特高壓換流站交流濾波器鳥(niǎo)害故障跳閘原因分析及建議措施

趙文詩(shī)，劉天作，劉闖闖，王桂祥

（1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙古 通遼028000；2.國(guó)網(wǎng)河南電力直流運(yùn)檢分公司，鄭州450000）

0 引言

交流濾波器是特高壓換流站的重要設(shè)備之一，其主要作用是濾除交流母線(xiàn)上的諧波并補(bǔ)償換流器運(yùn)行時(shí)的無(wú)功消耗[1]。國(guó)家電網(wǎng)公司近幾年對(duì)所轄換流站交流濾波器運(yùn)行情況的分析結(jié)果表明，鳥(niǎo)害在換流站引起交流濾波器保護(hù)動(dòng)作跳閘的次數(shù)不斷增加。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2013—2017年，國(guó)家電網(wǎng)公司所轄換流站共發(fā)生48起鳥(niǎo)害導(dǎo)致的交流濾波器跳閘事件，內(nèi)蒙古境內(nèi)的3座±800 kV特高壓換流站（錫盟站、伊克昭站及扎魯特站）自投入運(yùn)行后，近幾年也均多次發(fā)生鳥(niǎo)害故障跳閘情況。2017—2020年，其中一組交流濾波器發(fā)生的6次跳閘事件中，有4次為鳥(niǎo)害原因?qū)е隆ｋm然故障發(fā)生時(shí)，因直流系統(tǒng)輸送功率較小、備用交流濾波器投運(yùn)及時(shí)，均未造成功率損失，但多次發(fā)生的鳥(niǎo)害事件威脅到特高壓換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文針對(duì)某特高壓換流站鳥(niǎo)害導(dǎo)致交流濾波器電容器不平衡保護(hù)動(dòng)作跳閘事件進(jìn)行分析，查找故障原因并提出運(yùn)維建議。

1 換流站交流濾波器概況

1.1 交流濾波器配置

該換流站是±800 kV特高壓直流輸電工程的送端站，直流額定電流6250 A，額定輸電容量10 000 MW。共配置4大組、20小組交流濾波器（含并聯(lián)電容器），配置情況見(jiàn)表1。

表1 某換流站交流濾波器配置

1.2 電容器組結(jié)構(gòu)

該換流站發(fā)生4次鳥(niǎo)害跳閘的濾波器均為BP11/13型，以5642交流濾波器為例，電容器塔BP11塔高15.37 m，BP13塔高14.44 m。C11和C12高壓電容器組采用了H形橋接線(xiàn)方式，每相C11電容器塔由224只電容器組成，每相C12電容器塔共由208只電容組成，C11和C12電容器塔組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。正常運(yùn)行時(shí)，4個(gè)橋臂的電容值相同，中間的全光纖電流互感器（OCT）上無(wú)電流通過(guò)。

圖1 C11和C12電容器塔電容器組成

2 電容器不平衡保護(hù)動(dòng)作情況分析

2.1 保護(hù)原理

交流濾波器組均并聯(lián)在換流站500 kV交流母線(xiàn)上，濾波器中的電容器承受了大部分的母線(xiàn)電壓，當(dāng)電容器塔中有電容器元件因受外力或自身原因發(fā)生故障時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致其余電容器承受的電壓升高，可能引發(fā)雪崩擊穿，對(duì)整個(gè)電容器塔設(shè)備安全構(gòu)成威脅[2]。交流濾波器保護(hù)中配置了三段式電容器不平衡保護(hù)，通過(guò)電流互感器測(cè)量橋臂間的不平衡電流大小，采用兩橋臂的不平衡電流與入地電流的比值作為動(dòng)作判據(jù)，反映電容器元件的故障情況，以判斷電容器是否發(fā)生故障，必要時(shí)快速切除故障小組交流濾波器[3-4]。

2.2 不平衡保護(hù)邏輯

該換流站每大組濾波器各配置A/B兩套測(cè)量回路相互獨(dú)立的保護(hù)裝置，采用“啟動(dòng)”+“保護(hù)”出口邏輯，當(dāng)其中一套濾波器保護(hù)AFP的“啟動(dòng)”+“保護(hù)”滿(mǎn)足條件時(shí)則保護(hù)動(dòng)作。BP11/13交流濾波器電容器不平衡保護(hù)接線(xiàn)原理見(jiàn)圖2。

