一起直流融冰裝置過(guò)電壓故障分析

莫嚴(yán)君，蘇文艷，黃潤(rùn)清，吳振，朱遠(yuǎn)

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓變電公司，湖南 長(zhǎng)沙410004；2.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410004；3.長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410000；4.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南長(zhǎng)沙410129)

0 引言

冬季覆冰對(duì)架空輸電線(xiàn)路安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響[1]，直流融冰裝置以其融冰容量小、停電范圍小、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用，有效避免了冬季線(xiàn)路因覆冰出現(xiàn)的倒塔斷線(xiàn)[2－3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前湖南省區(qū)域內(nèi)有各種類(lèi)型的直流融冰裝置86套，江西省內(nèi)有23套、浙江省內(nèi)有14套[4－5]。2019年國(guó)家電網(wǎng)有限公司組織編制了三年融冰規(guī)劃，多套直流融冰裝置將陸續(xù)投入運(yùn)行[6]。

隨著越來(lái)越多的直流融冰裝置投入運(yùn)行，裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)工作量逐漸增大[4，7]，但目前多數(shù)變電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員對(duì)直流融冰裝置運(yùn)維知識(shí)點(diǎn)掌握不足，導(dǎo)致誤操作事故[8]。本文以一起直流融冰裝置誤操作故障作為案例進(jìn)行分析。

1 直流融冰裝置介紹

直流融冰原理是利用變電站低壓交流電壓作為電源，通過(guò)整流變壓器調(diào)壓和換流器整流，輸出直流電壓施加于待融冰線(xiàn)路之上，在線(xiàn)路末端三相短接，形成融冰回路，通過(guò)電流的熱效應(yīng)融化覆冰[9－10]。融冰時(shí)，融冰電流，采用直流融冰時(shí)電抗分量將不起作用，即X＝0。一般情況下，線(xiàn)路電抗分量X較電阻分量R大得多[11]，在同樣的融冰電流條件下，采用直流融冰所施加的電壓明顯小于交流融冰電壓，從而直流融冰電源容量明顯小于交流融冰。

直流融冰一方面減少了融冰所需要的系統(tǒng)容量，另一方面避免了交流融冰時(shí)需要進(jìn)行線(xiàn)路阻抗匹配和繁雜的倒閘操作[12]。因此220 kV及以上線(xiàn)路優(yōu)先采用直流方式進(jìn)行融冰[13]。直流融冰裝置除了可對(duì)線(xiàn)路開(kāi)展融冰，還可對(duì)其改造，達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康腫14－15]。

2 故障經(jīng)過(guò)

某220 kV變電站直流融冰裝置型號(hào)為HZRG25/12.5，由兩臺(tái)整流變壓器、不控型二極管12脈波整流器、串并聯(lián)刀閘、感應(yīng)電壓抑制部件、組合刀閘等構(gòu)成。采用變電站35 kV電源作為輸入電源，通過(guò)整流變壓器將35 kV電壓降壓引入不控型二極管12脈波整流器后，通過(guò)整流將交流變成直流，再經(jīng)組合刀閘將12脈波整流器輸出的正負(fù)極轉(zhuǎn)化為A、B、C三相后輸出到輸電線(xiàn)路，在輸電線(xiàn)路末端三相短接形成回路，進(jìn)行融冰?？蓪?duì)該站內(nèi)的3回220 kV線(xiàn)路和6回110 kV線(xiàn)路進(jìn)行融冰。

2020年1月13日，某變電站運(yùn)行人員對(duì)站內(nèi)35 kV交流融冰回路進(jìn)行空載沖擊，沖擊過(guò)程中發(fā)現(xiàn)合上454斷路器后后臺(tái)監(jiān)測(cè)35 kVⅣ母B相電壓降低至約13 kV，運(yùn)行人員立即拉開(kāi)454斷路器。

