周春陽(yáng)，王超，胡輝祥，袁海

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 廣州局，廣東 廣州510405)

天廣直流系統(tǒng)中性母線避雷器故障原因分析

周春陽(yáng)，王超，胡輝祥，袁海

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 廣州局，廣東 廣州510405)

結(jié)合故障錄波和保護(hù)動(dòng)作情況，對(duì)一起天廣直流線路故障引起的中性母線避雷器損壞原因進(jìn)行分析。計(jì)算得出通過(guò)避雷器的能量和避雷器承受的過(guò)電壓并沒(méi)有超過(guò)規(guī)定值。梅雨天氣使避雷器閥片受潮絕緣降低，故障過(guò)程中多次連續(xù)動(dòng)作導(dǎo)致絕緣無(wú)法恢復(fù)是避雷器損壞的主要原因。結(jié)合運(yùn)行實(shí)踐，建議將天廣直流重啟動(dòng)策略改為1次全壓重啟，去游離時(shí)間改為350 ms。實(shí)踐應(yīng)用表明，重啟策略優(yōu)化后減小了中性母線避雷器動(dòng)作和發(fā)生故障的概率。

故障錄波；中性母線避雷器；過(guò)電壓；重啟動(dòng)策略；改進(jìn)建議

天廣直流輸電工程直流額定電壓±500 kV，線路長(zhǎng)度965 km，雙極額定容量為1 800 MW。每極的換流閥采用12脈動(dòng)換流器接線。馬窩換流站正常情況作為整流站運(yùn)行，廣州換流站正常情況作為逆變站運(yùn)行。

直流避雷器具有非線性特性好，滅弧能力強(qiáng)，通流容量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐污性好等特點(diǎn)。中性母線避雷器是安裝于換流站中性母線上的一種直流避雷器，作用是保護(hù)中性母線和與其連接的電氣設(shè)備免受過(guò)電壓的損壞。雙極對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，中性母線的持續(xù)運(yùn)行電壓接近于零。但在單極金屬運(yùn)行方式下，整流站中性母線上存在一定的持續(xù)運(yùn)行電壓。

文獻(xiàn)[1]分析了一起普僑直流中性母線避雷器故障的原因，認(rèn)為線路接地故障導(dǎo)致直流電流突然增大，避雷器承受過(guò)電壓超過(guò)其保護(hù)水平而被擊穿。文獻(xiàn)[2]則對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中避雷器最大吸收能量進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出避雷器損壞的原因不是電氣能量過(guò)載，是個(gè)別閥片存在質(zhì)量缺陷造成。文獻(xiàn)[3]分析了中性母線過(guò)電壓保護(hù)存在的問(wèn)題，并提出了對(duì)應(yīng)的反事故措施。文獻(xiàn)[4]對(duì)天廣直流各種故障下中性母線過(guò)電壓情況進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為避雷器必須有足夠的流通容量。本文對(duì)天廣直流在單極金屬回線方式下，一起直流線路故障引起的中性母線避雷器損壞原因進(jìn)行分析，并結(jié)合故障錄波和保護(hù)動(dòng)作情況，提出了相應(yīng)的保護(hù)邏輯改進(jìn)建議。

1 運(yùn)行實(shí)例

2016年4月6日，天廣直流極1單極金屬回線方式運(yùn)行，極2在備用狀態(tài)。17：02直流線路距離整流站約100 km處發(fā)生雷擊，線路故障接地。極1直流保護(hù)的電壓突變量保護(hù)動(dòng)作、行波保護(hù)動(dòng)作，整流站3次重啟不成功導(dǎo)致極1緊急停運(yùn)(emergency switch off，ESOF)。20：04逆變站作為主控站，復(fù)電后在進(jìn)行功率調(diào)整過(guò)程中，整流站極1中性母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，整流站極1退至備用狀態(tài)，逆變站極1退至閉鎖狀態(tài)。保護(hù)詳細(xì)動(dòng)作情況見(jiàn)表1。

E1、E2、E3、E4、F1、F2、F3、F4、F5為避雷器；V1、V2、V3、V4為晶閘管；C1、C2為電容器；L1、L2為電抗器；R1為電阻；IDH為直流高壓母線電流，IDL為直流線路電流，IDN為中性母線電流，IDE為接地極線路電流；UDL為直流線路電壓，UDN為中性母線電壓。圖1 整流站極1避雷器配置

