趙 強 曹力雄

一起特高壓換流站500kV斷路器擊穿故障分析與處理

趙 強 曹力雄

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

針對某特高壓換流站發(fā)生的一起500kV小組交流濾波器進(jìn)線罐式斷路器擊穿事故，通過保護動作情況、現(xiàn)場設(shè)備檢查、相關(guān)試驗及后續(xù)故障設(shè)備解體等對事故原因進(jìn)行了分析，對事故的處理過程進(jìn)行了詳細(xì)描述，同時提出了切實可行的防范措施，以避免同類事故再次發(fā)生。

罐式斷路器；氣體絕緣封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）；交流濾波器；滅弧室；吸附劑

0 引言

斷路器作為電力系統(tǒng)的重要組成設(shè)備主要起兩個作用：①改變系統(tǒng)運行方式；②在系統(tǒng)故障時通過與繼電保護裝置配合快速切除故障，避免事故擴大。斷路器的穩(wěn)定可靠關(guān)系著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。直流輸電工程需要消耗大量的無功功率，交流濾波器（AC filter, ACF）作為直流輸電工程中最常用的無功補償裝置，其進(jìn)線斷路器是否可靠，將直接影響直流系統(tǒng)的可靠性。小組濾波器進(jìn)線斷路器故障會導(dǎo)致大組濾波器不可用，嚴(yán)重時將導(dǎo)致直流系統(tǒng)功率回降甚至閉鎖[1-10]。

1 故障基本情況

某特高壓換流站5組小組濾波器通過雙斷口罐式斷路器接于大組交流濾波器母線。大組濾波器母線通過3/2接線方式接于交流串內(nèi)，交流串內(nèi)斷路器采用氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）。故障前某特高壓整流站直流場雙極3 960MW大地回線平衡運行。500kV 1號母線、2號母線運行，交流進(jìn)線均運行正常，交流濾波器場5615交流濾波器運行。2019年6月19日13:21:06，運維人員工作站（operator work station, OWS）報第1大組濾波器保護第5小組BP11/13差流速斷保護A相跳閘動作，第5小組BP11/13過電流保護A相跳閘動作，大組母線差動保護A相跳閘動作。5615小組濾波器進(jìn)線斷路器5615跳開并鎖定，61母線進(jìn)線斷路器5142、5143跳開?，F(xiàn)場檢查確認(rèn)53小室第1大組濾波器保護裝置A、B套保護裝置均動作。一次接線如圖1所示。

2 保護動作分析

濾波器保護采用雙重化配置，保護采用“啟 動”+“動作”出口邏輯，當(dāng)單套濾波器保護的“啟動”+“動作”均同時滿足條件時，保護動作出口。圖2為濾波器CT分布，大組母線差動保護范圍在5615斷路器T2至進(jìn)線5142、5143 CT之間，小組差動保護及過電流保護范圍在5615斷路器T1至小組濾波器末端T22之間。濾波器保護范圍如圖2所示。

圖1 一次接線

濾波器小組差動保護反應(yīng)濾波器小組內(nèi)接地/相間故障，保護分相檢測流入保護區(qū)域內(nèi)的電流的矢量和，與設(shè)定值比較。該保護只對基波電流敏感。由于CT特性不一致，保護采用比率制動式差動保護，制動電流以接地側(cè)電流為參考。通過查看故障錄波可知差動電流，瞬時值58 265A，有效值41 205.79A＞差流速斷電流964.08A，小組差動保護動作正確。

圖2 濾波器保護范圍

濾波器母線差動保護的保護對象為濾波器大組及母線區(qū)域內(nèi)的母線。保護分相檢測流入保護區(qū)域內(nèi)的電流的矢量和，與設(shè)定值比較。該保護使用差動電流DIFF和制動電流STAB。當(dāng)DIFF＞STAB時，保護出口。該保護只對基波電流敏感，對于穿越電流是穩(wěn)定的。通過現(xiàn)場故障錄波發(fā)現(xiàn)實際差動電流為41 205.7A，實際差動電流大于差動定值，保護正確動作。

檢查61母線交流濾波器外置錄波圖3可以看出，故障開始階段，高壓電容器對地放電，維持故障點對地電位保持不變，通過5615高壓側(cè)斷路器電流變大；電容器初步放電完成，交流濾波器母線電壓跌落，故障電流維持在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值；故障切除階段，5143斷路器經(jīng)電流過零點斷開并熄弧成功，5142斷路器經(jīng)電流過零點后熄弧未成功，故障點未發(fā)生改變，短路電流由原來的邊、中斷路器各貢獻(xiàn)一部分轉(zhuǎn)換為由5142斷路器所連接的Ⅰ母單獨提供。

