一起串補裝置阻尼電阻壓力釋放故障原因分析及改進建議

摘要：結合500 kV某線線路串補裝置停電進行串補保護缺陷處理過程中發(fā)現平臺部分一次設備損壞，通過對一二次設備逆向思考、保護動作分析、波形比對、系統(tǒng)仿真等手段探究設備損壞原因，并進一步對照設備返廠解體情況，得出阻尼回路中的線性電阻片異常，導致串補裝置正常動作后，阻尼回路無法將電容器組的高幅值、高頻率放電電流限制到安全數值，造成線性電阻器壓力釋放，進而使得電容器組發(fā)生直接對地放電，串補平臺設備出現高電壓、大電流致使其他設備損壞。為避免同類故障再次發(fā)生，提出了預防措施和改進建議。

關鍵詞：線路相間跳閘；串補裝置；波形分析；線性電阻器；壓力釋放；預防措施

中圖分類號：TM863? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0069-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.018

0? ? 引言

串補技術即采用串聯電容補償裝置來補償線路的電抗，從而提高了輸電線路的運行穩(wěn)定極限和輸電能力、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是對傳統(tǒng)補償技術的完善和補充。串聯補償電容器是促進實現電力長距離、大容量、高效率傳輸的重要裝置[1]。近年來，由輸電線路復雜性故障原因造成的串補裝置及其附屬保護設備異?；蚬收现饾u增加。故有必要第一時間調閱每次串補保護動作后故障錄波文件，深入分析波形變化，這對及時發(fā)現設備存在的隱患有極大的作用，并能為采取有效的檢修策略提供依據。

1? ? 損壞設備概況

2021年12月29日，某公司檢修人員登上某500 kV串補裝置平臺處理A相串補保護缺陷，發(fā)現A相串補裝置平臺上阻尼回路的1只線性電阻器壓力釋放，GAP觸發(fā)箱用避雷器損壞、炸裂及其與脈沖電容器連接線斷裂，GAP觸發(fā)箱3支支柱絕緣子齊根斷裂，如圖1所示。

1.1? ? 阻尼裝置介紹

阻尼裝置用于限制GAP觸發(fā)或旁路開關合閘時引起的電容器組放電電流的幅值和頻率，以及提供對電容器組放電振蕩足夠的阻尼，確保電容器組、火花間隙、旁路斷路器的安全運行。阻尼裝置由阻尼電抗器和線性電阻器并聯組成。在線性電阻器支路中還串聯有一個限壓器，只有在強制GAP動作或旁路斷路器閉合時，限壓器才將線性電阻器接入回路[2]。電容器組通過阻尼裝置放電后，限壓器起阻斷作用，使線路故障電流只能流過阻尼電抗器。通過這種方式，阻尼回路的總損耗可以保持在較低水平。

其中線性電阻器由3個并聯電阻器元件組成。電阻器元件用無磁不銹鋼帶制成，用玻璃纖維加固。它們安裝在瓷外套筒內部，以垂直位置固定。線性電阻器技術參數如表1所示。

1.2? ? GAP及其觸發(fā)箱輔助設備介紹

GAP及其觸發(fā)箱與串補平臺電氣原理如圖2所示。損壞避雷器為圖中圈出的觸發(fā)箱避雷器。由于觸發(fā)箱需要與GAP等電位，因此觸發(fā)箱低壓側與GAP主間隙低壓側距離很近，而與平臺距離較遠。觸發(fā)箱與平臺之間的長連線存在一定的電感，當電容器通過GAP放電時，電流頻率較高，感抗較大，導致觸發(fā)箱與串補平臺之間會產生幅值很高的暫態(tài)過電壓，造成觸發(fā)箱內部擊穿放電。因此，需要加裝避雷器，限制過電壓，防止觸發(fā)箱元器件故障[3]。

2? ? 原因分析

根據現場設備損壞情況，運檢人員又詳細查看了串補裝置監(jiān)控報文信息，除“GAP通信中斷、發(fā)送數據不正?！备婢畔⑼猓窗l(fā)出其他任何異常信息。為查清設備損壞原因，檢修人員調閱了最近一次串補裝置火花間隙動作情況，即2021年12月8日對應線路間隔發(fā)生區(qū)內A、B兩相短路故障，串補裝置GAP動作，串補裝置正常旁路。根據故障錄波圖，A相與B相GAP電流相比發(fā)生了明顯的變化，且A相波形異常。因此，初步懷疑線路相間故障造成阻尼裝置異常，引起后續(xù)連鎖反應，導致設備損壞。具體保護動作情況和原因分析如下。

2.1? ? 保護動作情況及原因分析

2.1.1? ? 保護動作情況

從開關量錄波圖3中可看出，在線路發(fā)生A、B相相間故障后，串補控制保護裝置接收到“線路保護聯動串補”信號，保護動作后發(fā)觸發(fā)三相間隙和閉合三相旁路斷路器的命令。

從模擬量錄波圖4中可知，線路發(fā)生A、B相相間故障后，MOV正確動作，但因MOV電流未達到MOV過電流保護動作定值，故MOV過電流保護未動作。線路聯動串補保護動作后A、B相間隙正常觸發(fā)，三相旁路開關合閘。

2.1.2? ? 保護動作初步分析

1）“線路聯跳串補保護動作”分析：該保護動作判據為在串補裝置運行時，若線路保護裝置發(fā)來的聯動串補信號有效，則發(fā)合旁路開關和觸發(fā)GAP命令。從上述開關量和模擬量信息分析，在收到線路保護發(fā)來的聯動串補保護動作后A、B相間隙正常觸發(fā)，三相旁路開關合閘。保護動作情況與保護動作邏輯相符。

