盧文浩，黃大為

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣州510663）

0 事故概況

2016年4月6日17時02分，±500 kV天廣直流輸電工程天生橋換流站極1三套直流線路行波保護和電壓突變量保護動作，直流系統(tǒng)經(jīng)3次重啟不成功后閉鎖。閉鎖前直流運行方式為極1單極金屬回線運行，輸送功率600 MW。19時48分，天廣直流極1采用單極金屬回線方式強送成功，恢復(fù)送電功率至300 MW。隨后在20時04分執(zhí)行功率由300 MW至600 MW調(diào)整時，天生橋站三套中性母線差動保護動作，極1轉(zhuǎn)為閉鎖。

故障后現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，天生橋換流站極1中性母線F2避雷器動作8次，紅外測溫為35.9℃，其余避雷器為30℃左右，絕緣電阻測試結(jié)果為0。在單極金屬回線運行方式下，天生橋換流站極1中性母線共配置相同參數(shù)的避雷器6臺。故障避雷器銘牌參數(shù)如表1所示。

±500 kV天廣直流輸電工程起點位于廣西隆林縣天生橋鎮(zhèn)，直流落點為廣東省廣州市北郊，線路總長963 km，直流額定電壓±500 kV，直流輸電功率1800 MW，工程于2001年6年雙極投運。

表1 故障避雷器銘牌參數(shù)Table 1 Nameplate parameters of the damaged surge arrester

1 解體分析

事故后，對發(fā)生故障的極1中性母線F2避雷器進行解體，解體情況如下：

1）避雷器兩端壓力釋放裝置（防爆膜）受沖擊已鼓起，但未發(fā)生破裂，如圖1所示。

圖1 避雷器防爆膜示意圖Fig.1 Diagram of pressure release plate of surge arrester

2）密封圈表面光潔，與壓緊板的壓痕均勻，無明顯水漬痕跡；與密封圈接觸的定位板、彈簧亦無明顯水漬痕跡，未見銹斑，如圖2所示。

3）避雷器芯體為4柱電阻片并聯(lián)，每柱由18片電阻片串聯(lián)組成。其中兩柱電阻片和靠近這兩柱的瓷套內(nèi)壁有明顯的電弧閃絡(luò)痕跡，表明避雷器內(nèi)部電阻片沿面產(chǎn)生貫穿性電弧，如圖3所示。

4）所有電阻片表面存在不同程度的燒蝕痕跡，但無明顯大面積崩裂、穿孔現(xiàn)象。對電阻片進行逐一檢查發(fā)現(xiàn)，表面燒蝕嚴(yán)重的電阻片柱頂部第2片電阻片發(fā)生擊穿開裂，如圖3所示。

圖2 避雷器密封裝置示意圖Fig.2 Diagram of sealing device of surge arrester

圖3 避雷器內(nèi)部電弧痕跡Fig.3 Internal arc trace of surge arrester

圖4 電阻片發(fā)生擊穿開裂Fig.4 Chip cracking of varistors

綜合上述解體現(xiàn)象，可排除避雷器內(nèi)部受潮，初步分析避雷器故障原因為：其中一個電阻片由于熱崩潰發(fā)生擊穿，隨后該電阻片表面發(fā)生放電，產(chǎn)生電弧，電弧發(fā)展導(dǎo)致整柱電阻片表面閃絡(luò)。閃絡(luò)產(chǎn)生的能量致使避雷器壓力釋放裝置動作，上下部防爆膜出現(xiàn)變形。

2 故障原因分析

2.1 故障過程

查看天生橋換流站極1中性母線電壓錄波圖，可將本次故障分為兩個階段：

首先是直流線路遭受雷擊，馬窩站極1行波保護和電壓突變量保護動作，經(jīng)3次重啟不成功后閉鎖。極1中性母線電壓如圖5所示，中性母線在重啟過程中存在4次明顯過電壓，在后兩次重啟均有電壓突變，如圖5紅圈所示，放大見圖6。從中性母線電壓突變可知該階段中性母線F2避雷器已經(jīng)損壞或存在缺陷，但未完全擊穿導(dǎo)通。該階段中性母線避雷器有明顯的能量累積，最大過電壓91.8 kV，低于其操作保護水平99 kV。