3 現(xiàn)場設(shè)備檢查

3.1 罐式斷路器5615檢查

對現(xiàn)場5615斷路器、5142斷路器、5143斷路器及61分支母線設(shè)備進(jìn)行檢查，設(shè)備外觀未發(fā)現(xiàn)明顯異常。對5615A相斷路器開展分解物檢測，發(fā)現(xiàn)存在異常分解產(chǎn)物，其他氣室分解物檢測正常，檢測結(jié)果見表1。

6月22日，對5615 A相斷路器進(jìn)行開蓋檢查，并用內(nèi)窺鏡檢查罐體內(nèi)套管根部、導(dǎo)線連接、殼體、合閘電阻及分級電容等位置，未發(fā)現(xiàn)異常放電痕跡。檢查T1側(cè)斷路器罐體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)表面附著有白色粉塵，T2側(cè)斷路器罐體內(nèi)部表面附著白色粉塵并有大量吸附劑顆粒、燒斷的塑料扎帶和塑料薄膜殘留物，如圖4所示。設(shè)備安裝的帶吸附劑的擋板外觀正常，吸附劑無破裂脫落情況。

圖3 61母線交流濾波器外置錄波

表1 5615斷路器三相分解物

圖4 T2側(cè)斷路器罐體內(nèi)部斷裂塑料扎帶和薄膜

6月23日，對5615A相斷路器進(jìn)行拆除工作，發(fā)現(xiàn)T2側(cè)斷路器套管根部屏蔽罩受放電瞬間應(yīng)力作用而嚴(yán)重變形損壞，套管內(nèi)壁有一處破損痕跡，屏蔽罩腔體內(nèi)有疑似吸附劑顆粒和外包裝等異物，并在T2側(cè)斷路器套管內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)放電點，如圖5所示。

圖5 T2側(cè)套管內(nèi)壁放電點、破損點及屏蔽罩內(nèi)異物

3.2 GIS 5142斷路器檢查

對故障區(qū)域設(shè)備5142 A相斷路器進(jìn)行分解物檢測，發(fā)現(xiàn)含有SO2、H2S及HF等異常分解物，并且分解物含量呈現(xiàn)下降趨勢，22日檢測結(jié)果顯示A相氣室內(nèi)只含有少量SO2產(chǎn)物。其他兩相氣室SF6分解物檢測正常，檢測結(jié)果見表2。查看5142斷路器歷次修試試驗數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)分析后設(shè)備廠家認(rèn)為5142 A相斷路器屬于正常開斷現(xiàn)象，不建議對其進(jìn)行開蓋處理，該斷路器可繼續(xù)正常運行。

表2 5142斷路器三相分解物

3.3 罐式斷路器5615解體檢查

7月10日，對5615斷路器進(jìn)行廠內(nèi)解體，發(fā)現(xiàn)T1側(cè)導(dǎo)電桿根部上方1.2～1.9m區(qū)域外表面有明顯燒蝕痕跡，因而可以確定此次放電區(qū)域位于屏蔽罩上部與T1側(cè)導(dǎo)電桿相應(yīng)的外表面，如圖6所示。

圖6 T1側(cè)導(dǎo)電桿

T1側(cè)套管內(nèi)部發(fā)現(xiàn)大量散落的干燥劑顆粒和燒蝕殘留的干燥劑包裝袋，套管內(nèi)與屏蔽罩上端對應(yīng)的區(qū)域大面積環(huán)氧樹脂層燒蝕發(fā)黑；套管根部屏蔽罩發(fā)生變形并且屏蔽罩頭部高溫?zé)g開裂；套管頂部屏蔽罩因高溫氣流造成屏蔽罩連接處變形。

檢查兩側(cè)滅弧單元加熱筒與表帶的接觸面完好，表帶接觸面及絕緣黃筒內(nèi)表面完好，斷口弧觸指表面均正常，主導(dǎo)電回路主觸頭上端有部分燒蝕，銅基體可見。兩側(cè)主導(dǎo)電回路接觸片上端有部分燒蝕，銅基體可見。

