策

王典浪，劉晉孝，蔣龍，皮天滿，李東

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖655000）

±500 kV昭通換流站中性母線避雷器故障原因分析及對策

王典浪，劉晉孝，蔣龍，皮天滿，李東

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖655000）

2015年4月28日，±500 kV溪洛渡直流輸電工程雙回金屬回線運行時因線路故障相繼閉鎖，其中牛從甲極1重啟動成功，牛從乙極2重啟動不成功，隨后在對牛從乙極2解鎖試送功率上升過程中，牛從乙接地極母線差動保護動作，牛從乙極2閉鎖，檢查發(fā)現(xiàn)送端昭通換流站牛從乙極2中性母線F4避雷器故障損壞。經(jīng)分析，本次直流控制保護均正確動作，避雷器故障發(fā)生于牛從乙極2重啟動過程中。結(jié)合故障電壓波形和避雷器解體結(jié)果分析，得出本次中性母線避雷器故障原因是同塔雙回直流系統(tǒng)連續(xù)故障期間中性母線避雷器長時承受過電壓，且注入能量總和超出其設(shè)計能量耐受能力，最終導致電阻片發(fā)生熱崩潰。擬在保證避雷器保護水平不超過現(xiàn)有設(shè)備絕緣水平的前提下，提高中性母線避雷器的參考電壓，并合理調(diào)整配合電流，將過電壓倍數(shù)由原來1.415倍降低為1.2倍，同時擬通過在各并聯(lián)避雷器上加裝高精度采樣的避雷器動作電流及電壓在線監(jiān)測及錄波裝置，以實現(xiàn)對避雷器動作時的能量耐受情況以及并聯(lián)避雷器的均流特性分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患和異常。

中性母線避雷器；熱崩潰；能量耐受；過電壓倍數(shù)；動態(tài)均流特性

0 引言

2015年4月28日，±500 kV溪洛渡直流輸電工程牛從乙極2、牛從甲極1金屬回線運行時，因線路故障相繼閉鎖，牛從甲極1重啟動成功，牛從乙極2重啟動不成功，隨后在對牛從乙極2解鎖試送功率上升過程中，牛從乙接地極母線差動保護動作，牛從乙極2閉鎖。檢查發(fā)現(xiàn)送端昭通換流站牛從乙極2中性母線F4避雷器（簡稱E型避雷器）動作計數(shù)器內(nèi)部有放電痕跡，避雷器下部壓力釋放動作，紅外測溫溫升明顯。

1 系統(tǒng)故障過程分析

故障發(fā)生前，同塔雙回線路直流牛從甲極1、牛從乙極 2 均金屬回線運行，10：15：14.307 （0.20 s 時刻），牛從乙極2線路故障，極保護A、B套線路突變量保護動作閉鎖牛從乙極2，并觸發(fā)極控系統(tǒng)線路重啟。在牛從乙極2閉鎖后重啟動去游離過程中，10：15：14.589， 牛從甲極1線路發(fā)生故障 （約0.48 s時刻），因同塔雙回線路電磁耦合導致牛從乙極2極線和中性母線存在一定感應電壓并引起了牛從乙極2中性母線避雷器動作（0.48 s至0.55 s時刻）。在經(jīng)過去游離時間后（0.55 s時刻），牛從乙極2線路開始故障后重啟，因線路故障未消除，10：15：14.749，牛從乙直流極2線路低電壓保護動作導致線路重啟不成功。牛從乙極2、牛從甲極1相繼故障時序和保護動作情況以及牛從乙極2電流電壓波形分別見表1和圖1所示。

表1 故障時序及保護動作情況Table 1 Fault sequence and protections

圖1 故障電流電壓波形Fig.1 Fault current voltagewaveform

11時18分51秒，現(xiàn)場在確認相關(guān)直流控制保護均正確動作，并初步檢查站內(nèi)設(shè)備外觀無異常后，即對牛從乙直流極2解鎖恢復運行，在功率升至約550 MW時，極保護A套接地極母線差動保護動作閉鎖直流?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)昭通換流站牛從乙極2中性母線F4避雷器損壞。

