雷 瀟， 廖文龍， 白 歡， 任阿陽， 曹 文， 黃 宇

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 成都 610094; 2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，成都 644000)

0 引言

直流濾波器是換流站直流場重要設(shè)備，其設(shè)備狀態(tài)對整個直流輸電系統(tǒng)的安全運行有重要影響。隨著直流輸電工程投運年限和數(shù)量的增加，濾波器場設(shè)備問題逐漸暴露[1-2]。±800 kV宜賓換流站極II直流濾波器場在2020年多次發(fā)生異響現(xiàn)象，經(jīng)視頻監(jiān)控初步判斷為干式電抗器放電，停電檢修發(fā)現(xiàn)匝間絕緣損壞。

戶外干式空心電抗器在交流系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，各地報道的故障實例較多[3-6]，其中繞組匝間絕緣擊穿占總故障一半以上[7-9]。干式電抗器絕緣損壞與材料自身缺陷和運行工況密切相關(guān)，熱老化和投切過電壓是絕緣劣化的主要原因[10-14]。但對于換流站直流濾波器場的干式電抗器，其運行工況與交流系統(tǒng)中的并聯(lián)電抗器和串聯(lián)電抗器有明顯差別，故障機理尚待研究。

本研究介紹了±800 kV宜賓換流站極II直流濾波器場干式電抗器故障概況，通過停電檢查、故障錄波、雷電定位系統(tǒng)、分布式行波測距裝置等手段對故障原因進行綜合分析。

1 故障概述

2020年1月至4月期間，±800 kV宜賓換流站極II直流濾波器區(qū)域共發(fā)生四次異響，利用站上視頻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)極II直流濾波器區(qū)域的濾波電抗器(P2-Z1-L1)和與其并聯(lián)的避雷器區(qū)域出現(xiàn)明顯放電現(xiàn)象(P2-Z1-F1)?！?00 kV特高壓直流工程直流濾波器一般在每極直流母線和中性線之間裝設(shè)1組或2組并聯(lián)雙調(diào)諧濾波器[15]，宜賓換流站的直流濾波器場的電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。同時OWS后臺顯示直流故障測距啟動，外置故障錄波裝置啟動報文(直流控保系統(tǒng)未有相關(guān)報文)。濾波器區(qū)域發(fā)生異響發(fā)生時均是在雙極降壓時，如表1所示。2020年年檢期間對極II直流濾波器場區(qū)域進行現(xiàn)場分析，對放電區(qū)域附近的設(shè)備(電抗器、避雷器、電容器、電阻箱等)進行外觀檢查，均沒有發(fā)現(xiàn)明顯放電點位。常規(guī)試驗結(jié)果表明，設(shè)備均無明顯異常。

圖1 直流濾波器場電氣結(jié)構(gòu)Fig.1 Electrical structure of DC filter field

表1 故障情況Table 1 Fault condition

根據(jù)視頻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)干式電抗器L1(P2-Z1-L1)為放電設(shè)備，附近區(qū)域布置如圖2所示。對3月8日視頻監(jiān)控進行分析，放電過程如圖3所示。放電起始于L1器身附近，放電產(chǎn)生的火光照亮直流濾波器電阻箱(P2-Z1-R1)，隨后放電消失。1 s后L1器身下部出現(xiàn)燃燒滴落物，滴落至地上。通過3月22日視頻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)相同現(xiàn)象。通過對比白天視頻監(jiān)控，放電點位位于L1器身。

圖2 干式電抗器L1(P2-Z1-L1)附近布置Fig.2 Arranged near dry-type reactor L1(P2-Z1-L1)

圖3 干式電抗器L1(P2-Z1-L1)放電過程Fig.3 Discharge process of dry reactor L1(P2-Z1-L1)

對電抗器L1進行內(nèi)窺鏡檢測，發(fā)現(xiàn)外層包封與第一層繞組之間的撐條有放電痕跡，如圖4所示。判斷電抗器匝間絕緣破損，直流濾波器場異響由此引起。