表1 直流保護(hù)動(dòng)作情況(2016-04-06)

時(shí)刻保護(hù)動(dòng)作情況動(dòng)作后果17：02：20567整流站與逆變站電壓突變量保護(hù)動(dòng)作、行波保護(hù)動(dòng)作極1換流器移相，直流線路全壓重啟17：02：20914整流站線路低電壓保護(hù)動(dòng)作線路保護(hù)第1次請(qǐng)求降壓運(yùn)行(80%額定電壓)，極1換流器移相17：02：21260整流站線路低電壓保護(hù)動(dòng)作線路保護(hù)第2次請(qǐng)求降壓運(yùn)行(70%額定電壓)，極1換流器移相17：02：21612整流站線路低電壓保護(hù)動(dòng)作極1ESOF20：04：32143整流站中性母線差動(dòng)保護(hù)(87LV)動(dòng)作極1ESOF

2 整流站中性母線避雷器配置

在單極金屬運(yùn)行方式下，整流站中性母線電壓大小等于金屬回線的電阻與流過(guò)中性母線的電流之積[5]。當(dāng)直流線路發(fā)生接地故障時(shí)，中性母線上產(chǎn)生過(guò)電壓，并通過(guò)較大的故障電流，中性母線避雷器將承受很大能量沖擊。當(dāng)直流線路因雷擊發(fā)生故障時(shí)，中性母線避雷器上承受的過(guò)電壓為操作型沖擊電壓和雷電型沖擊電壓[6-7]。通常要在中性母線上安裝多只避雷器，其中一只承受操作沖擊的電流和能量，另外幾只承受雷電沖擊過(guò)電壓的能量[8]。

整流站極1的避雷器配置如圖1所示，其中E1、E2、E3、E4為中性母線避雷器。該避雷器是西門(mén)子公司生產(chǎn)的氧化鋅避雷器，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2[9]。在中性母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后，整流站運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)中性母線避雷器E2動(dòng)作8次，E3、E4動(dòng)作1次，E1未動(dòng)作。紅外測(cè)溫顯示E2避雷器溫度為36 ℃，另外3只中性母線避雷器溫度約為30 ℃。

表2 中性母線避雷器參數(shù)

型號(hào)額定電壓/kV參考電流/mA參考電壓/kV3EP3052?7DZ5220>74雷電過(guò)壓保護(hù)水平操作過(guò)壓保護(hù)水平單只通流容量/MJ最大峰值持續(xù)運(yùn)行電壓/kV115kV/15kA99kV/2kA2650(直流)

3 故障錄波分析

如圖1所示，IDH、IDL、IDN、IDE分別為對(duì)應(yīng)位置測(cè)量的直流電流，UDL、UDN為對(duì)應(yīng)位置測(cè)量的直流電壓。直流線路發(fā)生故障時(shí)錄波如圖2所示，直流電壓UDL由-480 V經(jīng)過(guò)暫態(tài)振蕩降低到0 V，UDN由20 kV突然升高到90 kV并持續(xù)約8 ms，然后逐漸減小到0 V。IDN和IDH變化趨勢(shì)相同，由1 200 A快速增大到4 300 A再減小到0 A。IDE的變化趨勢(shì)與IDN完全不同，電流沒(méi)有突然增大。

圖2 直流線路故障錄波

第一次故障后全壓重啟錄波如圖3所示，直流電壓UDL由0 V全壓重啟，升高到-500 kV左右，由于線路接地故障仍然存在，直流電壓再次降低到0 V，線路低電壓保護(hù)動(dòng)作。此過(guò)程中UDN伴隨著UDL的升高也升高到85 kV左右，僅維持了4 ms就振蕩衰減至0 V。

圖3 全壓重啟錄波

降壓至80%額定電壓?jiǎn)?dòng)錄波如圖4所示，直流電壓UDL由0 V降壓重啟，升高到-400 V后快速減小到0 V。此過(guò)程中UDN伴隨著UDL的升高也升高到80 V左右，沒(méi)有保持就振蕩衰減到0 V。IDE的變化趨勢(shì)與IDN不同，而且出現(xiàn)了兩次負(fù)峰值脈沖和一次正峰值脈沖。