2 避雷器能量及暫時過電壓耐受分析

由故障時昭通換流站中性母線電壓波形可知（圖1中0.2 s至0.25 s時段），牛從乙直流極2閉鎖過程中E型避雷器耐受殘壓幅值在90 kV（1.3U r）以上的持續(xù)時間約50ms，電壓波形近似方波，遠高于避雷器的額定電壓47 kV，依據(jù)E型避雷器伏安特性（見圖2），并按Q=UIut簡化計算公式對閉鎖過程中單只避雷器耐受能量進行估算，以耐受殘壓90 kV、耐受電流400 A且持續(xù)時間50ms計算，該過程牛從乙直流極2單只避雷器吸收能量約為1.8MJ，超過避雷器元件能量耐受設(shè)計值1.44MJ[1]。

圖2 中性母線避雷器伏安特性曲線Fig.2 V－A feature of neutral－bus arrester

在牛從乙極2閉鎖后重啟動去游離過程中，牛從甲極1線路發(fā)生故障，因同塔雙回線路電磁耦合導致牛從乙極2極線和中性母線存在一定感應電壓并引起了牛從乙極2中性母線避雷器動作泄能 （圖1中0.48 s至0.55 s時刻），過壓幅值在90 kV以上的持續(xù)時間約30 ms，按簡化公式Q=UIut，以耐受殘壓90 kV、耐受電流400 A且持續(xù)時間30ms計算，該過程牛從乙直流極2單只該過程避雷器吸收能量約1.08MJ。

在牛從乙極2線路故障重啟過程中，因線路故障未消除，中性母線過電壓導致中性母線避雷器動作，持續(xù)約25ms后中性母線電壓突變?yōu)榱?，但此后中性母線仍存在較大差流，故可判斷中性母線避雷器故障發(fā)生于該時刻（圖1中約0.55 s），按簡化公式Q=UIut，以耐受殘壓90 kV、耐受電流400 A且持續(xù)時間25ms計算，重啟期間避雷器吸收能量約0.9MJ。牛從乙極2線路重啟時中性母線電壓波形見圖1中0.55 s至0.65 s時刻。

由此可知，本次故障過程中，牛從乙極2中性母線避雷器在短暫的0.5 s內(nèi)連續(xù)遭受3次暫態(tài)過壓沖擊，耐受殘壓幅值在90 kV以上的累計持續(xù)時間達105 ms，單只避雷器吸收能量總和達3.78 MJ，遠超過避雷器設(shè)計額定能量吸收能力1.44 MJ，但現(xiàn)場相關(guān)技術(shù)人員并未通過電壓電流波形及時發(fā)現(xiàn)避雷器異常情況，仍將直流解鎖恢復運行，最終導致功率上升過程中直流再次閉鎖。

3 故障避雷器解剖結(jié)果分析

對故障避雷器進行解體發(fā)現(xiàn)：避雷器下端防爆膜動作，元件端蓋密封面和密封圈完好，外套和內(nèi)部零部件無銹蝕現(xiàn)象，芯體緊固絕緣拉桿完好無松動。在4柱電阻片柱中I、II兩柱的部分電阻片存在嚴重電弧燒蝕痕跡。故障避雷器芯體見圖3。

圖3 故障避雷器芯體情況Fig.3 Condition of core of faultarrester

圖中I柱有8片電阻片開裂，2片邊緣有明顯電弧通道，II柱有3片電阻片開裂，多個鋁墊塊有電弧燒蝕痕跡。

綜合避雷器解體檢查情況和能量及暫時過電壓耐受分析，該避雷器電阻片的過電壓能量損壞特征明顯，在線路連續(xù)故障時中性母線避雷器吸收了過大的能量。

抽取故障避雷器3片無燒蝕痕跡的電阻片，按照GB/T 22389—2008《高壓直流換流站無間隙金屬氧化物避雷器導則》試驗方法進行了直流1 mA參考電壓試驗和能量耐受試驗。試驗結(jié)果表明，電阻片在經(jīng)受18次2 kA方波能量沖擊后，殘壓變化率最大為1.8%，小于標準要求的5%[2]，電阻片能量耐受試驗結(jié)果合格。

