±500 kV天生橋換流站中性母線避雷器故障分析及防護(hù)措施研究

盧文浩，黃大為

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣州510663）

0 事故概況

2016年4月6日17時(shí)02分，±500 kV天廣直流輸電工程天生橋換流站極1三套直流線路行波保護(hù)和電壓突變量保護(hù)動(dòng)作，直流系統(tǒng)經(jīng)3次重啟不成功后閉鎖。閉鎖前直流運(yùn)行方式為極1單極金屬回線運(yùn)行，輸送功率600 MW。19時(shí)48分，天廣直流極1采用單極金屬回線方式強(qiáng)送成功，恢復(fù)送電功率至300 MW。隨后在20時(shí)04分執(zhí)行功率由300 MW至600 MW調(diào)整時(shí)，天生橋站三套中性母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，極1轉(zhuǎn)為閉鎖。

故障后現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，天生橋換流站極1中性母線F2避雷器動(dòng)作8次，紅外測溫為35.9℃，其余避雷器為30℃左右，絕緣電阻測試結(jié)果為0。在單極金屬回線運(yùn)行方式下，天生橋換流站極1中性母線共配置相同參數(shù)的避雷器6臺(tái)。故障避雷器銘牌參數(shù)如表1所示。

±500 kV天廣直流輸電工程起點(diǎn)位于廣西隆林縣天生橋鎮(zhèn)，直流落點(diǎn)為廣東省廣州市北郊，線路總長963 km，直流額定電壓±500 kV，直流輸電功率1800 MW，工程于2001年6年雙極投運(yùn)。

表1 故障避雷器銘牌參數(shù)Table 1 Nameplate parameters of the damaged surge arrester

1 解體分析

事故后，對(duì)發(fā)生故障的極1中性母線F2避雷器進(jìn)行解體，解體情況如下：

1）避雷器兩端壓力釋放裝置（防爆膜）受沖擊已鼓起，但未發(fā)生破裂，如圖1所示。

圖1 避雷器防爆膜示意圖Fig.1 Diagram of pressure release plate of surge arrester

2）密封圈表面光潔，與壓緊板的壓痕均勻，無明顯水漬痕跡；與密封圈接觸的定位板、彈簧亦無明顯水漬痕跡，未見銹斑，如圖2所示。

3）避雷器芯體為4柱電阻片并聯(lián)，每柱由18片電阻片串聯(lián)組成。其中兩柱電阻片和靠近這兩柱的瓷套內(nèi)壁有明顯的電弧閃絡(luò)痕跡，表明避雷器內(nèi)部電阻片沿面產(chǎn)生貫穿性電弧，如圖3所示。

4）所有電阻片表面存在不同程度的燒蝕痕跡，但無明顯大面積崩裂、穿孔現(xiàn)象。對(duì)電阻片進(jìn)行逐一檢查發(fā)現(xiàn)，表面燒蝕嚴(yán)重的電阻片柱頂部第2片電阻片發(fā)生擊穿開裂，如圖3所示。

圖2 避雷器密封裝置示意圖Fig.2 Diagram of sealing device of surge arrester

圖3 避雷器內(nèi)部電弧痕跡Fig.3 Internal arc trace of surge arrester

圖4 電阻片發(fā)生擊穿開裂Fig.4 Chip cracking of varistors

綜合上述解體現(xiàn)象，可排除避雷器內(nèi)部受潮，初步分析避雷器故障原因?yàn)椋浩渲幸粋€(gè)電阻片由于熱崩潰發(fā)生擊穿，隨后該電阻片表面發(fā)生放電，產(chǎn)生電弧，電弧發(fā)展導(dǎo)致整柱電阻片表面閃絡(luò)。閃絡(luò)產(chǎn)生的能量致使避雷器壓力釋放裝置動(dòng)作，上下部防爆膜出現(xiàn)變形。

2 故障原因分析

2.1 故障過程

查看天生橋換流站極1中性母線電壓錄波圖，可將本次故障分為兩個(gè)階段：

首先是直流線路遭受雷擊，馬窩站極1行波保護(hù)和電壓突變量保護(hù)動(dòng)作，經(jīng)3次重啟不成功后閉鎖。極1中性母線電壓如圖5所示，中性母線在重啟過程中存在4次明顯過電壓，在后兩次重啟均有電壓突變，如圖5紅圈所示，放大見圖6。從中性母線電壓突變可知該階段中性母線F2避雷器已經(jīng)損壞或存在缺陷，但未完全擊穿導(dǎo)通。該階段中性母線避雷器有明顯的能量累積，最大過電壓91.8 kV，低于其操作保護(hù)水平99 kV。

