陳 光,楊振國(guó),楊振家,王金笙,靳憲瑤

(1．東北電力設(shè)計(jì)院,長(zhǎng)春 130021;2．黑龍江省電力勘察設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150078;3．國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司培訓(xùn)中心,長(zhǎng)春 130062;4．大連電力勘察設(shè)計(jì)院有限公司,遼寧 大連 116011)

目前,高壓直流輸電是國(guó)內(nèi)電力輸送的一個(gè)重要方向。正常情況下,與其他高壓輸電線路一樣,接地極線路導(dǎo)線下方不影響人的一般生產(chǎn)耕作等活動(dòng)。接地極線路在單極大地回路運(yùn)行狀態(tài)下一旦發(fā)生導(dǎo)線脫落,將有幾千安培的電流通過(guò)導(dǎo)線脫落點(diǎn)流入大地,導(dǎo)致附近地面局部土壤溫度、地電位、跨步電壓及接觸電勢(shì)等主要指標(biāo)短時(shí)內(nèi)迅速升高,直接威脅到附近人畜的安全,所以除不可抗自然災(zāi)害因素外,應(yīng)避免任何其他因素導(dǎo)致的導(dǎo)線脫落。就接地極線路導(dǎo)線脫落事故來(lái)看,“葛上”直流工程兩端換流站接地極線路曾因絕緣子未加裝招弧角,在投運(yùn)初期,兩端都發(fā)生過(guò)雷擊脫落事故,類似的問(wèn)題在國(guó)外工程中也有發(fā)生,因此,在“天廣”及以后的直流工程中,接地極線路絕緣子均加裝招弧角。截至2010年,運(yùn)行中未再發(fā)生導(dǎo)線脫落事故[1]。但2010年國(guó)內(nèi)某條接地極線路卻發(fā)生了由于招弧角間隙問(wèn)題而引發(fā)的導(dǎo)線脫落事故。本文通過(guò)對(duì)該次事故的分析,結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)高壓直流絕緣間隙研究成果,明確了招弧角間隙的設(shè)計(jì)取值范圍,為招弧角設(shè)計(jì)取值范圍提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 接地極線路運(yùn)行情況

某接地極線路于2010年9月投入運(yùn)行,2012年7月 6日直流系統(tǒng)運(yùn)行方式為極Ⅰ直流系統(tǒng)處于檢修狀態(tài),極Ⅱ直流系統(tǒng)單極金屬回路運(yùn)行,直流系統(tǒng)電壓為 400 kV,接地極母線電壓 UDN為 25 kV。19∶17極Ⅱ直流系統(tǒng)在單極金屬回路轉(zhuǎn)單極大地回路操作金屬回路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(MRTB)后,運(yùn)行工作站(OWS)報(bào)接地極電阻監(jiān)視阻抗異常,UND由 25 kV降至3．1 kV,且接地電阻 REZ逐漸增大 ,到同日 20∶00,REZ增大至 160Ω不變?？紤]到安全及巡視能見(jiàn)度等問(wèn)題,7月7日在對(duì)接地極線路進(jìn)行巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)接地極線路 4號(hào)塔一側(cè)導(dǎo)線絕緣子炸裂(面向接地極址方向左側(cè)),導(dǎo)線脫落,地面發(fā)現(xiàn)絕緣子炸裂碎片,招弧角嚴(yán)重?zé)龘p。脫落導(dǎo)線周圍地面有燒灼痕跡。該接地極線路桿塔采用十字形設(shè)計(jì),導(dǎo)線采用2組 2分裂 LGJ-630/45鋼芯鋁絞線,水平布置,懸垂絕緣子串采用單、雙聯(lián) 160 kN直流盤(pán)型瓷絕緣子,每聯(lián)3片設(shè)計(jì)。懸垂及耐張絕緣子串均加裝招弧角。直流系統(tǒng)額定電壓為±500 kV,單極大地運(yùn)行方式下額定入地電流為 3000 A。