4 故障原因分析及對策

由于直流避雷器的吸收能量與換流站故障類型及持續(xù)時間、控制和保護的響應速度及延遲時間密切相關(guān)，且避雷器在遭受能量沖擊后的能量耐受能力恢復需要一定時間，但在E型避雷器絕緣配合研究報告中對避雷器最大能量吸收水平僅考慮了某種最惡劣的單一故障類型，而未考慮類似于本次連續(xù)多次故障對避雷器能量的累積耐受要求。結(jié)合故障電壓波形和避雷器解體結(jié)果分析，故障期間，牛從乙極2中性母線避雷器在短時間內(nèi)遭受了3次沖擊，施加到避雷器上電壓幅值在90 kV（1.3U r）以上的時間累積約105ms，耐受能量合計約3.78 MJ，超過單只避雷器能量耐受設(shè)計值1.44 MJ。因此，得出本次避雷器故障的直接原因是同塔雙回直流系統(tǒng)連續(xù)故障期間中性母線避雷器短時間內(nèi)、連續(xù)多次注入能量總和超出其設(shè)計耐受能力，最終導致電阻片發(fā)生熱崩潰。

昭通換流站E型避雷器的芯體為4柱電阻片柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)，金屬回線運行方式下，共有19只E型避雷器并接在中性母線上。由于該E型避雷器采用多只、多柱并聯(lián)的方式安裝，單只避雷器柱間及多只避雷器之間的沖擊電流分配的不均勻性也影響避雷器的整體能量耐受能力。但該試驗是按GB 11032—2010和GB/T 22389—2008規(guī)定采用單一沖擊電流波形進行電流分布試驗[2-3]與E型避雷器在持續(xù)時間較長的連續(xù)沖擊波下的實際工況不符。因此，為及時掌握多只并聯(lián)避雷器運行中的均流特性，建議通過在各并聯(lián)避雷器上加裝高精度高頻率采樣的避雷器動作電流在線監(jiān)測及啟動錄波裝置，以實現(xiàn)對E型避雷器動作時的能量耐受情況以及并聯(lián)避雷器的均流特性分析。

目前E型避雷器操作沖擊（30/60μs，3 kA下）保護水平為100 kV峰值，致使過電壓倍數(shù)K（操作沖擊保護水平/額定電壓峰值）高達1.5倍；工頻參考電壓與額定電壓的比值為1.06（20 mA下的工頻參考電壓峰值/額定電壓峰值），過電壓倍數(shù)K1（操作沖擊保護水平/工頻參考電壓峰值）達1.415倍，而電阻片的工頻電壓耐受時間特性為 1.2U r/100 ms。為確保避雷器安全，在確保設(shè)備絕緣配合滿足的前提下，避雷器上的暫時過電壓幅值及持續(xù)時間應限制在1.2 U r/100ms以下。

為提高多柱并聯(lián)避雷器的暫時耐受能力，可采取減小電阻片的非線性系數(shù)和提高參考電壓的方法，這2種方法都用來減小在過電壓下通過避雷器的沖擊電流，特別是抑制因溫度等引起的電阻片柱間的電流不均勻程度。在確保避雷器保護水平不超過目前設(shè)備絕緣水平的前提下，合理調(diào)整配合電流和殘壓，適當提高送端換流站中性母線避雷器的參考電壓，一般采取提高避雷器的參考電壓來提高避雷器的暫時過電壓耐受能力。

為保證安全裕度，依據(jù)中性母線出現(xiàn)的實際工況、電阻片的工頻電壓耐受特性及串補MOV的試驗數(shù)據(jù)，在保證避雷器保護水平不超過要求的前提下，適當提高昭通站換流站中性母線避雷器的參考電壓，合理調(diào)整配合電流，初步確定可將過電壓倍數(shù)由原來1.415倍降低為1.2倍，即將參考電壓由原來的66 kV提高到88 kV。

