謝正波 楊曉維 王典浪

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司曲靖局）

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，高壓直流輸電在遠(yuǎn)距離大容量輸電和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方面的明顯優(yōu)勢(shì)越發(fā)突出。高壓直流換流站中的交流濾波器不僅要承擔(dān)吸收交流側(cè)系統(tǒng)諧波的任務(wù)，還要提供換流器消耗的無功容量。同塔雙回±500kV牛寨換流站有4個(gè)大組共20個(gè)小組交流濾波器，站內(nèi)安裝有大量交流濾波器用斷路器。交流濾波器用斷路器與普通斷路器相比，存在以下區(qū)別：1）交流濾波器斷路器需切斷容性負(fù)載，對(duì)暫態(tài)恢復(fù)電壓TRV（TransientRecoverVoltage）有更高的技術(shù)要求；2）交流濾波器斷路器根據(jù)功率調(diào)整要求自動(dòng)頻繁投切，運(yùn)行工況惡劣；3）交流濾波器斷路器需承受交直流混合電壓作用；4）交流濾波器斷路器需配置選相合閘裝置，其對(duì)斷路器時(shí)間參數(shù)的分散性要求非常嚴(yán)格，偏差一般要求在1～3ms以內(nèi)。下面將從一起該換流站交流濾波器開關(guān)炸裂案例，分析其產(chǎn)生故障的原因，并研究提出改進(jìn)方法。

1 故障情況

2018年6月21日22時(shí)38分，±500kV牛寨換流站調(diào)整牛從直流功率下降過程中，無功控制自動(dòng)切除500kV575交流濾波器后，575開關(guān)三相正常斷開，開關(guān)分位出現(xiàn)，三相電流消失，575開關(guān)A相分閘熄弧8.3ms后出現(xiàn)多次震蕩的尖峰電流，震蕩尖峰電流峰值最大為17000A，后續(xù)震蕩尖峰電流發(fā)展為濾波器額定負(fù)載的持續(xù)異常電流 （約202A），530ms后報(bào)出500kV575開關(guān)三相不一致保護(hù)動(dòng)作、740ms后575開關(guān) SF6低氣壓異常報(bào)警、1019ms后575開關(guān)TWJ異常及控制回路斷線 （SF6氣壓低閉鎖控制回路所致），3059ms后575交流濾波器保護(hù)A、B套零序電流I段動(dòng)作，575開關(guān)保護(hù)收到三跳開入且A相存在持續(xù)電流情況下經(jīng)過200ms延時(shí)起動(dòng)母線失靈保護(hù)，母線失靈保護(hù)經(jīng)過30ms延時(shí)跳開交流進(jìn)線開關(guān)和所有小組交流濾波器開關(guān)，整個(gè)故障電流持續(xù)時(shí)間約3318ms。保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖如下。

圖1 575開關(guān)保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖

2 故障原因分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，575開關(guān)A相靠母線側(cè)滅弧室瓷套炸裂，母線側(cè)均壓電容瓷套受損，動(dòng)靜觸頭裸露在空氣中，濾波器側(cè)均壓電容器及均壓環(huán)表面存在放電痕跡。575開關(guān)A相機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能正常，SF6壓力為零，相鄰B相靠近A相側(cè)支柱絕緣子瓷套受損，滅弧室外瓷套輕微受損。

2.2 返廠解體情況

對(duì)母線側(cè)滅弧室和均壓電容進(jìn)行解體發(fā)現(xiàn)，動(dòng)靜觸頭上存在明顯燒蝕現(xiàn)象，噴口未發(fā)現(xiàn)異常，滅弧室兩端法蘭均存在電弧燒蝕點(diǎn)，均壓電容外瓷套破損，如圖2所示。

圖2 母線側(cè)滅弧室解體情況

對(duì)濾波器側(cè)滅弧室及均壓電容進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)滅弧室動(dòng)靜多處存在放電燒蝕痕跡，動(dòng)主觸頭鍍銀層脫落，噴口外沿存在一處放電燒蝕痕跡，噴口內(nèi)壁有多處放電穿孔，次套內(nèi)有金屬雜質(zhì)，內(nèi)壁附著白色粉末靜主觸頭有電弧灼燒痕跡，滅弧室內(nèi)部發(fā)現(xiàn)金屬顆粒，如圖3所示。

圖3 濾波器側(cè)滅弧室解體情況

對(duì)575開關(guān)A相均壓電容的電容量及介質(zhì)損耗進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見表1所示，試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)程要求。

表1 575開關(guān)A相均壓電容器測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)575開關(guān)A相均壓電容解體，未發(fā)現(xiàn)電容芯元件異常，見圖4。

圖4 均壓電容解體情況

2.3 故障原因分析

查閱575開關(guān)A相故障錄波，發(fā)現(xiàn)首開極A相熄弧8.3ms后，出現(xiàn)第一次尖峰電流，第一次尖峰電流息弧后約10ms出現(xiàn)第二次反向尖峰電流，第二次尖峰電流息弧后約3ms出現(xiàn)了第三個(gè)尖峰電流，此后尖峰電流持續(xù)震蕩。