經(jīng)向運(yùn)行部門(mén)了解,7月 6日“接地電阻監(jiān)視阻抗異常”報(bào)警及事故發(fā)生前的 6月 28日及 7月 4日,電網(wǎng)運(yùn)行均有異常情況發(fā)生。在換流站操作過(guò)程中,均發(fā)生過(guò)接地極極線電流不平衡報(bào)警情況。

2 事故原因分析

在換流站站內(nèi)分別對(duì)上述每組極線分別加裝了自換流站面對(duì)接地極線路方向左側(cè)線路(IDEL1)及右側(cè)線路(IDEL2)兩個(gè)電流測(cè)量裝置。正常運(yùn)行時(shí),IDEL1和 IDEL2數(shù)值應(yīng)基本一致。

a．根據(jù)接地極線路不平衡保護(hù)原理,事故發(fā)生前 6月 28日 16：39及 7月 4日 14：23,從 2次 IDEL電流不平衡波形可以分析得出如下結(jié)論：2次電流不平衡出現(xiàn)時(shí),直流線路極Ⅰ停運(yùn),均出現(xiàn)在極Ⅱ線路由單極大地回路轉(zhuǎn)為單極金屬回路過(guò)程中,即發(fā)生在拉開(kāi)金屬回路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(MRTB)時(shí)段;從 2次大地回路轉(zhuǎn)金屬回路的UDN波形看,2次轉(zhuǎn)換過(guò)程中拉開(kāi) MRTB時(shí)的UDN都較大,即瞬時(shí)的操作過(guò)電壓超過(guò)了 110 kV。

b．6月 28日 06：23接地極線路故障 ,接地級(jí)線路電流不平衡告警,30 ms后復(fù)歸。經(jīng)運(yùn)行部門(mén)查看2套系統(tǒng)的雙極中性線差動(dòng)保護(hù)的差流基本為0,基本可以排除 IDEL1本身測(cè)量的故障,初步可以斷定IDEL1接地極極線上某處的絕緣被破壞或降低,導(dǎo)致 IDEL1電流增大,30 ms后不平衡報(bào)警消失說(shuō)明絕緣沒(méi)有完全被破壞。由于接地極線路是從換流站出發(fā),4根子導(dǎo)線最終通過(guò)線路,在接地極極址的224號(hào)中心塔全部連接在一起并入地與地面以下的接地極極環(huán)相連接。經(jīng)測(cè)試極址處入地的終端塔各分支線路以及接地極各分段的電流,極址處終端塔與接地極各段電氣連接正常,接地極接地電阻不大于 0．3Ω。

由此可以推斷,6月 28日 06：23極Ⅱ由金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路運(yùn)行過(guò)程中,IDEL1線路上就已經(jīng)存在某處絕緣故障點(diǎn),導(dǎo)致后續(xù)各次 IDEL1線路在大地回路與金屬回路互相轉(zhuǎn)換過(guò)程中,入地電流不是完全經(jīng)過(guò)接地極,而是經(jīng)過(guò)了線路中某處絕緣故障點(diǎn)對(duì)塔身放電進(jìn)而形成了新的沿塔身入地的泄流通道,因此,該處就是4號(hào)塔對(duì)應(yīng)于 IDEL1側(cè)的線路絕緣子金具串存在的絕緣故障。由于當(dāng)時(shí)并無(wú)大風(fēng)產(chǎn)生,根據(jù)接地極線路絕緣子串的特點(diǎn)可以斷定放電點(diǎn)為間隙較小的招弧角。極Ⅰ故障停運(yùn),極Ⅱ由金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路運(yùn)行過(guò)程中中性母線電壓UDN出現(xiàn)了接近 150 kV的瞬間操作過(guò)電壓,可以斷定,該幅值的操作過(guò)電壓直接導(dǎo)致 4號(hào)塔對(duì)應(yīng)于 IDEL1側(cè)絕緣子串招弧角間隙擊穿,但擊穿后并未形成持續(xù)的續(xù)流,很快自行熄弧,致使電流不平衡報(bào)警 30 ms后消失。

