柔直系統(tǒng)與交流電網(wǎng)間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)事故分析及解決方案研究

劉成學(xué) 陳志校 沈忠威 陽國慶

（庫柏（寧波）電氣有限公司）

0 引言

柔性直流輸電是一種新型輸電技術(shù)，可以快速獨(dú)立地調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，控制公共連接點的交流電壓，潮流反轉(zhuǎn)方便靈活，可以為無源系統(tǒng)供電。柔性直流輸電的特點是控制靈活、智能化程度高，在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量等方面都具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，環(huán)保性好、占地面積小。它可以廣泛應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電等領(lǐng)域[1]。

柔性直流輸電憑借自身的技術(shù)特點，可以有效解決當(dāng)前交流電網(wǎng)中存在諸多問題。而如何與交流電網(wǎng)相互切換，對柔性直流輸電工程的性能、安全和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，也是保證供電可靠性的關(guān)鍵。以下通過兩起在柔性直流輸電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)之間充當(dāng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的兩起典型事故，分析原因并提出了可行的解決措施[2]。

1 兩起35kV聯(lián)絡(luò)開關(guān)典型事故

1.1 第一起35kV聯(lián)絡(luò)開關(guān)拉弧事故

圖1是一柔直供電變電站的一次系統(tǒng)圖，1號110kV主變的電源來自于柔直系統(tǒng)，2號主變的電源來自于交流電網(wǎng)系統(tǒng)；1號主變給35kV的I段母線供電，2號主變給35kV的II段母線和III段母線供電，I段母線和II段母線之間由母聯(lián)真空斷路器和隔離手車分段。在首次35kV母聯(lián)真空斷路器手車正常切換時，產(chǎn)生了拉弧現(xiàn)象，從1號主變的故障錄波圖上看出（見圖2）。故障發(fā)生后，B、C相有電流流過，而且電流幅值相等，方向相反，證明B、C相發(fā)生了短路故障，并引起上一級開關(guān)跳閘。斷路器B、C相的上、下動觸頭有明顯的電弧燒損痕跡，但是，上觸頭都比下觸頭燒損的嚴(yán)重一些。見圖3，開關(guān)柜B、C相的上，下靜觸頭相對應(yīng)也有電弧燒損的點，觸頭盒內(nèi)壁有電弧燒損的痕跡，見圖4，斷路器本體未有開裂現(xiàn)象。該事故斷路器經(jīng)工頻耐壓試驗，其斷口、相間、對地的絕緣都良好。

圖1 柔直變電站一次系統(tǒng)圖

圖2 第一次事故錄波圖

該母聯(lián)開關(guān)是當(dāng)作柔直母線和交流電網(wǎng)母線的分段開關(guān)的功能，此斷路器手車在斷路器分閘的狀態(tài)下，執(zhí)行了從熱備用運(yùn)行位置拉出到試驗位置時的常規(guī)操作。

圖3 事故斷路器B、C相動、靜觸頭有電弧燒損痕跡

圖4 動觸頭有燃弧點

1.2 事故原因分析

根據(jù)現(xiàn)場事故照片（見圖3～圖5）的電弧痕跡來看，是當(dāng)操作斷路器手車從運(yùn)行位置到試驗位置的過程中，一次隔離動觸頭剛離開靜觸頭時，在動靜觸頭之間發(fā)生了拉弧。該電弧電離了周圍的空氣，使得電離的空氣瞬間變成了導(dǎo)電氣體[3]，從而使得B、C相間發(fā)生短路，繼而引起上一級開關(guān)速斷保護(hù)動作，引起跳閘。如圖6所示，為了確定是否由斷路器的滅弧室觸頭之間造成擊穿引起的，還將該斷路器的極柱剖開進(jìn)行仔細(xì)檢查，經(jīng)過檢查未發(fā)現(xiàn)滅弧室內(nèi)部有電弧擊穿的痕跡（見圖7），因此證明不是斷路器滅弧室擊穿造成的事故。

圖5 觸頭盒內(nèi)壁被電弧燒損碳化

圖6 觸頭盒拉弧短路示意圖

圖7 剖開的斷路器滅弧室完好未發(fā)現(xiàn)電弧燒損

斷路器在斷開的狀態(tài)下為何在拉出手車時還會產(chǎn)生電弧，這是由于斷路器雖然斷開但是在斷路器上下兩側(cè)之間存在電壓差，這個電壓差是由于兩個不同的電源即柔直系統(tǒng)電源和交流電網(wǎng)之間的電源頻率有一定的差異而產(chǎn)生的[4]，這個差異不管有多大，只要有差異，就會在某一刻在斷路器兩側(cè)施加反向電壓[5]。假設(shè)兩個不同電源之間的工頻相差0.1%，如設(shè)柔直系統(tǒng)的工作頻率為50.025Hz，電力系統(tǒng)的工作頻率為49.075Hz，則兩個電源之間每隔1.0193s就會有一次反向的電壓波相遇，即相位角相差180°，因此，在兩個電源工頻有差異的情況下，連接兩個電源之間的分段斷路器在兩側(cè)具有按某一頻率施加的電壓差，這個電壓差是系統(tǒng)對地電壓的兩倍，在35kV系統(tǒng)，施加在斷路器兩側(cè)的電壓是20.2×2=40.4kV[6]。