圖4 降壓至80%額定電壓?jiǎn)?dòng)錄波

降壓至70%額定電壓?jiǎn)?dòng)錄波如圖5所示，直流電壓UDL由0 V降壓重啟，升高到-350V后振蕩減小。此過(guò)程中UDN三次升高到50 V左右，然后快速衰減到0 V。IDE出現(xiàn)了三次負(fù)峰值脈沖，其中兩次達(dá)到了6 000 A左右。根據(jù)IDE錄波可知在UDN電壓升高到50 V左右避雷器就發(fā)生了擊穿性放電，避雷器對(duì)地絕緣已經(jīng)發(fā)生了損壞。

圖5 降壓至70%額定電壓?jiǎn)?dòng)錄波

功率調(diào)整過(guò)程錄波如圖6所示，逆變站將直流功率由300 MW調(diào)整到360 MW過(guò)程中，IDE出現(xiàn)了兩次脈沖峰值電流，對(duì)應(yīng)時(shí)刻UDN電壓快速跌落到0 V，中性母線上也出現(xiàn)差動(dòng)電流，但是僅為瞬時(shí)脈沖。直流功率調(diào)整失敗后電流恢復(fù)到900 A左右，但是420 ms后UDN電壓多次跌落到0 V，中性母線差動(dòng)電流也出現(xiàn)多次峰值脈沖。此刻UDN的電壓僅為20 kV左右，低于避雷器的標(biāo)稱電壓，避雷器是不應(yīng)該動(dòng)作的，說(shuō)明避雷器的對(duì)地絕緣已經(jīng)發(fā)生損壞。隨后UDN穩(wěn)定為0 V，中性母線差動(dòng)電流逐漸增大，升高到671 A時(shí)，中性母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

圖6 功率調(diào)整過(guò)程錄波

逆變站中性母線差動(dòng)動(dòng)作時(shí)刻高速接地?cái)嗦菲?high speed ground switch，HSGS)流過(guò)電流錄波如圖7所示，整流站中性母線差動(dòng)電流基本等于逆變站流過(guò)HSGS的電流。金屬回線方式運(yùn)行下，整流側(cè)中性母線避雷器E2如果被擊穿直接接地，與逆變側(cè)高速接地?cái)嗦菲餍纬苫芈?，將分流金屬返回線上的電流。

圖7 HSGS電流錄波

4 保護(hù)動(dòng)作情況分析

4.1 直流線路行波保護(hù)

直流線路行波保護(hù)具有超高速動(dòng)作的特性，而且利用行波折反射的特點(diǎn)可以精確地計(jì)算出故障距離[10]。當(dāng)直流線路發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，行波保護(hù)動(dòng)作將啟動(dòng)直流線路故障重啟邏輯。整流站行波保護(hù)動(dòng)作需要同時(shí)滿足以下定值判據(jù)：a)線模電壓幅度定值大于290 kV；b)零模電壓幅度定值大于390 kV；c)零模電壓突變定值大于560 kV/ms；d)線模電壓突變定值大于420 kV/ms。判據(jù)滿足后行波保護(hù)無(wú)延時(shí)動(dòng)作。根據(jù)故障錄波可知，線路發(fā)生故障時(shí)以上條件均滿足，行波保護(hù)正確動(dòng)作。

4.2 突變量保護(hù)

突變量保護(hù)作為直流線路主保護(hù)，主要反映金屬性接地故障[11]。整流站突變量保護(hù)動(dòng)作需同時(shí)滿足以下定值判據(jù)：a)du/dt>580 kV/ms，其中du/dt為直流線路電壓突變量；b)UDL<290 kV。判據(jù)滿足后突變量保護(hù)經(jīng)40 ms延時(shí)后動(dòng)作，動(dòng)作后也將啟動(dòng)直流線路故障重啟邏輯。根據(jù)故障錄波可知，線路發(fā)生故障時(shí)以上判據(jù)均滿足，突變量保護(hù)正確動(dòng)作。

4.3 故障重啟

整流站和逆變站的行波保護(hù)和突變量保護(hù)同時(shí)檢測(cè)到線路故障，動(dòng)作后啟動(dòng)第一次線路全壓重啟。如果線路重啟后故障仍然存在，整流站的線路低電壓保護(hù)將動(dòng)作，啟動(dòng)第二、第三次線路降壓重啟，第三次線路重啟不成功后整流站發(fā)出ESOF命令。為了避免低電壓保護(hù)誤動(dòng)，在換流器移相過(guò)程中會(huì)將低電壓保護(hù)閉鎖。