可以看出 ,6月 28日 16：39及 7月 4日 14：23,2次IDEL電流不平衡均是短時(shí)的,都在30 ms后由于IDEL1和IDEL2電流值基本一致并接近于0時(shí)結(jié)束報(bào)警,表示接地極線路由大地回路轉(zhuǎn)為金屬回路過(guò)程的結(jié)束,也意味著出現(xiàn)絕緣故障的 4號(hào)塔 IDEL1線路對(duì)塔身放電結(jié)束。

c．7月 6日 19：17：50到 19：17：51的 1 ms時(shí)間段之間,IDEL1電流明顯高于 IDEL2電流,之后兩者達(dá)到一致,到 19：17：56時(shí),IDEL1電流逐漸又高于 IDEL2,再經(jīng)過(guò) 50 ms延時(shí)后,19：19時(shí)不平衡電流報(bào)警,同時(shí)OWS報(bào)“接地極電阻監(jiān)視阻抗異?！眻?bào)警。到 7月 6日 20：00分 REZ增大至 160Ω不變。由此可以斷定,7月 6日 19：17：50導(dǎo)線已經(jīng)脫落。

6月29日,運(yùn)行部門(mén)對(duì)全線逐基桿塔進(jìn)行了巡視,未發(fā)現(xiàn)異常故障,隨后的 7月 4日 11：14極Ⅱ線路由單極金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路過(guò)程中,也并未出現(xiàn)異常報(bào)警,可以斷定尚未發(fā)生導(dǎo)線脫落事故。由于7月 4日14：23由單極大地回路轉(zhuǎn)為單極金屬回路操作直到 7月 6日 19：19,單極金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路操作期間無(wú)其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作,不具備事故發(fā)生的基本條件,而且 7月 4日 14：23至 7月 6日 19：19之間經(jīng)歷了 4日一下午以及 5日、6日兩個(gè)白天,如果導(dǎo)線脫落事故發(fā)生在此期間,接地極線路周圍活動(dòng)的常住居民理應(yīng)有足夠的時(shí)間發(fā)現(xiàn),但電力部門(mén)并沒(méi)有接到有關(guān)的報(bào)告,因此,可以判定導(dǎo)線脫落事故就發(fā)生在 7月 6日19：19單極金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路操作過(guò)程中。

d．接地極線路7月6日19：19導(dǎo)線脫落后到7月7日04：03期間,極Ⅱ一直處于單極大地回路運(yùn)行方式,極Ⅱ直流系統(tǒng)電流通過(guò)接地極極址處以及 4號(hào)塔落地導(dǎo)線處流入(出)大地,因此導(dǎo)線脫落處附近溫度迅速升高,導(dǎo)致導(dǎo)線落地點(diǎn)周圍草地被明顯灼燒。

e．按從上至下順序分別為第 1片、第 2片、第 3片,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)損壞的絕緣子及金具進(jìn)行研究分析可得出：3片絕緣子受到損壞的程度由大到小的順序是第 2片,第 1片,第 3片;第 1片絕緣子通過(guò)外部放電,使絕緣子鐵帽產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)g;第 3片絕緣子同樣通過(guò)外部放電,使絕緣子鋼腳的鋅套產(chǎn)生了燒蝕;第 2片因?yàn)槠湮恢锰幱谑軣嶙顕?yán)重的地方,頭部受損嚴(yán)重,致使電流通過(guò)絕緣子時(shí),沒(méi)有通過(guò)外部,而是通過(guò)頭部?jī)?nèi)部放電,使第 2片絕緣子水泥膠合劑受熱膨脹,絕緣子鐵帽發(fā)生爆裂。

f．接地極線路1號(hào)到10號(hào)桿塔型式及竣工驗(yàn)收時(shí)招弧角實(shí)際間隙見(jiàn)表1。從表1可以看出,接地極線路構(gòu)架附近的 4號(hào)塔招弧角間隙小是大幅值操作過(guò)電壓出現(xiàn)時(shí) 4號(hào)塔絕緣子招弧角間隙被擊穿的根本原因。由于轉(zhuǎn)角塔的招弧角間隙為水平布置,同等間隙值下,水平布置的招弧角比垂直布置的招弧角更容易拉斷電弧,因此雖然2號(hào)塔與4號(hào)塔的招弧角間隙基本相當(dāng),但 4號(hào)的垂直間隙布置形式相對(duì)而言更不利于熄弧。