圖5 中性母線過電壓錄波圖（階段一）Fig.5 Overvoltage oscillograph of neutral bus（stage one）

圖6 電壓突變處放大圖Fig.6 Zoom out of voltage mutation

第二階段是天廣直流以極1單極金屬回線方式恢復(fù)送電后，在執(zhí)行功率由300 MW至600 MW調(diào)整時，天生橋站三套中性母線差動保護動作，極1轉(zhuǎn)為閉鎖。由于上階段中性母線F2避雷器內(nèi)部已存在缺陷，在功率調(diào)整過程中擊穿損壞，中性母線電壓波形見圖7。本階段中性母線最大過電壓46 kV，避雷器無明顯能量累積。

圖7 中性母線過電壓錄波圖（階段二）Fig.7 Overvoltage oscillograph of neutral bus（stage two）

2.2 避雷器能量校核

由故障過程分析可知，故障避雷器只在第一階段有能量累積，可通過錄波文件計算故障避雷器吸收能量，計算方法如下：

1）流過中性母線全部6臺避雷器的電流Ie，可由極1閥組低壓端中性母線電流傳感器IdN電流錄波與另一極母線線路側(cè)電流傳感器IdL_op電流錄波相減可到，即Ie=IdN-IdL_op。IdN和IdL_op電流錄波如圖8所示。

圖8 IdN和IdL_op電流錄波圖（階段一）Fig.8 Current oscillograph of IdN and IdL_op(stage one)

2）將Ie與中性母線電壓Udn（如圖5所示）的乘積求積分，可計算故障過程全部6臺避雷器吸收總能量，除以總臺數(shù)6，可計算得到單臺避雷器吸收能量E，即

以上計算結(jié)果基于每臺避雷器吸收能量完全相同的假設(shè)，計算可得單臺避雷器吸收能量為0.53 MJ。

2.3 避雷器特性差異分析

天生橋站在金屬回線運行方式下共接入避雷器6臺，每臺內(nèi)并聯(lián)4柱電阻片，共24柱。對均流特性要求高，避雷器之間的伏安特性差異可能導(dǎo)致能量分配不均，使特性低的避雷器吸收過多能量老化加速，甚至發(fā)生熱崩潰[1-12]。

梳理故障前天生橋站中性母線避雷器直流參考電壓測試數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 避雷器直流參考電壓測試數(shù)據(jù)Table 2 Test results of DC reference voltage

由表2可以看出，本次避雷器故障前1 mA直流參考電壓明顯低于該極其它避雷器，最大偏差達2.5 kV，而極2中性母線避雷器1 mA直流參考電壓最大偏差為0.3 kV。

結(jié)合解體現(xiàn)象，初步分析避雷器故障前直流參考電壓偏低的原因為其中一個電阻片存在缺陷或者已經(jīng)失效。

2.4 仿真分析

為驗證避雷器的吸收能量和特性差異對均流特性的影響，利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMT?DC，仿真分析中性母線避雷器能量和放電電流。

2.4.1 避雷器吸收能量

仿真計算直流線路首端、中點和末端處發(fā)生人工接地故障時，中性母線避雷器單臺吸收的能量。運行方式為單極金屬回線，直流輸送功率分別考慮600MW、900MW，仿真結(jié)果如表3所示。仿真波形見圖9。

表3 直流線路不同位置發(fā)生接地故障時中性母線避雷器吸收能量Table 3 Energy absorption of arrester in line fault happened indifferent parts of DC transmission line

圖9 避雷器能量與放電電流仿真波形Fig.9 Simulation waveform of energy and discharge current

從表3的計算結(jié)果可以看出，直流線路接地故障不是考核中性母線避雷器的最嚴(yán)苛工況，避雷器的電壓和能量應(yīng)力較小，均低于其額定參數(shù)。當(dāng)直流線路發(fā)生接地故障時，中性母線避雷器吸收能量隨著故障點與整流站距離的增大而減小，隨著輸送功率的增大而增大。

當(dāng)輸送功率為600 MW、接地故障點位于整流站線路出口處和中點處時，避雷器吸收能量分別為0.60 MJ、0.31MJ，中性母線過電壓幅值為92.49 kV、89.18 kV，與避雷器能量校核結(jié)果0.53 MJ比較接近，遠低于其額定吸收能量2.6 MJ。極1中性母線F2避雷器故障原因可排除系統(tǒng)能量過載導(dǎo)致。輸送功率為600 MW、接地故障點位于整流站線路出口處時。