圖5 575開關(guān)故障錄波圖

綜合575開關(guān)解體和故障錄波情況，575開關(guān)息弧后8.3ms滅弧室內(nèi)部發(fā)生了重?fù)舸?，?dǎo)致斷口間電壓持續(xù)抬升，同時(shí)隨著開關(guān)開距持續(xù)抬升，滅弧室內(nèi)絕緣持續(xù)增強(qiáng)，故障前現(xiàn)場(chǎng)為持續(xù)陰雨天氣，導(dǎo)致開關(guān)外絕緣性能降低，斷口間抬升的電壓在濾波器側(cè)均壓電容與母線側(cè)滅弧室外絕緣表面構(gòu)成放電電通道，如圖6所示。

圖6 擊穿故障放電路徑

由于母線側(cè)滅弧室外表面放電造成瓷套損傷，在滅弧室內(nèi)部壓力 （0.62MPa）的持續(xù)作用下，滅弧室發(fā)生爆裂。

在母線側(cè)滅弧室爆裂后，兩側(cè)動(dòng)靜觸頭暴露在空氣中發(fā)生多次放電，造成動(dòng)靜觸頭表面存在多處放電痕跡，放電通道如下圖。

圖7 炸裂后放電路徑

濾波器側(cè)滅弧室內(nèi)腔暴露在空氣中后，由于持續(xù)陰雨天氣造成內(nèi)表面凝露，形成圓形小斑點(diǎn)。

3 改進(jìn)研究

牛寨換流站交流濾波器開關(guān)已發(fā)生過多次滅弧室重?fù)舸┢鸸收?，針?duì)該型號(hào)開關(guān)存在的問題也已經(jīng)組織廠家進(jìn)行了多次整改。第一次改進(jìn)是將開關(guān)均壓電容復(fù)合外套榫接工藝改進(jìn)為鑄模工藝，第二次改進(jìn)將開關(guān)復(fù)合外套絕緣均壓電容更換為瓷外套均壓電容，第三次是在滅弧室絕緣外套噴涂RTV涂料，并更換均壓環(huán)結(jié)構(gòu)，增加均壓電容與滅弧室距離。但每次整改后，還是發(fā)生滅弧重燃現(xiàn)象。

根據(jù)此次開關(guān)爆裂問題，結(jié)合以往整改經(jīng)驗(yàn)及濾波器開關(guān)性能技術(shù)要求特點(diǎn)進(jìn)行研究，提出以下新的改進(jìn)措施，以降低其故障幾率。

3.1 加強(qiáng)開關(guān)外絕緣能力

牛寨換流站天氣潮濕多雨，且每次滅弧重燃都發(fā)生在雨后或空氣比較潮濕的晚上，此時(shí)滅弧室外表面絕緣電阻降低，可能導(dǎo)致外絕緣擊穿，所以需加強(qiáng)其外絕緣能力。根據(jù)實(shí)際情況，確定以下改進(jìn)方法：1）加長滅弧室外瓷套和均壓電容外瓷套各200mm，以增加爬電比距；2）將電容器位置由垂直布置更改為水平布置，防止雨水通道在電容器瓷套和滅弧室瓷套之間形成放電回路。

圖8 滅弧室改造前后外形圖

3.2 提高容性電流開斷能力

將開關(guān) SF6氣體額定壓力從0.6MPa提高到0.7MPa，內(nèi)部絕緣可以提高約10%，從而可提高斷口容性電流開斷能力，優(yōu)化噴口螺紋結(jié)構(gòu)，可以改善噴口電場(chǎng)分布。

圖9 滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.3 改進(jìn)中間觸指結(jié)構(gòu)

對(duì)動(dòng)觸頭原結(jié)構(gòu)中與壓氣缸接觸的中間觸指進(jìn)行改進(jìn)，原來的壓接觸片為3片1組，共6組，單片接觸壓力為88.8N；改進(jìn)后的觸片為30片為一個(gè)部件，單片接觸壓力為41.5N，單片接觸壓力降低，可減少氣缸表面磨損，但整體通流能力不變，并且將原分片安裝改為整體安裝，保證同軸度要求，減少人為安裝因素，提高裝配質(zhì)量。如圖10所示。

圖10 中間觸指結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.4 調(diào)整機(jī)構(gòu)速度

為降低開關(guān)重燃幾率，將開關(guān)分閘速度由原速度9.5m／s調(diào)整到速度上限10.5m／s左右。開關(guān)分閘速度提高后，在相同時(shí)刻，開距將增大，可以降低斷口間電場(chǎng)強(qiáng)度，提高斷口絕緣。

此外，完善交流濾波器開關(guān)選項(xiàng)合閘功能，開展選項(xiàng)分閘功能可行性研究，使觸頭剛分點(diǎn)在電流峰值附近，避免出現(xiàn)極短燃弧時(shí)觸頭開距不足導(dǎo)致重?fù)舸┑默F(xiàn)象。

4 結(jié)束語

交流濾波器在直流輸電系統(tǒng)中具有非常重要的作用，交流濾波器開關(guān)由于其嚴(yán)苛的運(yùn)行工況，它的故障將影響直流系統(tǒng)對(duì)濾波的要求，降低系統(tǒng)無功容量，限制直流功率，嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)主網(wǎng)架安全運(yùn)行，因此需要系統(tǒng)的研究分析交流濾波器開關(guān)安穩(wěn)技術(shù)性能要求，為交流濾波器開關(guān)選型及設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。