1.3 暴露在空氣中的動，靜觸頭之間擊穿強(qiáng)度分析

在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，空氣的電場強(qiáng)度為[7]：E=25～30kV/cm（與電極形狀有關(guān)）；由于一次隔離動靜觸頭之間的電極形狀為類似尖端形狀，根據(jù)皮克理論，該動靜觸頭之間的電場為極不均勻電場，其擊穿電壓和場強(qiáng)的關(guān)系如下：

圖8是在工頻電壓下，極不均勻電場棒-棒以及棒-板之間的空氣間隙（d＜250cm)與擊穿電壓的關(guān)系圖。

圖8 極不均勻電場空氣間隙與擊穿電壓的關(guān)系

棒-板電極間施加工頻電壓時，擊穿總是在棒的極性為正，電壓達(dá)到峰值時發(fā)生，并且其擊穿電壓（峰值）和直流電壓下正棒-負(fù)極的擊穿電壓相近。從圖中看出，除了起始部分外，擊穿電壓和距離近似成直線關(guān)系，棒-棒平均擊穿場強(qiáng)為3.8kV/cm（有效值）或5.36kV/cm，棒-板間隙的稍微低一些， 約為3.35kV/cm（有效值），或4.8kV/cm（峰值）。

在該工程中，在斷路器兩側(cè)分別聯(lián)有兩個不同系統(tǒng)的電源，其對地電壓均為20.2kV，由于兩側(cè)電源的頻率有一定的差異，因此，施加在斷路器兩側(cè)的電壓最大可達(dá)到40.4kV，考慮到該斷路器手車有上、下兩組動靜觸頭，在手車?yán)鰺醾溆脿顟B(tài)時該兩組觸頭為兩個串聯(lián)斷口，因此，施加在每組動靜觸頭上的電壓平均為40.4/2=20.2kV。而從以上計算可得知，在動靜觸頭之間的擊穿場強(qiáng)為3.3～5.36kV/cm之間，因此，在動靜觸頭拉開的距離小于3cm左右時，動靜觸頭之間會被輕易擊穿，并形成電弧。而動靜觸頭之間的距離是從0開始拉開的，電弧必然會在小于3cm前持續(xù)擊穿。

1.4 絕緣件表面的沿面爬電機(jī)理分析

按電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 404的規(guī)定[8]，有機(jī)絕緣件表面的爬電比距為20mm/kV，因此，該產(chǎn)品環(huán)氧絕緣觸頭盒爬電距離為L=40.5×20=810mm，該爬距是在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下從帶電導(dǎo)體到接地體的安全距離，但是由于該工程的事件中，動靜觸頭之間已經(jīng)產(chǎn)生了擊穿放電，導(dǎo)致放電點直接和觸頭盒的內(nèi)壁閃絡(luò)，根據(jù)靜觸頭的長度，該閃絡(luò)點離靜觸頭的根部有125mm，即由于閃絡(luò)點的放電，該觸頭盒的安全爬電距離減少了至少125～130mm的距離，同時，由于電弧放電，在觸頭盒內(nèi)部產(chǎn)生了空氣電離子氣體，該電離子氣體可使具有電壓為20kV，電流為1kA左右的電弧輕易爬過1m以上的有機(jī)絕緣表面[9]。

1.5 短路故障電流分析

從故障錄波圖上看出，1號主變B、C相之間的短路電流有1.2kA以上，而在拉開分段斷路器手車時，兩側(cè)均未帶有負(fù)載，為何在沒有負(fù)載的情況下出現(xiàn)如此高的短路電流，這主要是該變電站的兩段母線各自連接到另一個站，并且采用了海底電纜連接。因此，主要是由電纜的電容放電產(chǎn)生的故障電流，具體計算如下。

據(jù)變電站提供的參數(shù)，現(xiàn)場在柔直系統(tǒng)I段母線側(cè)有一路出線連接到大洋變電站，該路的連接電纜長度為33km，導(dǎo)電截面為150mm2，根據(jù)普通電纜的電容電流計算方法[10]，其電容電流如下：