2.4.2 避雷器特性差異影響

仿真計算了直流線路首端處發(fā)生人工接地故障時，其中一臺參考電壓在降低2.5 kV、1 kV、0.8 kV、0.5 kV、0.3 kV情況下，避雷器的放電電流和電流分布不均勻系數(shù)β。電流分布不均勻系數(shù)β計算公式參照GB/T 22389-2008《高壓直流換流站無間隙金屬氧化物避雷器導(dǎo)則》，其要求值為不大于10%[4-16]。運行方式為單極金屬回線，直流輸送功率分別選擇300 MW、600 MW和900 MW，仿真結(jié)果如表4所示，其中I1和I2分別為參考電壓正常和降低后的避雷器的放電電流。

表4 參考電壓偏差對避雷器不均勻分布系數(shù)影響仿真結(jié)果Table 4 Simulation of effect of reference voltage deviation on uneven distribution coefficient

從表4和圖10可以看出，不同輸送功率對避雷器電流不均勻分布系數(shù)隨參考電壓偏差的增大而急劇增大。參考電壓偏差大于0.5 kV時，電流不均勻分布系數(shù)均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的10%，當(dāng)參考電壓偏差2.5 kV時，電流不均勻分布系數(shù)達50%以上，能量在并聯(lián)避雷器之間分配極不均勻。

綜合以上分析結(jié)果，本次中性母線避雷器故障的原因為：避雷器其中一個電阻片存在缺陷或者已經(jīng)失效，導(dǎo)致該避雷器伏安特性低于同極其它避雷器，在故障工況中承擔(dān)了大部分的能量耐受，發(fā)生擊穿故障。

圖10 參考電壓偏差對避雷器不均勻分布系數(shù)影響Fig.10 Effect of reference voltage deviation on uneven distribution coefficient

3 事故對策及結(jié)論

1）故障避雷器解體現(xiàn)象表明：①避雷器密封裝置完好，內(nèi)部未見明顯受潮痕跡；②其中兩柱電阻片和瓷套內(nèi)壁有明顯的電弧閃絡(luò)痕跡，表明避雷器內(nèi)部電阻片沿面產(chǎn)生貫穿性電??；③表面燒蝕嚴(yán)重的電阻片柱頂部第2片電阻片發(fā)生擊穿開裂。

2）梳理了避雷器故障過程的兩個階段，利用故障錄波和暫態(tài)仿真，校核了避雷器吸收的能量，校核結(jié)果表明單臺避雷器吸收能量約為0.53 MJ，小于其額定吸收能量2.6 MJ，避雷器故障原因可排除能量過載導(dǎo)致。

3）分析避雷器故障前的直流參考電壓試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：避雷器故障前1 mA直流參考電壓明顯低于同極其它避雷器，最大偏差達2.5 kV；仿真分析直流參考電壓偏差對避雷器電流分布不均勻系數(shù)影響可知，當(dāng)參考電壓偏差2.5 kV時，電流不均勻分布系數(shù)達50%以上，能量在并聯(lián)避雷器之間分配極不均勻。

4）綜合解體現(xiàn)象、能量校核和仿真結(jié)果，可得避雷器損壞原因為：避雷器其中一個電阻片存在缺陷或者已經(jīng)失效，導(dǎo)致該避雷器伏安特性低于同極其它避雷器，在故障工況中承擔(dān)了大部分的能量耐受，發(fā)生擊穿故障。

5）事故對策：①安裝在同一極的中性母線避雷器，開展直流參考電壓預(yù)防性試驗時，應(yīng)對試驗結(jié)果進行橫向比較，最大偏差不應(yīng)超過0.5 kV；②為及時發(fā)現(xiàn)隱患，對于運行年限超過10年以上的中性母線避雷器，預(yù)防性試驗周期建議由3年縮短為1年。

[1]袁士超，王東舉，陳錫磊，等.天廣直流系統(tǒng)中性母線過電壓機制研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（5）：216-222．YUAN Shichao，WANG Dongju，CHEN Xilei，et al．Study on neutral-bus overvoltage mechanism of±500kV DC power transmission project from Tianshengqiao to Guangzhou[J].Power System Technology，2011，35（5）：216-222.

[2]陳錫磊，田杰，王東舉，等.天生橋—廣州直流工程控制保護系統(tǒng)改造后的過電壓分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（6）：101-106．CHEN Xilei，TIAN Jie，WANG Dongju，et al．Analysis on overvoltage in renovated control and protection system for HVDC power transmission project from Tianshengqiao to Guangzhou[J]．Power System Technology，2011，35（6）：101-106.