4 原因分析

綜上分析，確定5615 A相斷路器內(nèi)部存在故障拉弧導(dǎo)致跳閘。5142 A相斷路器氣室氣體成分異常是在故障分閘時刻通過大電流，導(dǎo)致SF6氣體分解，為斷路器正常開斷產(chǎn)生。此次故障的根本原因是故障斷路器T1側(cè)套管運輸用的干燥劑、扎帶及氣泡膜由于長途運輸從套管根部滑入套管內(nèi)部，導(dǎo)致現(xiàn)場安裝階段未發(fā)現(xiàn)，未能及時取出而留在套管內(nèi)部，與當(dāng)時斷路器的安裝記錄中相應(yīng)的“A套管未見干燥劑需廠內(nèi)核查”記錄信息吻合。在重力、斷路器操作振動及氣流的沖擊下，干燥劑、扎帶及氣泡膜逐步滑到屏蔽罩與導(dǎo)電桿之間電場強度高的區(qū)域，與套管內(nèi)壁（金屬部分）絕緣距離不足產(chǎn)生放電引起T1側(cè)導(dǎo)電桿對屏蔽罩及相應(yīng)的套管內(nèi)壁的放電，造成導(dǎo)電桿、屏蔽罩及套管內(nèi)相應(yīng)部位的燒蝕，進(jìn)而發(fā)展成短路絕緣故障，最終導(dǎo)致斷路器跳閘。

5 結(jié)論

針對故障采取處理措施如下：

1）對5615 A相斷路器一次本體進(jìn)行更換，對5142 A相斷路器進(jìn)行試驗，所有試驗合格后方可以投入運行。

2）5615 A相斷路器發(fā)生內(nèi)部故障，造成5142斷路器跳閘，5142 A相斷路器分解物產(chǎn)生的原因為正常切斷短路電流（約41kA）產(chǎn)生，該臺斷路器的滅弧能力在年度檢修期間已完成試驗，結(jié)果正常，可以投入運行。

3）對同類設(shè)備現(xiàn)場安裝記錄進(jìn)行全面排查。

4）加強設(shè)備安裝階段的現(xiàn)場旁站監(jiān)督，嚴(yán)格安裝階段的作業(yè)管控，加強作業(yè)現(xiàn)場驗收、試驗等環(huán)節(jié)的全過程管控監(jiān)督。

5）對站內(nèi)罐式斷路器安裝記錄進(jìn)行全面排查，避免同類故障再次發(fā)生。

[1] 劉澤洪. 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)質(zhì)量管理與控制[M]. 北京: 中國電力出版社, 2011.

[2] 徐國政, 張節(jié)容, 錢家驪, 等. 高壓斷路器原理和應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2000.

[3] 從電氣設(shè)備中取出六氟化硫(SF6)的檢驗和處理指南及其再使用規(guī)范: IEC 60480—2004[S]. 2004.

[4] 李璐, 牛田野, 姜國慶, 等. 一起500kV SF6斷路器爆炸事故的分析[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2016, 36(增刊1): 246-250.

[5] SF6氣體分解產(chǎn)物監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用導(dǎo)則: QGDW 1896—2013[Z]. 2014.

[6] 林莘, 夏亞龍, 劉衛(wèi)東, 等. 電容器組投切用SF6斷路器介質(zhì)恢復(fù)特性數(shù)值計算與試驗研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(17): 161-171.

[7] 唐炬, 楊東, 曾福平, 等. 基于分解組分分析的SF6設(shè)備絕緣故障診斷方法與技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(20): 41-54.

[8] 陳宏剛, 溫定筠, 秦睿, 等. SF6分解產(chǎn)物測試在330kV斷路器故障排除中的應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(1): 52-55.

[9] 陳弘揚, 趙科, 董正杰, 等. 1100kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備絕緣內(nèi)部氣隙放電缺陷診斷分析與處理[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(12): 102-107.

[10] 顏湘蓮, 王承玉, 季嚴(yán)松, 等. 氣體絕緣設(shè)備中SF6氣體分解產(chǎn)物與設(shè)備故障關(guān)系的建模[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(22): 231-238.

Analysis and treatment of a 500kV circuit breaker breakdown fault in ultra high voltage converter station

ZHAO Qiang CAO Lixiong

(Maintenance Branch, State Grid Inner Mongolia East Power Co., Ltd, Tongliao, Inner Mongolia 028000)

In view of a 500kV AC filter incoming circuit breaker breakdown accident occurred in an UHV converter station, the cause of the accident is analyzed through protection action, field equipment inspection, relevant tests and subsequent failure equipment disassembly. The treatment process of the accident is described in detail, and the feasible preventive measures are put forward to avoid the recurrence of similar accidents.

tank circuit breaker; gas insulated switchgear (GIS); AC filter; arc extinguishing chamber; adsorbent

2020-12-11

2021-01-25

趙 強（1985—），男，內(nèi)蒙古通遼人，本科，工程師，主要從事特高壓直流輸電及調(diào)相機運檢技術(shù)相關(guān)工作。