4.4 中性母線差動(dòng)保護(hù)

4.5 中性母線過(guò)壓保護(hù)

第一次故障時(shí)中性母線電壓UDN達(dá)到91 kV，超過(guò)了動(dòng)作定值80 kV，但是持續(xù)時(shí)間僅為8 ms，小于最小延時(shí)40 ms，故沒(méi)有動(dòng)作。隨后三次故障重啟和調(diào)整功率的過(guò)程中，中性母線電壓UDN均低于第一次故障時(shí)的電壓，且持續(xù)時(shí)間更短，故該保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作是正確的。

5 避雷器故障原因

在單極金屬回線方式下，整流站沒(méi)有接地點(diǎn)，直流系統(tǒng)通過(guò)逆變站內(nèi)的HSGS接地。當(dāng)極1直流線路發(fā)生接地故障的暫態(tài)過(guò)程中，整流站的中性母線上將產(chǎn)生過(guò)電壓，并通過(guò)較大的故障電流。此過(guò)程中，避雷器將承受過(guò)電壓和電氣能量[12]。根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)可統(tǒng)計(jì)出各次故障中避雷器承受過(guò)電壓及通過(guò)故障電流見(jiàn)表3。過(guò)電壓最大值91.36 kV，沒(méi)有超過(guò)其操作過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓保護(hù)水平，且持續(xù)時(shí)間很短。通過(guò)避雷器的能量

(1)

式中：n為采樣數(shù)據(jù)總數(shù)；UDNi為第i次采樣中性母線電壓；IDNi為第i次采樣中性母線電流；IDEi為第i次采樣接地極線路電流；Δti為第i次采樣時(shí)間。

第一次故障時(shí)通過(guò)避雷器的能量最大，根據(jù)式(1)可計(jì)算出通過(guò)能量為2.54 MJ，且該能量由4只避雷器共同承擔(dān)，并沒(méi)有超過(guò)其單只通流能量水平，避雷器是不應(yīng)該損壞的。

表3 避雷器承受過(guò)電壓及故障電流

狀態(tài)UDN幅值/kV過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間/ms通過(guò)避雷器電流峰值/kA直流線路故障91368028全壓重啟87904037降壓至80%額定電壓重啟81400238降壓至70%額定電壓重啟64600460功率調(diào)整43600367

極1中性母線避雷器E2在直流線路故障重啟過(guò)程中多次動(dòng)作并釋放能量。該避雷器已運(yùn)行近15年，避雷器故障發(fā)生前最近一次對(duì)避雷器開(kāi)展的1 mA直流參考電壓U1 mA與0.75倍U1 mA下泄漏電流試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 極1中性母線避雷器預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果

避雷器U1mA/kV出廠值實(shí)測(cè)值U1mA誤差/%泄漏電流/μA出廠值實(shí)測(cè)值E1725738179156170E2721746347145269E3719728125137154E4723732124142163

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比可知，E2避雷器的U1 mA和泄漏電流與出廠值相比偏差較大，說(shuō)明避雷器電阻片存在一定程度的受潮。但由于未超出規(guī)程規(guī)定值，沒(méi)有進(jìn)行更換。故障發(fā)生時(shí)為梅雨季節(jié)，多日下雨使避雷器閥片受潮的程度惡化，導(dǎo)致了避雷器內(nèi)部絕緣降低。

避雷器短時(shí)間內(nèi)多次動(dòng)作導(dǎo)致絕緣無(wú)法恢復(fù)，在直流功率調(diào)整過(guò)程中發(fā)生對(duì)地完全擊穿，避雷器上流過(guò)入地電流，直流濾波器的作用使該電流持續(xù)增大，最終中性母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

6 線路故障重啟策略優(yōu)化

直流線路重啟動(dòng)主要用于線路瞬時(shí)故障后快速恢復(fù)送電，類似于交流線路的重合閘功能。不同直流線路故障重啟策略見(jiàn)表5，通過(guò)對(duì)比可知只有天廣直流為3次故障重啟，其他直流線路均為1次故障重啟；天廣直流去游離時(shí)間為250 ms，其他直流線路去游離時(shí)間為350 ms。