[3]周沛洪，趙杰，呂金壯，等.±800 kV云廣DC換流站避雷器布置和參數(shù)選擇[J].高電壓技術(shù)，2009，35（11）：2603-2611．ZHOU Peihong，ZHAO Jie，LV Jinzhuang，et al．Arrester protection scheme and arrester parameters selection for±800 kV YunGuang UHV DC converter station[J]．High Voltage Engineering，2009，35（11）：2603-2611.

[4]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 22389-2008，高壓直流換流站無間隙金屬氧化物避雷器導(dǎo)則[S].2008

[5]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京:中國電力出版社，2004.

[6]陳立棟，葛棟，康鵬，等.±800 kV特高壓直流避雷器的均流特性試驗[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（2）：13-16.CHEN Lidong，GE Dong，KANG Peng，et al． Current sharing performance tests of arresters used in±800 kV DC transmission system[J]．Power System Technology，2011，35（2）：13-16

[7]王佰成.±500 kV直流工程用E型、F型無間隙金屬氧化物避雷器的設(shè)計[J].電瓷避雷器，2001（4）：24-28．WANG Baicheng．Design of E and F types of gapless MOA for±500kV DC project[J]．Insulators and Surge Ar?resters，2001（4）：24-28

[8] CIGRE Working Group．HVDC converter station for volt?ages above 600 kV[R]． Nottingham：CIGRE Working Group，2002．

[9]李茂峰，戎春園，呂輝蜂.500 kV無間隙氧化鋅避雷器故障分析及對策[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2007，12（1）：75-78.LI Mao-feng，RONG Chun-yuan，Lü Hui-feng.Analysis on and countermeasures of 500 kV Metal-Oxide arresters（MOA） fault[J].Southern Power System Technology，2007，12（1）：75-78.

[10]IEC 60071-2，Insulation coordination Part 2 Application guide[S].1996.

[11]張致，婁殿強，鄭勁，鄭衛(wèi)紅，文凱成.葛洲壩換流站金屬轉(zhuǎn)換開關(guān)操作引起的避雷器事故分析及對策[J].高壓電器，2002，38（2）:8-11.ZHANG Zhi，LOU Dian qiang，ZHENG Jing，ZHENG Wei hong ，WEN Kai cheng.Analysis and countermea?sure of surge arrester damage caused by mrtb operation in gezhouba converter station[J].High Voltage Apparatus，2002，38（2）:8-11.

[12]姚愛明，幸榮霞.一起金屬氧化物避雷器缺陷數(shù)據(jù)的分析及預(yù)防措施[J].電瓷避雷器，2011（6）:61-64，69.YAO Ai-ming，XING Rong-xia.Analysis on defect data of MOA in an accident and precautions[J].Insulators and Surge Arresters，2011（6）:61-64，69.

[13]陳錫磊，周浩，王東舉，沈揚，丁健，錢鋒，周志超，丘文千.溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電工程浙西換流站絕緣配合[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（2）:7-12.CHEN Xilei，ZHOU Hao，WANG Dongju，SHEN Yang，DING Jian，QIAN Feng，ZHOU Zhichao，QIU Wenqian.Insulationcoordinationforzhexiconverterstationof±800kV DC Power transmission project from xiluodu to zhexi[J].Power System Technology，2012，36（2）:7-12.

[14]周浩，王東舉.±1100kV特高壓直流換流站過電壓保護和絕緣配合[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（9）:1-8.ZHOU Hao，WANG Dongju.Overvoltage protection and insulation coordination for±1 100 kV UHVDC converter station[J].Power System Technology，2012，36（9）:1-8.

[15]聶定珍，袁智勇.±800 kV向家壩—上海直流工程換流站絕緣配合[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（14）:1-5.NIE Ding-zhen，YUAN Zhi-yong.Research on insulation coordination for converter stations of±800 kV UHVDC project from xiangjiaba to shanghai[J].Power System Tech?nology，2007，31（14）:1-5.

[16]周曉琴，茍銳鋒，呂金壯，李賓賓，王從鋼.±800 kV特高壓直流換流站最高端換流變閥側(cè)避雷器保護研究[J].高壓電器，2009，45（2）：1-6.ZHOU Xiao-qin，GOU Rui-feng，LU Jin-zhuang，LI Bin-bin，WANG Cong-gang.Arrester protection at valveside of highest potential converter transformer in±800 kV UHVDC project[J].High Voltage Apparatus，2009，45（2）：1-6.