次日，檢修人員對(duì)交流融冰電纜進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜絕緣電阻低，約2 MΩ。檢查后發(fā)現(xiàn)，直流融冰室內(nèi)組合刀閘B相其中一副刀閘處于合位，拉開(kāi)刀閘后復(fù)測(cè)，電纜絕緣電阻正常。檢修人員接著對(duì)直流融冰裝置本體進(jìn)行檢查。該220 kV變電站融冰裝置一次接線(xiàn)如圖1所示，圖中加粗線(xiàn)條為交流充電沖擊通道，交流輸出與直流輸出在環(huán)網(wǎng)柜匯總，再通過(guò)兩組刀閘分別輸出至220 kV線(xiàn)路和110 kV線(xiàn)路，輸出部分通過(guò)組合刀閘與直流融冰部分隔離。現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)組合刀閘B相2022B處于合閘狀態(tài)，其他相以及串并聯(lián)刀閘均處于拉開(kāi)狀態(tài)。

圖1 某220 kV變電站融冰拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 故障分析

3.1 故障影響

故障造成B相母線(xiàn)電壓通過(guò)組合刀閘2022B直接接入到直流融冰裝置感應(yīng)電壓抑制部件負(fù)極和整流器負(fù)極，感應(yīng)電壓抑制部件內(nèi)部負(fù)極與正極通過(guò)阻容性元件連接，正極輸出后接至整流器正極；融冰裝置從內(nèi)部切換刀閘至組合刀閘部分全部帶電，454間隔線(xiàn)電壓為35 kV，B相對(duì)地電壓為20.2 kV，即電壓抑制部件和整流器承受了對(duì)地20.2 kV的交流電壓；感應(yīng)電壓抑制部件和整流器額定電壓按照10 kV絕緣設(shè)計(jì)，20.2 kV電壓施加時(shí)可能對(duì)整流器整流和測(cè)量回路造成影響。

3.2 故障排查

首先對(duì)感應(yīng)電壓抑制部件進(jìn)行外觀檢查和直流電阻、絕緣電阻測(cè)量，感應(yīng)電壓抑制部件外觀正常，絕緣電阻為50.7 GΩ，感應(yīng)電壓抑制部件正常。

之后對(duì)整流器進(jìn)行檢查，整流器內(nèi)部元器件(二極管、均壓電阻、阻容吸收回路、TV、TA)參數(shù)正常，整體對(duì)地絕緣電阻為326 MΩ。采用電壓電流發(fā)生器對(duì)TV和TA進(jìn)行了校核，TV校核最高電壓15 kV，測(cè)量及顯示正常，TA校核最大電流1 800 A，總電流和分電流測(cè)量和顯示均正常，整流器主體部分和二次部分正常。

故障時(shí)融冰裝置原理如圖2所示。圖中加粗線(xiàn)條為454斷路器合上后直接帶電的部位，454斷路器合上后電壓通過(guò)4543隔離開(kāi)關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜匯流母線(xiàn)組合刀閘2022B隔離開(kāi)關(guān)、負(fù)極銅排接入整流器負(fù)極套管，再通過(guò)整流器內(nèi)部均壓電阻等原件接至整流器交流側(cè)，在內(nèi)部切換刀閘2202和2102處被隔離。圖中虛線(xiàn)部分線(xiàn)條為454斷路器合上后通過(guò)感應(yīng)電壓抑制部件內(nèi)部元件連接而帶電的部位，即整流器正極與負(fù)極等電位。整流器本體對(duì)地采用環(huán)氧樹(shù)脂材料絕緣，但整流器輸入側(cè)每個(gè)整流橋?qū)Φ亟佑幸唤M避雷器，整流器TV采用差分電路接線(xiàn)，兩個(gè)測(cè)量臂中間接地，整流器中有避雷器和TV的測(cè)量電阻(主要為高壓臂)兩個(gè)較大功率接地點(diǎn)。其中高壓臂電阻值為3 MΩ，功率200 W，根據(jù)P＝U2/R計(jì)算可知，對(duì)地電壓為20 kV時(shí)電阻消耗功率為133W，在其額定功率之內(nèi)。檢查T(mén)V外觀及內(nèi)部電阻，不存在放電痕跡，且故障后測(cè)量電壓功能正常，初步排除高壓臂電阻接地導(dǎo)致電壓下降。