表1 接地極線路構(gòu)架附近桿塔及招弧角間隙值(竣工)

g．從各次導(dǎo)致接地極線路電流不平衡的極線電流以及UDN波形來(lái)看,在接地極線路由單極金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路以及單極金屬回路轉(zhuǎn)換為單極大地回路的操作過(guò)程中均可能在接地極線路構(gòu)架出線端產(chǎn)生 100～ 150 kV的大幅值過(guò)電壓,該幅值電壓是導(dǎo)致線路出口附近 4號(hào)塔相對(duì)較小的招弧角間隙容易被擊穿的根本原因。 6月 28日 06：23的操作轉(zhuǎn)換狀態(tài)與 7月 6日 19：19事故時(shí)的操作轉(zhuǎn)換狀態(tài)均是由單極金屬回路轉(zhuǎn)為單極大地回路,均有2000 A以上的入地電流通過(guò),但 6月 28日 6：23的操作確沒(méi)有發(fā)生招弧角燃燒現(xiàn)象,主要原因應(yīng)是 7月 6日 19：19事故時(shí)小雨潮濕的天氣對(duì)招弧角自動(dòng)熄弧產(chǎn)生影響,致使招弧角擊穿后直流續(xù)流無(wú)法及時(shí)自動(dòng)拉斷,進(jìn)而引發(fā)招弧角燒蝕。

初步分析認(rèn)為,線路運(yùn)行幾年之后,導(dǎo)線及絕緣子串由于微風(fēng)振動(dòng)等因素導(dǎo)致招弧角松動(dòng),間隙變小,4號(hào)塔招弧角間隙事故前可能已經(jīng)遠(yuǎn)小于竣工驗(yàn)收時(shí)的間隙值。

4 相應(yīng)措施及建議

4．1 國(guó)內(nèi)外高壓直流絕緣間隙有關(guān)研究結(jié)論

導(dǎo)致接地極線路導(dǎo)線脫落的主要因素有 2個(gè)：其一是接地極線路由單極大地回線與單極金屬回線互相轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的100～ 150 kV不等的大幅值操作過(guò)電壓;其二是操作過(guò)電壓下被擊穿而形成了穩(wěn)定續(xù)流的招弧角。

國(guó)內(nèi)特高壓直流外絕緣實(shí)驗(yàn)給出了相應(yīng)的直流操作沖擊放電實(shí)驗(yàn)曲線(見(jiàn)圖1)。但該實(shí)驗(yàn)曲線采用的操作沖擊電壓幅值遠(yuǎn)高于 150 kV,且曲線為非線性曲線,無(wú)法外推,因此無(wú)法得到所需的最小間隙值(近似為“棒-棒” )。

圖1 高壓直流工程直線塔空氣間隙放電特性實(shí)驗(yàn)曲線組合(操作)

參照國(guó)外高壓直流工頻狀態(tài)空氣間隙擊穿特性的研究結(jié)果,“棒-棒”間隙(曲線 A)在正極性直流電壓下?lián)舸╇妷号c間隙距離之間呈線性關(guān)系,國(guó)外的試驗(yàn)電壓達(dá)到1600 kV,而國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)電壓最高達(dá)到 600 kV(見(jiàn)圖 2)。由圖 2可知,空氣間隙的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為“棒-棒”間隙 5．5 kV/cm。

中國(guó)電力科學(xué)研究院相關(guān)試驗(yàn)表明：正極性直流擊穿電壓也與空氣間隙距離呈線性關(guān)系,平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為 4．6 kV/cm;重慶大學(xué)相關(guān)研究結(jié)論表明：在間隙小于500 mm時(shí)的擊穿電壓與間隙距離為非線性關(guān)系,但間隙大于1．0 m時(shí)則為線性關(guān)系,正極性下的空氣間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)在4．5 kV/cm左右。

圖2 “棒-棒”空氣間隙的直流擊穿特性(工頻)