2）“MOV過電流保護動作”分析：該保護動作判據為若任一相MOV總電流大于定值（定值為16 000 A），并達到保護延時（時間）則發(fā)合旁路開關和觸發(fā)GAP命令。從MOV暫態(tài)電流錄波圖5可以看出，A、B相線路發(fā)生故障后雖然其電流峰值達到16 800 A，但約312 μs后就下降到15 972 A，未達到MOV過電流保護動作時延，故MOV過電流保護未動作，其行為正確。

3）“平臺閃絡保護動作”分析：該保護動作判據為若串補平臺上設備的絕緣損壞，大于定值（定值為16 000 A），并達到保護延時（時間）則發(fā)合旁路開關。從電容器放電暫態(tài)過程中平臺閃絡電流錄波圖6，可明顯看出A、B相平臺均有暫態(tài)過程，B相平臺電流瞬時消失，但A相平臺電流放電過程持續(xù)約470 μs，且放電頻率較高（2 500 Hz左右），由于平臺閃絡保護的動作延時為200 ms遠大于470 μs，故而平臺閃絡保護未動作，其行為正確。

從上述保護動作分析，發(fā)現A相串補平臺出現2 500 Hz左右的放電電流，與正常放電600 Hz左右存在明顯差異，A相平臺暫態(tài)過程可能是造成設備損壞的主要原因，故有必要進一步深入分析研判高頻放電電流，找出造成設備損壞的直接原因。

2.2? ? 高頻放電和設備損壞原因分析及仿真計算

2.2.1? ? 高頻放電和設備損壞原因分析

正常情況下，串補電容器組均通過阻尼裝置放電，其放電頻率范圍應在585～610 Hz。而A相平臺放電頻率在2 500 Hz左右，而高頻放電波形與電容器組直接放電電流頻率相近，判斷在本次線路故障聯動串補裝置后，阻尼裝置內部異常，導致電容器組發(fā)生直接短路故障，進而致使觸發(fā)箱避雷器及其支柱絕緣子損壞[4]。

2.2.2? ? 高頻放電仿真計算

為了進一步驗證阻尼裝置內部異常是否會出現上述高頻放電現象，通過搭建某線路串補的仿真模型，進行了仿真計算。假設1只阻尼電阻器損壞，壓力釋放。仿真結果基本再現故障波形及動作情況，間隙電流放電頻率在2 500 Hz左右，如圖7所示。

2.2.3? ? 阻尼電阻器解體情況

將A相阻尼電阻器返廠解體，發(fā)現壓力釋放的阻尼電阻器上端防爆膜密封圈局部燒損，密封圈均正常安裝在相應密封槽內，表面未見破損及缺陷，密封槽及密封面未見劃傷、銹蝕；氧化鋅電阻片無擊穿或閃絡現象；內部零部件齊全，氧化鋅電阻片柱側面、線性電阻片側面、絕緣桿、瓷套內壁均有不同程度電弧灼傷痕跡；芯體上部高壓電極并聯短接片局部燒斷，低壓電極并聯短接片受力變形[5]；自上而下第21號、第22號線性電阻片裂開，第22號線性電阻片上表面鋁電極中心有熔融現象。

3? ? 結論

綜合上述情況，可以判斷阻尼電阻器中線性電阻片可能存在單片缺陷、表面不平整、裝配不平整等原因，從而造成線性電阻片因通流不均炸裂，進而發(fā)展成內部貫穿放電導致內部元件燒損，造成阻尼電阻器壓力釋放，線路保護聯動串補保護動作，觸發(fā)GAP命令，導致電容器組直接短路放電；其次電容器直接短路放電過程中，電流頻率很高，造成觸發(fā)箱與平臺間的電壓成倍增加，導致避雷器擊穿；然后可能是高頻大電流放電過程中電動力拉伸致使支柱絕緣子齊根斷裂[6]。

4? ? 結束語

本文通過深入分析串補故障波形，推演了一起串補裝置阻尼電阻壓力釋放引起的串補裝置其他設備損壞過程，并通過仿真計算再現了故障波形及動作情況，驗證了理論分析結果。為避免類似設備故障再次發(fā)生，提出以下幾點建議：

1）增加線性電阻片表面平整度檢查環(huán)節(jié)，可有效增大線性電阻片之間的接觸面積；

2）線性電阻片組裝過程中確保每個線性電阻片的良好接觸，從而有效提高阻尼電阻器的通流能力；

3）串補新建或改造工程需明確阻尼電阻器的熱冗余配置方案；

4）在控保系統(tǒng)中增加阻尼電阻器等設備故障報警功能，對發(fā)現設備存在隱患有極大的作用，采取有效的檢修策略提供依據；

5）串補運行過程中如發(fā)生保護動作，應及時查看串補保護動作情況，深入分析波形是否出現異常，發(fā)現問題應及時與廠家溝通。

[參考文獻]

[1] 郭劍波，武守遠，李國富，等.甘肅成碧220 kV可控串補國產化示范工程研究[J].電網技術，2005，29（19）：12-17.

[2] 陳葛松，林集明，郭劍波，等.500 kV串補站過電壓保護研究[J].電網技術，2001，25（2）：21-24.

[3] 張孝波.串聯補償裝置過電壓與絕緣配合研究[D].武漢：華中科技大學，2013.

[4] 桑建平.氧化鋅壓敏電阻片沖擊大電流殘壓特性的研究[J].電瓷避雷器，2005（3）：32-35.

[5] 王俊平，王雅楠.伊馮串補裝置典型故障原因分析及處理措施[J].電力電容器與無功補償，2016，37（4）：31-36.

[6] 夏毅，姚文軍，趙淑珍，等.一起串聯補償電容器復雜故障的分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35（7）：91-96.

收稿日期：2024-03-05

作者簡介：董云奇（1988—），男，山西人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護。