圖2 故障時(shí)融冰裝置原理圖

B相對(duì)地電壓約20 kV，整流器輸入側(cè)避雷器額定電壓5 kV，動(dòng)作電壓15～18 kV，動(dòng)作后殘壓值12 kV，估算泄漏電流約數(shù)百毫安，導(dǎo)致合閘后B相電壓由20 kV下降至殘壓，但因電流不大，未跳開(kāi)斷路器。根據(jù)合閘時(shí)B相電壓下降現(xiàn)象，初步判斷原因?yàn)榻涣麟妷杭釉谡髌魃蠒r(shí)，整流器內(nèi)部避雷器動(dòng)作，導(dǎo)致電壓降低。

因融冰裝置整體輸入側(cè)和輸出側(cè)均有避雷器保護(hù)，1月16日拆除整流器內(nèi)部避雷器對(duì)融冰裝置進(jìn)行整體空載試驗(yàn)，融冰裝置輸出電壓13.4 kV，運(yùn)行20 min，裝置正常，融冰裝置可正常輸出融冰電壓。

3.3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，完成檢修后裝置正常，后期對(duì)組合刀閘B相2022B隔離開(kāi)關(guān)更換了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但刀閘最后處于合閘狀態(tài)未拉開(kāi)。本次對(duì)交流回路進(jìn)行沖擊時(shí)，未對(duì)融冰室內(nèi)刀閘狀態(tài)進(jìn)行核實(shí)即送電，導(dǎo)致交流沖擊電壓通過(guò)2022B隔離開(kāi)關(guān)施加于直流融冰裝置輸出側(cè)，且電壓約20 kV，對(duì)于額定電壓僅10 kV的融冰裝置來(lái)說(shuō)，屬于典型的過(guò)電壓。融冰裝置在該電壓下持續(xù)數(shù)秒，如持續(xù)時(shí)間進(jìn)一步加長(zhǎng)，避雷器將可能因承受電流過(guò)大而發(fā)生爆炸。后期對(duì)避雷器進(jìn)行了拆除檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)避雷器閥片有燒蝕痕跡。

因取掉內(nèi)部避雷器暫不影響融冰功能，本次故障后對(duì)避雷器進(jìn)行了更換，同時(shí)提醒運(yùn)行人員嚴(yán)格防范類(lèi)似誤操作。

4 建議

為防止這種誤操作導(dǎo)致直流融冰裝置輸出側(cè)帶交流電的風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)融冰裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)。

送電前仔細(xì)檢查裝置狀態(tài)，同時(shí)建議對(duì)直流融冰裝置采用以下方式進(jìn)行改造:

1)對(duì)于已建融冰裝置，在組合刀閘和交流融冰隔離開(kāi)關(guān)之間設(shè)置電氣閉鎖，在組合刀閘任意一相處于合閘狀態(tài)時(shí)，交流融冰隔離開(kāi)關(guān)不能合上。

2)對(duì)于新建融冰裝置，輸出側(cè)由目前的一進(jìn)兩出環(huán)網(wǎng)柜改為兩進(jìn)兩出的環(huán)網(wǎng)柜，將交流和直流分開(kāi)接入融冰母線(xiàn)，并將環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的交流開(kāi)關(guān)和直流開(kāi)關(guān)設(shè)置閉鎖，兩個(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)合閘。

3)將組合刀閘位置信號(hào)、串并聯(lián)刀閘位置信號(hào)接入后臺(tái)輔控系統(tǒng)，便于觀察刀閘位置狀態(tài)。