5 結(jié)論

1）結(jié)合故障電壓波形和避雷器解體結(jié)果分析，故障期間牛從乙極2中性母線避雷器在短時間內(nèi)遭受了3次沖擊，施加到避雷器上電壓幅值在90 kV（1.3U r）以上的時間累積約105ms，吸收能量合計約3.78 MJ，超過單只避雷器能量耐受設(shè)計值1.44 MJ，得出本次避雷器故障的直接原因是同塔雙回直流系統(tǒng)連續(xù)故障期間中性母線避雷器短時間內(nèi)、連續(xù)多次注入能量總和超出其設(shè)計耐受能力，最終導致電阻片發(fā)生熱崩潰。

2）應對措施：為及時掌握多只并聯(lián)避雷器運行中的均流特性及吸收能量的情況，擬通過在各并聯(lián)避雷器上加裝高精度、高頻率采樣的避雷器動作電流及電壓在線監(jiān)測及啟動錄波裝置，以實現(xiàn)對E型避雷器動作時的能量耐受情況以及并聯(lián)避雷器的均流特性分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患和異常；在確保避雷器保護水平不超過目前設(shè)備絕緣水平的前提下，適當提高送端換流站中性母線避雷器的參考電壓，并合理調(diào)整配合電流，依據(jù)設(shè)計工況，擬將過電壓倍數(shù)由原來1.415倍降低為1.2倍。

[1]南網(wǎng)科研院，西安西電電力系統(tǒng)有限公司.ED1.061.ZC_0_溪洛渡右岸電站送電廣東±500 kV同塔雙回直流輸電工程絕緣配合研究報告[R].廣州：南網(wǎng)科研院，2011.

[2]西安電瓷研究所.GB/T 22389—2008．高壓直流換流站無間隙金屬氧化物避雷器導則[S].北京：中國標準出版社,2008．

[3]西安電瓷研究所.GB 11032—2010．交流無間隙金屬氧化物避雷器[S].北京：中國標準出版社，2010．

Analysis and Countermeasure of Neutral-Bus Arrester Fault in±500 kV Zhaotong Converter Station

WANG Dianlang， LIU Jinxiao， JIANG Long， PITianman， LIDong
（Qujing Bureau of EHV Power Transmission Company,China Southern Power Grid,Qujing 655000,China）

On April 28,2015, ±500 kV Xiluodu HVDC project for line fault locking up one after another,Pole 1 restartsuccessfully，butpole 2 restart failed.In the processof Pole 2 unlock and power up，Grounding pole bus differential protection action，and inspection found Pole 2 neutral bus F4 arrester damaged in Zhaotong Converter Station.By the analysis of the DC control protection are correct action,and arrester failure occurred in Pole 2 restart process.The fault voltage waveform and disintegration of arrester are combined and analyzed,it is concluded that the cause of the neutral bus arrester fault is during the continuous fault of double towers DC system，neutral bus arrester withstand Long－term overvoltage,and the total injected energy beyond its design energy tolerance,eventually lead to thermal collapse in the varistor.It is recommended to ensure the arrester protection levelunder the premise ofnot more than the existing equipment insulation level,improve the sending reference voltage on the neutralbusarrester,and reasonably adjust the current,Preliminary estimatesovervoltagemultiple can be reduced from 1.415 times to 1.2 times,and by proposed on each arrester parallel unit with high precision high frequency sampling arrester leakage currentand voltage on－linemonitoring and record device,in order to realize the energy resistance situation of lightning arrestermovesand parallel flow characteristicsanalysis of lightningarrester,timely detection equipmenthidden dangersand exceptions.

neutral－bus arrester； thermal collapse； energy resistance； overvoltagemultiple；dynamic flow characteristics

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.024

2015－07－19

王典浪 （1986—），男，工程師，現(xiàn)從事?lián)Q流站一次設(shè)備維護及預防性試驗工作。