圖4 干式電抗器L1(P2-Z1-L1)內(nèi)部放電痕跡Fig.4 Internal discharge trace of dry-type reactor L1(P2-Z1-L1)

2 故障原因分析

2.1 雷電分析

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)，在直流濾波器場4次異?，F(xiàn)象時刻，直流輸電線路通道均有雷電活動，如圖5所示。分布式行波測距裝置的監(jiān)測結(jié)果與雷電定位系統(tǒng)一致。4次地閃的雷電流幅值分別為30 kA、17 kA、7.9 kA和9.4 kA，均為負極性且未導(dǎo)致線路絕緣閃絡(luò)。

圖5 輸電通道雷電情況Fig.5 Lightning condition of transmission channel

2.2 錄波分析

以3月22日異常時刻的錄波為例進行分析。極I與極II直流母線電壓波形如圖6所示。極I電壓由560 kV降至30 kV，極II電壓由-560 kV升至-380 kV。極I電流由830 A提高到1 930 A，極II電流提高到1 670 A。由于雷電極性為負且極母線電流增加，極I母線電壓變化更劇烈，可判斷雷電擊中極I導(dǎo)線。

圖6 直流母線電壓電流錄波Fig.6 DC bus voltage and current recording

±800 kV宜賓換流站每極直流濾波器場有6支避雷器，如圖1所示。安裝于高壓電容器C1與高壓電抗器L1之間的對地避雷器F3的尾端接有互感器T5，可供避雷器動作情況分析。兩極4支避雷器F3的電流錄波如圖7所示。

圖7 兩極直流濾波器場避雷器F3尾端電流故障錄波Fig.7 Fault recording of tail current of two pole DC filter field arrester F3

極I避雷器電流波形為單一脈沖形式且幅值較高，其中HP 2/39 Z1-F3幅值821 A，HP 12/24 Z2-F3幅值11.77 kA。極II避雷器電流波形為周期脈沖形式且幅值較小，其中HP 2/39 Z1-F3最大值100 A，HP 12/24 Z2-F3幅值317 A。

極I的F3避雷器電流明顯高于極II，從側(cè)面佐證了雷電擊中極I導(dǎo)線的判定。極II避雷器尾端電流的周期為6.8 ms，約等于雷電波在線路上來回折反射的周期，反推雷擊點在距離宜賓換流站630 km處，與雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)較為一致。

每個直流濾波器支路的中性母線側(cè)連接有互感器T2，如圖1所示。兩極4個互感器的電流錄波如圖8所示。濾波器支路均出現(xiàn)周期性脈沖電流。HP 2/39支路的電流波形較陡、幅值更高，其中極I最大值為2.1 kA，極II最大值為960 A。HP 12/24支路的電流波形較緩、幅值較低。由此可見，部分雷電流從濾波器支路、中性母線電容器入地。各極兩濾波器支路的電流波形幅值差距源自于電容、電感參數(shù)的差異。因雷電直擊極I導(dǎo)線，濾波器電流幅值更高。極II導(dǎo)線雷電流為感應(yīng)生成，故濾波器電流幅值較低。

圖8 兩極直流濾波器場濾波器支路電流故障錄波Fig.8 Two pole DC filter field filter branch current fault recording

2.3 故障原因

干式電抗器L1兩端并聯(lián)避雷器F2，在過電壓下L1承受電壓應(yīng)小于F2殘壓。發(fā)生放電的HP 2/39濾波器電抗器L1(P2-Z1-L1)主要參數(shù)如表2所示，兩端雷電耐受水平為1 000 kV。而F2在標(biāo)稱放電電壓10 kA下的殘壓低于800 kV，可有效保護L1。對F2進行直流1 mA參考電壓和0.75倍參考電壓下泄漏電流試驗，結(jié)果正常。在設(shè)備完好的情況下，L1不會在雷電侵入過電壓下絕緣閃絡(luò)。