圖2 BP11/13交流濾波器不平衡保護(hù)接線(xiàn)原理

5642交流濾波器電容器不平衡保護(hù)的“啟動(dòng)+動(dòng)作”邏輯及保護(hù)定值設(shè)置方法如下。

2.2.1 啟動(dòng)邏輯

不平衡保護(hù)啟動(dòng)為三段式電流保護(hù)，判據(jù)為：

式中：Iqd為保護(hù)啟動(dòng)電流；Iunb為不平衡電流；Iw為尾端電流。

報(bào)警段（Ⅰ段）：當(dāng)Iqd>0.000 361時(shí)，延時(shí)10 s報(bào)警；

跳閘段（Ⅱ段）：當(dāng)Iqd>0.000 668 8時(shí)，延時(shí)120 min跳閘；

速斷跳閘段（Ⅲ段）：當(dāng)Iqd>0.000 884 45時(shí)，延時(shí)20 ms跳閘。

2.2.2 動(dòng)作邏輯

不平衡保護(hù)動(dòng)作同樣分三段式過(guò)流，判據(jù)為：

式中：Idz為保護(hù)動(dòng)作電流。

報(bào)警段（Ⅰ段）：當(dāng)Idz>0.000 38時(shí)，延時(shí)10 s報(bào)警；

跳閘段（Ⅱ段）：當(dāng)Idz>0.000 704時(shí)，延時(shí)120 min跳閘；

速斷跳閘段（Ⅲ段）：當(dāng)Idz>0.000 931時(shí)，延時(shí)20 ms跳閘。

3 交流濾波器故障跳閘事件分析

3.1 故障現(xiàn)象

2019-07-30T13：25：49，OWS報(bào)出：第4大組濾波器保護(hù)系統(tǒng)A/B報(bào)第4大組第2小組13分支電容器不平衡保護(hù)L1相跳閘動(dòng)作；5642交流濾波器跳閘；5642開(kāi)關(guān)跳開(kāi)并鎖定；5632交流濾波器自動(dòng)投入替換成功。故障跳閘事件記錄見(jiàn)表2。

表2 交流濾波器故障跳閘事件記錄表

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

保護(hù)動(dòng)作跳閘后，運(yùn)維人員立即到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)5642小組濾波器電容器設(shè)備本體進(jìn)行全面檢查，電容器塔支柱絕緣子無(wú)放電、變形現(xiàn)象，單只電容無(wú)滲油、鼓包現(xiàn)象，電容器接頭無(wú)斷股、放電、松動(dòng)現(xiàn)象，設(shè)備本體未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)5642濾波器BP13分支電容器下方有1只受傷的雀鷹，雀鷹右爪及右翅有輕微電弧燒傷痕跡，測(cè)量其體長(zhǎng)約36 cm、展翅寬度約77 cm（見(jiàn)圖3）。初步分析為鳥(niǎo)害導(dǎo)致5642交流濾波L1相保護(hù)跳閘。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)的鳥(niǎo)類(lèi)

3.3 保護(hù)動(dòng)作分析

檢查分析5642小組交流濾波器不平衡保護(hù)內(nèi)置故障錄波，發(fā)現(xiàn)BP13分支L1相電容器不平衡電流達(dá)0.173 A，尾端電流127 A，Iqd=0.001 36，大于動(dòng)作定值（0.000 931）和啟動(dòng)定值（0.000 884 45）。故障值大于啟動(dòng)定值，同時(shí)大于動(dòng)作定值，保護(hù)啟動(dòng)、動(dòng)作正確。

檢查分析5642小組交流濾波器不平衡保護(hù)外置故障錄波，發(fā)現(xiàn)5642小組濾波器BP13分支L1相在保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻的不平衡電流同樣達(dá)到0.217 A，與內(nèi)置故障錄波值保持一致，確認(rèn)AFP1A、AFP1B的5642小組濾波器BP13分支L1相不平衡保護(hù)啟動(dòng)及動(dòng)作邏輯均正確。外置故障錄波如圖4所示。

圖4 5642交流濾波器外置故障錄波波形

3.4 故障處理情況

將5642交流濾波器組轉(zhuǎn)至檢修狀態(tài)，使用接地線(xiàn)對(duì)BP13分支L1相電容器逐層逐個(gè)多次放電后，檢修人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電容器的單體電容及4個(gè)橋臂電容進(jìn)行全面測(cè)量，并與上次檢修試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示單體電容數(shù)據(jù)均無(wú)異常，橋臂兩次測(cè)量的數(shù)值相差在±2%范圍內(nèi)。測(cè)量結(jié)果表明，電容器電容值正常，排除了電容器內(nèi)部故障擊穿放電的情況。橋臂電容值試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 電容器橋臂電容值測(cè)量結(jié)果

運(yùn)維人員對(duì)5642交流濾波器進(jìn)行全面檢查后，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在故障，確認(rèn)5642交流濾波器具備轉(zhuǎn)熱備用條件，當(dāng)日即申請(qǐng)調(diào)度將5642交流濾波器轉(zhuǎn)為熱備用。