圖5 中性母線過電壓錄波圖（階段一）Fig.5 Overvoltage oscillograph of neutral bus（stage one）

圖6 電壓突變處放大圖Fig.6 Zoom out of voltage mutation

第二階段是天廣直流以極1單極金屬回線方式恢復(fù)送電后，在執(zhí)行功率由300 MW至600 MW調(diào)整時(shí)，天生橋站三套中性母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，極1轉(zhuǎn)為閉鎖。由于上階段中性母線F2避雷器內(nèi)部已存在缺陷，在功率調(diào)整過程中擊穿損壞，中性母線電壓波形見圖7。本階段中性母線最大過電壓46 kV，避雷器無明顯能量累積。

圖7 中性母線過電壓錄波圖（階段二）Fig.7 Overvoltage oscillograph of neutral bus（stage two）

2.2 避雷器能量校核

由故障過程分析可知，故障避雷器只在第一階段有能量累積，可通過錄波文件計(jì)算故障避雷器吸收能量，計(jì)算方法如下：

1）流過中性母線全部6臺(tái)避雷器的電流Ie，可由極1閥組低壓端中性母線電流傳感器IdN電流錄波與另一極母線線路側(cè)電流傳感器IdL_op電流錄波相減可到，即Ie=IdN-IdL_op。IdN和IdL_op電流錄波如圖8所示。

圖8 IdN和IdL_op電流錄波圖（階段一）Fig.8 Current oscillograph of IdN and IdL_op(stage one)

2）將Ie與中性母線電壓Udn（如圖5所示）的乘積求積分，可計(jì)算故障過程全部6臺(tái)避雷器吸收總能量，除以總臺(tái)數(shù)6，可計(jì)算得到單臺(tái)避雷器吸收能量E，即

以上計(jì)算結(jié)果基于每臺(tái)避雷器吸收能量完全相同的假設(shè)，計(jì)算可得單臺(tái)避雷器吸收能量為0.53 MJ。

2.3 避雷器特性差異分析

天生橋站在金屬回線運(yùn)行方式下共接入避雷器6臺(tái)，每臺(tái)內(nèi)并聯(lián)4柱電阻片，共24柱。對(duì)均流特性要求高，避雷器之間的伏安特性差異可能導(dǎo)致能量分配不均，使特性低的避雷器吸收過多能量老化加速，甚至發(fā)生熱崩潰[1-12]。

梳理故障前天生橋站中性母線避雷器直流參考電壓測試數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 避雷器直流參考電壓測試數(shù)據(jù)Table 2 Test results of DC reference voltage

由表2可以看出，本次避雷器故障前1 mA直流參考電壓明顯低于該極其它避雷器，最大偏差達(dá)2.5 kV，而極2中性母線避雷器1 mA直流參考電壓最大偏差為0.3 kV。

結(jié)合解體現(xiàn)象，初步分析避雷器故障前直流參考電壓偏低的原因?yàn)槠渲幸粋€(gè)電阻片存在缺陷或者已經(jīng)失效。

2.4 仿真分析

為驗(yàn)證避雷器的吸收能量和特性差異對(duì)均流特性的影響，利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMT?DC，仿真分析中性母線避雷器能量和放電電流。

2.4.1 避雷器吸收能量

仿真計(jì)算直流線路首端、中點(diǎn)和末端處發(fā)生人工接地故障時(shí)，中性母線避雷器單臺(tái)吸收的能量。運(yùn)行方式為單極金屬回線，直流輸送功率分別考慮600MW、900MW，仿真結(jié)果如表3所示。仿真波形見圖9。

表3 直流線路不同位置發(fā)生接地故障時(shí)中性母線避雷器吸收能量Table 3 Energy absorption of arrester in line fault happened indifferent parts of DC transmission line

圖9 避雷器能量與放電電流仿真波形Fig.9 Simulation waveform of energy and discharge current

從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，直流線路接地故障不是考核中性母線避雷器的最嚴(yán)苛工況，避雷器的電壓和能量應(yīng)力較小，均低于其額定參數(shù)。當(dāng)直流線路發(fā)生接地故障時(shí)，中性母線避雷器吸收能量隨著故障點(diǎn)與整流站距離的增大而減小，隨著輸送功率的增大而增大。