因此，長度為33km，截面為150mm2的單根電纜其容性電流為

兩相電纜短路，則最大容性放電電流為

而海底電纜的容性電流是一般普通電纜的3～5倍，按4倍計算，則B、C相短路后的電容電流為

這和故障錄波圖中的電流基本吻合。

根據(jù)事故斷路器觸頭燒損的程度看，B、C相的上觸頭均比下觸頭燒損的要嚴(yán)重一些，這主要是因為上下觸頭各自連接的海底電纜的長度和截面積不一樣，導(dǎo)致電纜電容大小不一引起的。根據(jù)變電站提供的資料，斷路器的下觸頭連接II段和III段母線，這段母線連接的電纜長度為15km，截面為120mm2，參考以上計算方法，這段電纜的電容電流為：

因此，下觸頭的電容電流要比上觸頭的小一半多，因此，燒損程度要比上觸頭輕一些。

由此，也可以進(jìn)一步佐證，B、C相之間的短路電流確實是由電纜的電容電流引起的。

2 第二起聯(lián)絡(luò)開關(guān)爆炸事故及原因分析

就在同一個110kV變電站，處于斷開狀態(tài)充當(dāng)聯(lián)絡(luò)柔直電源和交流電網(wǎng)電源的35kV真空斷路器，在沒有做任何操作的情況下，突然爆炸，斷路器B相極柱完全斷裂，真空滅弧室的屏蔽罩已燒穿，滅弧室觸頭燒損嚴(yán)重，見圖9，根據(jù)斷路器的損傷程度可以說明斷路器承受了很高的過電壓而發(fā)生了斷口之間的擊穿，并在觸頭之間產(chǎn)生了較長時間的電弧[11]，繼而引起了滅弧室在高溫電弧的作用下而發(fā)生了炸裂，同時導(dǎo)致開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部燃弧故障[12]，開關(guān)柜壓力釋放蓋板被打開。

圖9 事故斷路器B相炸裂

為何斷口能承受118kV/1min的斷路器在沒有負(fù)載，沒有任何操作的情況下會自然發(fā)生炸裂，這是因為該事故并不是一起獨(dú)立的事件[13]，在此事故發(fā)生前，電網(wǎng)上已經(jīng)有一系列的事故相繼發(fā)生：由于該變電站是多端柔性直流輸電系統(tǒng)中的其中一個站，該聯(lián)絡(luò)斷路器除了和柔直電源聯(lián)絡(luò)外，還與其他4個變電站聯(lián)網(wǎng)，在此事故發(fā)生前，首先有一個變電站的A相電纜終端引線頭絕緣擊穿，并引起電抗器開關(guān)跳閘，然后另一個簡易變電站35kV間隔B，C相串弧并將C相CT燒毀，緊接著又在另一個變電站內(nèi)C相電纜中間接頭被擊穿，然后在另一個變電站內(nèi)電抗器A相匝間開路，絕緣電阻降到零。根據(jù)故障錄波圖的記錄，反映了最后斷路器的故障的情況。

該事故首先由一個站的A相電纜頭擊穿接地并持續(xù)1min左右，電壓降至6kV以下，隨即導(dǎo)致35kV II段母線B、C相的電壓升高到35kV，而35kV I段母線電壓相應(yīng)產(chǎn)生了震蕩畸變，比較35kV I段，II段母線的電壓波形，發(fā)現(xiàn)在柔直系統(tǒng)側(cè)發(fā)生B、C相短路時，兩側(cè)電壓相位角明顯間隙性趨于一致，說明了兩個電源系統(tǒng)在電壓的波動下通過35kV母分開關(guān)會相互影響（正常運(yùn)行時，兩個系統(tǒng)無明顯影響）[14]。

根據(jù)圖10的故障錄波圖并結(jié)合現(xiàn)場情況分析，因一個站的電網(wǎng)A相接地，引起另一個110kV站35kV I段母線電壓振蕩，A、B、C三相電壓均有不同程度的抬高，最高幅值達(dá)50kV左右，根據(jù)本文分析兩個電源系統(tǒng)的相位角會以某一頻率相差180°，即施加在聯(lián)絡(luò)斷路器上的電壓差至少在100kV以上，考慮電弧間隙接地引起的振蕩諧波，該聯(lián)絡(luò)斷路器實際的承受電壓將超過130kV[4]，因此，該聯(lián)絡(luò)斷路器的斷口就被輕易擊穿，而擊穿后由于兩側(cè)都各自連接海底電纜，故而在事故的高電壓下發(fā)生擊穿，又在電纜電容大電流的作用下使斷路器內(nèi)部承受了高溫電弧產(chǎn)生了爆炸[11]。