考慮到招弧角實(shí)際安裝的誤差,事故接地極線路設(shè)計(jì)招弧角間隙理論值為 200～ 300 mm。國(guó)內(nèi)多家設(shè)計(jì)過(guò)直流接地極線路的有關(guān)設(shè)計(jì)單位中,中南電力設(shè)計(jì)院采用 200 mm,西北電力設(shè)計(jì)院多采用400 mm,華東電力設(shè)計(jì)院多采用300 mm,東北電力設(shè)計(jì)院采用200 mm。本次事故前,國(guó)內(nèi)多年的接地極線路運(yùn)行記錄并沒(méi)有由于直流續(xù)流引起的招弧角燃燒的記錄。

4．2 相應(yīng)措施及建議

a．在直流系統(tǒng)中應(yīng)采取有效措施限制產(chǎn)生大幅值操作過(guò)電壓。發(fā)生導(dǎo)線脫落事故線路的設(shè)計(jì)單位,在直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)模擬中,該幅值的接地極線路操作過(guò)電壓是允許出現(xiàn)的,而且該電壓幅值是從換流站向接地極極址方向逐漸遞減的,該結(jié)論與文獻(xiàn) [1]中 10．2．8的“接地極線路出現(xiàn)的過(guò)電壓是很低的,不會(huì)超過(guò) 35 kV”條文解釋相悖。因此,對(duì)于是否應(yīng)采取措施有效限制大幅值操作過(guò)電壓還是修改接地極線路設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)提高絕緣水平尚有待于進(jìn)一步研究。

b．針對(duì)本次事故,招弧角間隙暫按最保守的4．5 kV/cm控制 ,150kV直流電壓對(duì)應(yīng) 330mm間隙值,同時(shí)為了保證可靠的防雷效果,招弧角的間隙同時(shí)應(yīng)小于0．85倍絕緣子有效串長(zhǎng),對(duì)應(yīng) 430 mm的最大間隙值,因此建議對(duì)接地極線路全線招弧角間隙進(jìn)行調(diào)整,由 200～ 300 mm增加至 350～430 mm,增加招弧角拉斷直流續(xù)流的能力,靠近換流站的桿塔招弧角間隙應(yīng)盡量增大。

對(duì)于0～ 150 kV幅值的接地極線路金屬回路與大地回路運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的操作過(guò)電壓的最小招弧角間隙值,需要相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步明確。對(duì)于國(guó)內(nèi)其他接地線路工程,建議應(yīng)與各直流系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)單位進(jìn)行核實(shí),明確操作過(guò)電壓的最大幅值,進(jìn)一步確定是否需要對(duì)招弧角間隙進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以有效避免此類事故的發(fā)生。同時(shí),招弧角安裝建議采用防松螺栓連接,最大限度避免由于導(dǎo)線振動(dòng)而引起的招弧角松動(dòng)所導(dǎo)致的招弧角間隙變小。運(yùn)行部門(mén)也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)招弧角間隙的檢查及維護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文獻(xiàn) [1]的 10．2．5條款對(duì)接地極線路招弧角的間隙取值僅做了“招弧角間隙應(yīng)大于直流續(xù)流電弧熄滅間隙,以保證斷開(kāi)直流續(xù)流”的寬泛規(guī)定。但由于直流續(xù)流的數(shù)值需要針對(duì)具體項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)才能得出,因此對(duì)于設(shè)計(jì)取值而言無(wú)法具體參照?qǐng)?zhí)行。目前國(guó)內(nèi)接地極線路招弧角間隙取值一般都采用經(jīng)驗(yàn)取值,因而未能避免本次導(dǎo)線脫落事故的發(fā)生。事故接地極線路招弧角間隙已按本文分析結(jié)果調(diào)整為350～430 mm,同時(shí)招弧角聯(lián)接螺栓全部更換為防松螺栓。在此后一年多運(yùn)行期間,運(yùn)行狀況良好,未發(fā)生極線電流不平衡報(bào)警。

[1]Q/DG1-D002— 2005,高壓直流輸電大地返回運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則 [S]．