3.5 故障原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備檢查情況，電容量測(cè)量結(jié)果正常，排除了電容器設(shè)備本體故障的可能性，實(shí)際測(cè)量5642交流濾波器層間電容器之間的最小距離為49 cm，電容器上表面與上層間構(gòu)架支撐最小距離為37 cm，見(jiàn)圖5。

圖5 電容器層間及電容器同構(gòu)架間的距離

特高壓換流站交流濾波器小組較常規(guī)換流站容量大，數(shù)量多，約占全站建設(shè)面積的1/4~1/3，在滿(mǎn)足安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)情況下，特高壓換流站建設(shè)既要做到節(jié)約用地，又要節(jié)約設(shè)備投資。濾波器場(chǎng)布置直接影響總平面布置面積，關(guān)系到工程投資、設(shè)備與人員安全、運(yùn)行維護(hù)等要素，其中電容器數(shù)量多，電容器塔高度較高，在保證高度和運(yùn)行安全的前提下，電容器層間距離被優(yōu)化設(shè)計(jì)至較小數(shù)值。正常運(yùn)行時(shí)，電容器層間電壓約30 kV，受傷雀鷹展翅寬度約77 cm，遠(yuǎn)大于層間電容器的絕緣間距，可以確定飛鳥(niǎo)降落至5642交流濾波器BP13分支L1相電容器構(gòu)架時(shí)，造成層間電容器絕緣擊穿放電，產(chǎn)生橋臂不平衡電流導(dǎo)致保護(hù)出口動(dòng)作，造成5642交流濾波器跳閘。

4 換流站其他3起鳥(niǎo)害情況

2019—2020年，該換流站又發(fā)生3次交流濾波器不平衡保護(hù)動(dòng)作跳閘事件，檢查結(jié)果均為鳥(niǎo)害導(dǎo)致。

（1）2019-09-12T05：18，5612交 流 濾 波 器BP13分支電容器不平衡保護(hù)L1相動(dòng)作，5612交流濾波器跳閘?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)1只長(zhǎng)度約33 cm、展翅寬度約70 cm的雀鷹，此次事件未造成電容器故障。

（2）2020-08-12T11：06，5612交 流 濾 波 器BP11分支電容器不平衡保護(hù)L1相動(dòng)作，5612交流濾波器跳閘。現(xiàn)場(chǎng)檢查在電容器塔上發(fā)現(xiàn)1只死亡雀鷹，在BP11分支第7層電容器頂部和第8層電容器底部發(fā)現(xiàn)放電痕跡，其中第7層的A3電容器頂部擊穿，有1個(gè)直徑3 mm左右的孔洞，電容器損壞。經(jīng)更換新的備品電容器后，恢復(fù)5612交流濾波器熱備用。鳥(niǎo)害情況見(jiàn)圖6。

圖6 5612交流濾波器鳥(niǎo)害情況

（3）2020-08-31T23：19，5642小組交流濾波器BP13分支電容器不平衡保護(hù)L1相動(dòng)作，5642開(kāi)關(guān)跳開(kāi)。檢查發(fā)現(xiàn)在BP13分支電容器從下向上第9層B8電容器的支撐鋼構(gòu)架的正下方橫梁上、第8層B8電容器器身上部外殼均發(fā)現(xiàn)1處電弧燒灼痕跡，但現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)受傷或死亡鳥(niǎo)類(lèi)。經(jīng)查看視頻錄像，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)刻該點(diǎn)位存在瞬時(shí)的電弧放電，分析確定為飛鳥(niǎo)降落時(shí)導(dǎo)致故障，此次故障未造成電容器故障。鳥(niǎo)害情況見(jiàn)圖7。

圖7 5642交流濾波器鳥(niǎo)害情況

該特高壓換流站交流濾波器電容器接線(xiàn)頭設(shè)計(jì)加裝了防鳥(niǎo)帽，同時(shí)在交流濾波器場(chǎng)加裝了20臺(tái)超聲波噪音驅(qū)鳥(niǎo)器，但結(jié)合運(yùn)行情況來(lái)看，防鳥(niǎo)效果欠佳。特高壓換流站比常規(guī)換流站的額定輸送功率更多，交流濾波器小組容量更大，一旦發(fā)生故障跳閘，容易引起交流電壓較大波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還可能造成直流功率回降甚至直流閉鎖[5]，所以防鳥(niǎo)害工作非常重要。

5 鳥(niǎo)害原因分析及建議措施

5.1 原因分析

由于內(nèi)蒙古地區(qū)多為大草原，地勢(shì)空曠，每年的7—9月為草木茂盛季節(jié)，鳥(niǎo)類(lèi)不論白天、夜晚均活動(dòng)頻繁，其中不乏雀鷹、夜鷺等中大型鳥(niǎo)類(lèi)。該換流站4次交流濾波器跳閘事件均發(fā)生在夏季，且均為中型鳥(niǎo)類(lèi)導(dǎo)致。結(jié)合特高壓換流站設(shè)備情況，鳥(niǎo)害發(fā)生的主要原因有以下幾個(gè)方面。