表5 不同直流線路故障重啟策略

線路重啟動(dòng)策略去游離時(shí)間/ms天廣直流3次故障重啟250興安直流1次全壓重啟350高肇直流1次70%降壓重啟350牛從直流1次全壓重啟350

天廣直流自2008年至今共發(fā)生直流線路故障42次，其中78%為全壓重啟成功，12%為第一次降壓重啟成功，10%為重啟不成功，第二次降壓重啟成功的情況從沒(méi)有發(fā)生過(guò)。最初確定天廣直流的重啟邏輯是考慮當(dāng)時(shí)天廣直流輸送功率占所有負(fù)荷比重大，發(fā)生故障后應(yīng)盡可能恢復(fù)其正常運(yùn)行。當(dāng)今電網(wǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生很大變化，廣東境內(nèi)已有7條直流線路送電，天廣直流短時(shí)間停運(yùn)對(duì)負(fù)荷的影響已經(jīng)明顯減小?？紤]上述情況，提出了將天廣直流重啟動(dòng)策略改為1次全壓重啟，去游離時(shí)間改為350 ms。該建議經(jīng)過(guò)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證后已經(jīng)被采納，通過(guò)對(duì)天廣直流的控制保護(hù)邏輯修改，實(shí)現(xiàn)了直流線路故障后僅進(jìn)行1次全壓重啟的控制邏輯。天廣直流重啟策略的優(yōu)化，在遇到永久性故障時(shí)可以減小對(duì)直流系統(tǒng)的沖擊，避免頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致中性母線上多次產(chǎn)生故障電流和過(guò)電壓，從而減小了避雷器動(dòng)作和故障的概率。

7 結(jié)束語(yǔ)

整流站避雷器故障被擊穿的原因是避雷器絕緣老化，線路故障及重啟動(dòng)過(guò)程中性母線承受過(guò)電壓，通過(guò)較大的故障電流，避雷器短時(shí)間內(nèi)多次動(dòng)作導(dǎo)致絕緣無(wú)法恢復(fù)，在直流功率調(diào)整過(guò)程中被徹底擊穿，發(fā)生接地故障。但是該過(guò)程中避雷器承受的過(guò)電壓沒(méi)有超過(guò)其操作過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓保護(hù)水平，通過(guò)的能量也沒(méi)有超過(guò)其單只通流能量。

結(jié)合運(yùn)行實(shí)踐，對(duì)比其他直流線路重啟策略，提出將天廣直流重啟動(dòng)策略改為1次全壓重啟，去游離時(shí)間改為350 ms的建議。該建議的實(shí)踐應(yīng)用減小了中性母線避雷器動(dòng)作和發(fā)生故障的概率。

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(編輯 彭艷)

Research Analysis on Neutral-bus Arrester Fault of Tian-Guang HVDC System

ZHOU Chunyang, WANG Chao, HU Huixiang, YUAN Hai

(Guangzhou Bureau, CSG EHV Power Transmission Company, Guangzhou, Guangdong 510405, China)

Combining with fault wave recording and protection action, this paperanalyzes reasons for one case of damage of neutral-bus arrester caused by fault of Tian-Guang HVDC transmission lines. By calculation, it draws a conclusion that energy and over voltage of the arrester does not exceed the specified value. Main reasons for damage of the arrester are insulation dropping of the damped arrester valve caused by rainy weather and several continuousaction in failure process of the arrester which causes insulation fault. Combining with operational practice, it suggests to change restart strategy for Tian-Guang HVDC system into once full voltage restart and free-off time into 350 ms. Optimization for restart strategy has reduced probability of action and fault of the neutral-bus arrester.

fault wave recording;neutral-bus arrester; over voltage; restart strategy; improvement suggestion

2016-06-02

2016-09-01

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.014

TM721

B

1007-290X(2016)12-0074-06

周春陽(yáng)(1985)，男，河南南陽(yáng)人。工程師，工學(xué)碩士，從事直流輸電運(yùn)行維護(hù)工作。

王超(1979)，男，廣東廣州人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，從事高壓直流輸電運(yùn)行維護(hù)工作。

胡輝祥(1984)，男，廣東江門(mén)人。工程師，工學(xué)學(xué)士，從事直流輸電運(yùn)行維護(hù)工作。