圖10 第二次事故錄波

3 解決方案研究

根據(jù)以上事故原因的分析，在柔直系統(tǒng)電源和交流電網(wǎng)電源之間的分段母聯(lián)開關(guān)，時刻承受著較高的電壓差，即使在斷路器斷開的情況下也不能拉開手車，為了解決這一問題，是否可以將該聯(lián)絡(luò)斷路器按提高一個電壓等級如72.5kV的斷路器配置呢？根據(jù)仔細(xì)研究，答案是否定的，因為要從熱備用狀態(tài)切換到冷備用狀態(tài)，必須使得聯(lián)絡(luò)斷路器與母線脫開并隔離，而這一項操作必須利用暴露在空氣當(dāng)中的一次隔離觸頭[15-16]，而空氣中的一次隔離觸頭是沒有滅弧能力的[17]。因此，僅僅提高聯(lián)絡(luò)斷路器的電壓等級也不能解決這一問題。

圖11 單個聯(lián)絡(luò)斷路器試驗

根據(jù)手車式開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)特點以及雙斷口的理論，我們嘗試在聯(lián)絡(luò)斷路器母線上串接一臺斷路器的方式來觀察燃弧的情況，圖11是斷路器制造工廠首先模擬事故現(xiàn)場情況，按單臺聯(lián)絡(luò)斷路器進(jìn)行試驗，用兩臺試驗變壓器在斷路器兩側(cè)分別施加電壓為20.2kV，相位角相差180°的反向電壓，聯(lián)絡(luò)斷路器在分閘狀態(tài)，操作斷路器手車從運(yùn)行位置到試驗位置，然后觀察動，靜觸頭的燃弧情況，由于兩臺試驗變壓器的容量只有15kVA，電弧電流不會超過1A，因此，試驗是安全的，不會因產(chǎn)生電弧而發(fā)生事故。然后再串接一臺斷路器的進(jìn)行試驗，如圖12所示。表1是試驗程序和幾次不同實驗方式的結(jié)果，根據(jù)表1中第2次的試驗結(jié)果可以證明施加在斷路器兩側(cè)的電壓波動是相互有影響的，即當(dāng)上觸頭的電壓逐漸上升，而下觸頭的電壓不變時，下觸頭的電弧也會隨著上觸頭電壓的升高明顯地加強(qiáng)；從下表的第4次試驗可以看到，在串接一臺斷路器后，當(dāng)串接的斷路器在分閘的情況下，靠近串接斷路器一側(cè)的動，靜觸頭其放電現(xiàn)象幾乎消失，將聯(lián)絡(luò)斷路器和串接斷路器對調(diào)試驗，其結(jié)果完全一致。

根據(jù)這些試驗結(jié)果，證明在聯(lián)絡(luò)斷路器分閘的情況下，只要在線路上再串接一臺斷路器并處于分閘狀態(tài)，就可以消除聯(lián)絡(luò)斷路器在處于兩端施加反向電壓的情況下進(jìn)行熱備用的切換操作，再不會引起拉弧現(xiàn)象[17]。同樣原理，也可以承受超過普通電網(wǎng)系統(tǒng)單相接地造成的過電壓，基本避免了類似事故的發(fā)生。

圖12 串接一臺斷路器的試驗

4 結(jié)束語

我國的柔性直流輸電技術(shù)作為一種新型的直流輸電方式，一方面，其理論認(rèn)識還不夠深入全面，另一方面，還缺乏長期的實際運(yùn)行經(jīng)驗，尤其是在和交流供電系統(tǒng)切換時，常常會產(chǎn)生意想不到的事故，其根本原因是兩個系統(tǒng)的工作頻率有一定的差值，導(dǎo)致處在兩個系統(tǒng)電源之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)在其斷口承受著某一頻率的電壓沖擊，一般正常幅值是兩倍的對地電壓，而且兩個電源的電壓波動相互影響，并有諧振的傾向，一旦有一端產(chǎn)生過電壓，另一端有可能會產(chǎn)生更高的過電壓，導(dǎo)致多點絕緣擊穿，造成大面積事故。

表 斷路器兩側(cè)施加反向電壓試驗記錄

目前根據(jù)分析研究并經(jīng)過試驗驗證，最為直接有效的方案是在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的線路上再串接一臺開關(guān)[18]，此串接開關(guān)處于分閘狀態(tài)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)形成串聯(lián)斷口，一方面可以對施加在聯(lián)絡(luò)開關(guān)上的高電壓進(jìn)行分壓，使聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于安全的電壓之下。另一方面，當(dāng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行熱備用退出到冷備用時，也不會在斷路器手車的動靜觸頭之間產(chǎn)生拉弧，是一種簡單可行的方案。基本解決了柔直系統(tǒng)和交流電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)開關(guān)的安全可靠運(yùn)行。