表2 干式電抗器L1參數(shù)Table 2 L1 Parameters of dry-type reactor

現(xiàn)場檢查并未發(fā)現(xiàn)異物，排除異物短接導(dǎo)致電抗器匝間絕緣損壞的可能性。直流輸電線路長約1 650 km，通道雷電活動較為頻繁。特高壓輸電線路桿塔較高，繞擊導(dǎo)線的概率較大，而任一位置導(dǎo)線遭受雷擊均會導(dǎo)致?lián)Q流站雷電侵入過電壓[16]。濾波器干式電抗器在運行中頻繁承受雷電過電壓。雖然過電壓幅值低，但在長期運行中的累計效應(yīng)會加速絕緣劣化過程，最終導(dǎo)致?lián)舸┓烹姟?/p>

3 討論與建議

3.1 電抗器電壓應(yīng)力仿真分析

采用EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件對雷電入侵時設(shè)備工況進行仿真。由于雷電波持續(xù)時間為μs級，直流控制保護系統(tǒng)尚來不及響應(yīng)，故用理想直流電壓源模擬系統(tǒng)電源。直流場設(shè)備、直流輸電線路和接地極線路參數(shù)參考±800 kV賓金直流系統(tǒng)參數(shù)。雷電流波形采用標(biāo)準(zhǔn)雷電波。

為驗證仿真結(jié)果，以上節(jié)中3月22日雷電流幅值和雷擊位置進行仿真，即7.9 kA的負極性雷在距離宜賓換流站620 km處擊中極I導(dǎo)線。極I與極II母線的母線電壓和電流情況如圖9所示。短時間內(nèi)，兩極電壓幅值均降低，其中極I降低更明顯；兩極電流幅值均大幅升高。此特征與故障錄波一致。

圖9 極母線電壓電流仿真波形Fig.9 Simulation waveform of pole bus voltage and current

極I、極II的電抗器L1、L2承受電壓最大值如表3所示。由于電抗器并聯(lián)有避雷器，電抗器承受電壓不超過避雷器殘壓。雷電流泄放后，濾波器內(nèi)部發(fā)生諧振，但過電壓幅值較低。

表3 直流濾波器場電抗器電壓最大值Table 3 Maximum voltage of DC filter field reactor

3.2 匝間絕緣劣化分析

交流系統(tǒng)中的干式電抗器故障原因以絕緣劣化和異物短接為主，絕緣劣化的外部因素主要是諧波和開關(guān)投切過電壓。換流站運維強度大、水平高，可基本排除異物導(dǎo)致的匝間故障。直流濾波器干式電抗器的絕緣材料與交流系統(tǒng)用串聯(lián)、并聯(lián)電抗器相同，但運行工況有明顯差別。首先，直流濾波器干式電抗器不承受開關(guān)投切過電壓，但卻承受頻繁的雷電侵入過電壓。而交流系統(tǒng)干式電抗器因電氣位置或線路長度的原因承受雷電入侵過電壓的頻次較少。其次，直流濾波器電抗器承受的諧波與交流系統(tǒng)用串聯(lián)、并聯(lián)電抗器不同，熱老化速率不同。對此，交流系統(tǒng)干式電抗器的劣化機理不完全適用于直流濾波器干式電抗器。關(guān)于聚酯薄膜絕緣性能在直流濾波器干式電抗器運行工況下的老化研究鮮見報道，建議下一步開展此項研究。

4 結(jié)論

本研究分析了±800 kV宜賓換流站直流濾波器場異響現(xiàn)象，得出如下結(jié)論：

1)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控和內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)直流濾波器場異響現(xiàn)象由極I濾波器HP 2/39干式電抗器L1匝間絕緣放電引起。

2)干式電抗器L1的4次匝間絕緣放電均由直流輸電通道中雷擊導(dǎo)線誘發(fā)。由于兩端并聯(lián)避雷器，L1兩端承受電壓小于設(shè)計值，第一次匝間放電應(yīng)由絕緣劣化引起。

3)直流輸電線路長且途徑多雷區(qū)，頻繁的雷電過電壓侵入為直流母線設(shè)備的運行工況，應(yīng)加強設(shè)備在此工況下絕緣老化的相關(guān)研究。