（1）鳥(niǎo)類(lèi)筑巢。特高壓換流站占地面積大，構(gòu)架設(shè)備多，地勢(shì)平坦，能夠吸引鳥(niǎo)類(lèi)筑巢，而筑巢的樹(shù)枝、鐵絲、雜草等則容易引起設(shè)備短路放電。

（2）鳥(niǎo)類(lèi)飛行?？?。由于特高壓換流站周?chē)菰鄙俑叽髽?shù)木，而站內(nèi)構(gòu)筑物較高，有利于鳥(niǎo)類(lèi)?？炕蚱痫w，體型較大的鳥(niǎo)類(lèi)在換流站附近飛行的過(guò)程中更傾向于停歇在站內(nèi)構(gòu)筑物上，造成帶電設(shè)備故障。

（3）鳥(niǎo)類(lèi)進(jìn)食。大型鳥(niǎo)類(lèi)捕到獵物后會(huì)在高處進(jìn)行進(jìn)食，其停留在電容器塔等設(shè)備進(jìn)食時(shí)，可能會(huì)造成設(shè)備間短路或?qū)ζ浞烹姟?/p>

（4）鳥(niǎo)糞影響。鳥(niǎo)的糞便較稀，導(dǎo)電性能良好，在鳥(niǎo)類(lèi)經(jīng)常停靠的地方，鳥(niǎo)糞滴落在絕緣子等設(shè)備上積累到一定程度后，在一定濕度條件下可能會(huì)引發(fā)閃絡(luò)放電[6]。

5.2 建議措施

目前，內(nèi)蒙古地區(qū)換流站、變電站和輸電線(xiàn)路采取的防鳥(niǎo)措施主要有主動(dòng)驅(qū)鳥(niǎo)裝置和被動(dòng)防鳥(niǎo)裝置兩大類(lèi)[7-16]，主動(dòng)驅(qū)鳥(niǎo)裝置主要有超聲波驅(qū)鳥(niǎo)器、紅外對(duì)射驅(qū)鳥(niǎo)器等；被動(dòng)防鳥(niǎo)裝置有防鳥(niǎo)針、防鳥(niǎo)板等。為降低鳥(niǎo)害發(fā)生率，根據(jù)換流站特點(diǎn)，建議采取以下防鳥(niǎo)措施。

（1）在桿塔合適位置安裝防鳥(niǎo)刺，在桿塔頂端安裝風(fēng)力驅(qū)鳥(niǎo)器等裝置，阻止鳥(niǎo)類(lèi)?？?；在構(gòu)架、構(gòu)筑物上安裝反光器、三維立體牌、鳥(niǎo)型反光裝置等驅(qū)鳥(niǎo)裝置，達(dá)到驚嚇鳥(niǎo)類(lèi)的目的；在交流濾波器圍欄和圍墻四周安裝太陽(yáng)能供電的超聲波驅(qū)鳥(niǎo)器，采用超聲波干擾方式驅(qū)鳥(niǎo)。

（2）在交流濾波器塔每層電容器四周設(shè)計(jì)加裝可拆卸的硬質(zhì)絕緣防護(hù)網(wǎng)，阻斷鳥(niǎo)類(lèi)降落電容器塔的路徑。

（3）對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行排查，對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)容易筑巢的構(gòu)架、孔洞等地方進(jìn)行封堵，降低鳥(niǎo)類(lèi)筑巢機(jī)會(huì)，減少站內(nèi)鳥(niǎo)類(lèi)數(shù)量。

（4）部分換流站采用具有良好絕緣、憎水、阻燃、散熱等性能的氟硅橡膠材料對(duì)交流濾波器進(jìn)行絕緣化改造后，防鳥(niǎo)害效果明顯。建議工程建設(shè)階段即對(duì)交流濾波器開(kāi)展絕緣化工作，在電容器外殼、構(gòu)架、等電位排和均壓環(huán)等金屬裸露部分進(jìn)行噴涂氟硅橡膠材料等絕緣材料，最大限度地增加交流濾波器電容器組絕緣強(qiáng)度。

（5）鳥(niǎo)類(lèi)活動(dòng)頻繁的季節(jié)，在夜間關(guān)閉帶電設(shè)備場(chǎng)區(qū)的照明燈具，降低鳥(niǎo)類(lèi)降落帶電設(shè)備的概率。

（6）根據(jù)實(shí)際情況，采用高音喇叭、電子鞭炮等方式適時(shí)開(kāi)展人工驅(qū)鳥(niǎo)。