當(dāng)輸送功率為600 MW、接地故障點(diǎn)位于整流站線路出口處和中點(diǎn)處時(shí)，避雷器吸收能量分別為0.60 MJ、0.31MJ，中性母線過電壓幅值為92.49 kV、89.18 kV，與避雷器能量校核結(jié)果0.53 MJ比較接近，遠(yuǎn)低于其額定吸收能量2.6 MJ。極1中性母線F2避雷器故障原因可排除系統(tǒng)能量過載導(dǎo)致。輸送功率為600 MW、接地故障點(diǎn)位于整流站線路出口處時(shí)。

2.4.2 避雷器特性差異影響

仿真計(jì)算了直流線路首端處發(fā)生人工接地故障時(shí)，其中一臺(tái)參考電壓在降低2.5 kV、1 kV、0.8 kV、0.5 kV、0.3 kV情況下，避雷器的放電電流和電流分布不均勻系數(shù)β。電流分布不均勻系數(shù)β計(jì)算公式參照GB/T 22389-2008《高壓直流換流站無間隙金屬氧化物避雷器導(dǎo)則》，其要求值為不大于10%[4-16]。運(yùn)行方式為單極金屬回線，直流輸送功率分別選擇300 MW、600 MW和900 MW，仿真結(jié)果如表4所示，其中I1和I2分別為參考電壓正常和降低后的避雷器的放電電流。

表4 參考電壓偏差對(duì)避雷器不均勻分布系數(shù)影響仿真結(jié)果Table 4 Simulation of effect of reference voltage deviation on uneven distribution coefficient

從表4和圖10可以看出，不同輸送功率對(duì)避雷器電流不均勻分布系數(shù)隨參考電壓偏差的增大而急劇增大。參考電壓偏差大于0.5 kV時(shí)，電流不均勻分布系數(shù)均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的10%，當(dāng)參考電壓偏差2.5 kV時(shí)，電流不均勻分布系數(shù)達(dá)50%以上，能量在并聯(lián)避雷器之間分配極不均勻。

綜合以上分析結(jié)果，本次中性母線避雷器故障的原因?yàn)椋罕芾灼髌渲幸粋€(gè)電阻片存在缺陷或者已經(jīng)失效，導(dǎo)致該避雷器伏安特性低于同極其它避雷器，在故障工況中承擔(dān)了大部分的能量耐受，發(fā)生擊穿故障。

圖10 參考電壓偏差對(duì)避雷器不均勻分布系數(shù)影響Fig.10 Effect of reference voltage deviation on uneven distribution coefficient

3 事故對(duì)策及結(jié)論

1）故障避雷器解體現(xiàn)象表明：①避雷器密封裝置完好，內(nèi)部未見明顯受潮痕跡；②其中兩柱電阻片和瓷套內(nèi)壁有明顯的電弧閃絡(luò)痕跡，表明避雷器內(nèi)部電阻片沿面產(chǎn)生貫穿性電??；③表面燒蝕嚴(yán)重的電阻片柱頂部第2片電阻片發(fā)生擊穿開裂。

2）梳理了避雷器故障過程的兩個(gè)階段，利用故障錄波和暫態(tài)仿真，校核了避雷器吸收的能量，校核結(jié)果表明單臺(tái)避雷器吸收能量約為0.53 MJ，小于其額定吸收能量2.6 MJ，避雷器故障原因可排除能量過載導(dǎo)致。

3）分析避雷器故障前的直流參考電壓試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：避雷器故障前1 mA直流參考電壓明顯低于同極其它避雷器，最大偏差達(dá)2.5 kV；仿真分析直流參考電壓偏差對(duì)避雷器電流分布不均勻系數(shù)影響可知，當(dāng)參考電壓偏差2.5 kV時(shí)，電流不均勻分布系數(shù)達(dá)50%以上，能量在并聯(lián)避雷器之間分配極不均勻。

4）綜合解體現(xiàn)象、能量校核和仿真結(jié)果，可得避雷器損壞原因?yàn)椋罕芾灼髌渲幸粋€(gè)電阻片存在缺陷或者已經(jīng)失效，導(dǎo)致該避雷器伏安特性低于同極其它避雷器，在故障工況中承擔(dān)了大部分的能量耐受，發(fā)生擊穿故障。

5）事故對(duì)策：①安裝在同一極的中性母線避雷器，開展直流參考電壓預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行橫向比較，最大偏差不應(yīng)超過0.5 kV；②為及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，對(duì)于運(yùn)行年限超過10年以上的中性母線避雷器，預(yù)防性試驗(yàn)周期建議由3年縮短為1年。

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