對一起換流站交流濾波器低端電容器擊穿事故分析

冷 怡，陳曉東，鮑云浮

(瀘州電業局，四川 瀘州 646000)

0 引言

在高壓直流輸電系統中，由于換流閥由開關器件構成，會在交流側產生大量的諧波，會對電網的輸電品質及現場的通信設備造成極大危害，這就需要在交流側接入濾波器濾除特征諧波［1］;同時，換流器在運行過程中需要消耗換流容量40%～60%的無功，這也需要交流濾波器來提供。直流輸電系統的運行性能和安全可靠程度與交流濾波器的運行狀態密切相關。

1 事故介紹

1.1 事故經過

2011年10月18日00:05，某換流站雙極功率由1841 MW升至2041 MW，在雙極功率值升至1847.5 MW過程中，5633交流濾波器自動投入運行，此時監控系統報“5633交流濾波器低端電抗器電流異常”，現場檢查發現低端電抗器、電流互感器T2、C2電容器外觀無異常，用鉗形電流表測量T2二次端子發現C相無電流，A、B相電流正常。

將5633交流濾波器停電后，對5633 C相T2電流互感器進行了絕緣、耐壓、變比、二次直阻、伏安特性等試驗，試驗數據合格;對與T2電流互感器電氣相連的低端電抗器L2進行直流電阻試驗，試驗數據合格;對與電抗器L2及T2的串聯支路相并聯的C2電容器組(由兩只電容器并聯)進行測試，發現其中一只已經導通，同時檢查F2避雷器C相動作1次(A相、B相未動作)。濾波器的接線方式如圖1。

更換故障電容器后，5633交流濾波器重新投入運行時，監控系統再次報“5633交流濾波器低端電抗器電流異常”，停電后現場檢查發現5633交流濾波器C相C2兩只電容器均已導通，電容器外觀無明顯異常;C相F1、F2避雷器各動作1次，A、B相F1、F2避雷器未動作。

1.2 主要元件工況

該濾波器支路的相關元件配置情況及歷年工況如下。

1.2.1 選相合閘裝置

5633交流濾波器的斷路器配置了選相合閘裝置，其選相邏輯為在每相電壓過零點附近投入該相斷路器，控制方式為定角度控制。查閱首檢后歷次5633交流濾波器投入時的故障錄波記錄，發現每次投入時，C相斷路器的合閘角及合閘時對應的系統電壓值均明顯大于A、B兩相，具體表1中所示。

圖1 5633交流濾波器接線圖

表1 5633斷路器的歷次合閘時刻及對應的系統過電壓值

1.2.2 斷路器

5633交流濾波器的斷路器型號為 LW10B-550YT，配進口ABB彈簧貯能液壓機構。對比該斷路器技術協議、現場交接試驗、首檢試驗的數據，發現5633交流濾波器的斷路器合閘時間滿足要求，合閘同期性與技術要求相符。

1.2.3 避雷器

表2 F1、F2避雷器動作次數統計

5633交流濾波器的高端避雷器F1型號為Y71WL5-142/373，低端避雷器F2型號為Y7.6WL5-40/89。從2011年5月首檢至事故發生時的避雷器動作次數統計情況如表2中所示。從表2的統計結果可見:C相避雷器的動作次數遠高于A、B兩相，這說明在濾波器投切過程中C相發生過電壓的概率遠高于A、B兩相。

1.2.4 低端電容器C2

C2電容器為兩只電容器并聯結構，C2電容值為10.74 μF。C2兩端的操作沖擊電壓為60 kV，最大持續電壓為6.1 kV。

2 事故原因分析

查看5633投入的故障錄波圖，C相斷路器在電壓過零點后3.8 ms及3.6 ms才出現合閘電流。與A、B相比較，C相合閘角明顯偏大。

據此，推測可能是選相合閘裝置或斷路器C相故障，導致C相合閘角偏大，合閘瞬間電壓過大，造成濾波電容被擊穿［2］。于是查閱首檢后歷次5633交流濾波器投入時的故障錄波，發現每次投入時，C相斷路器的合閘角均明顯大于A、B兩相。首檢后5633共計7次投入運行，除2011年7月21日00:47投入時，C相合閘時刻為電壓過零點后2.0 ms，對應電壓瞬時值為255.9 kV，F1避雷器未動作外，其余6次合閘時間均大于2 ms，對應的電壓瞬時值均高于300 kV，C相F1避雷器均發生動作。首檢后F2避雷器共計動作2次，且均伴生C2擊穿現象。根據F2避雷器動作情況，可以初步確認C2存在過電壓現象［3-4］。

F1避雷器的3 mA參考電壓為201 kV。根據故障錄波圖，A、B相斷路器在選相合閘裝置作用下，于電壓過零點1.0～1.5 ms內合閘，對應的500 kV母線電壓瞬時值為131.12～192.64 kV，小于201 kV;而C相斷路器于電壓過零點3.6～3.8 ms內合閘，對應的500 kV母線電壓瞬時值為395.4～402.91 kV，遠大于201 kV。因此，在F1避雷器的動作特性下，選相合閘裝置的正常工作是保證F1安全運行的必要條件。

根據5633斷路器交接、首檢及本次斷路器機械特性試驗記錄，交接試驗時C相斷口合閘時間為61.2 ms、61.8 ms，首檢試驗時C相斷口合閘時間為63.0 ms、63.0 ms，本次診斷試驗時C相斷口合閘時間為63.1 ms、63.3 ms，C相斷路器合閘時間增加超過1.5 ms，大于預期值(合同規定為小于1 ms)，也導致了選相合閘控制效果不佳。

此外，C2電容器極板間操作沖擊電壓耐壓值為60 kV。根據廠家提供的F2伏安特性，在7.6 kA電流下F2的操作沖擊殘壓為89 kV，200 A電流下的殘壓為77 kV。F2殘壓偏高也可能是造成C2擊穿的原因。

3 建立仿真模型

為定量計算合閘過程中在低端電容器C2上產生的操作過電壓大小，在電磁暫態仿真程序PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，以復現故障發生時以及不同合閘條件下在C2上產生的操作過電壓［5-6］。

圖2 電磁暫態仿真模型圖

根據該換流站電氣接線方式及設備基本參數，建立仿真模型如圖2所示:直流為雙極12脈動結構，直流系統送端采用定電流控制，受端采用定熄弧角控制，仿真中考慮換流變壓器的飽和特性，換流站無功補償情況視直流傳輸功率而定。

4 仿真結果

4.1 事故模擬

設置仿真條件為:在投入5633交流濾波器前，直流傳輸功率為1845 MW，換流站投入無功補償容量8×155 Mvar，換流母線初始工作電壓為534.0 kV。投入5633交流濾波器，其A相、B相斷路器合閘滯后于電壓過零點時間分別為1.2 ms和1.1 ms，C相斷路器合閘滯后于電壓過零點時間為3.6 ms。合閘時刻設置與10月19日故障錄波裝置采集到的數據相同，以便重現故障過程。

經過仿真計算，對比A、B、C相曲線可發現，由于C相合閘滯后時間遠大于A、B兩相，造成其合閘過程中產生了較為嚴重的操作過電壓。C相操作過電壓值達到了82.7 kV，高于濾波器低端電容器C2的耐壓水平60 kV，如圖3所示。

在合閘過程中，A、B相的避雷器F1、F2均未動作，C相的F1、F2均動作，合閘過程中C相F1產生的能量為10.61 kJ，F2產生的能量為0.47 kJ，如圖4、圖5所示。雖然避雷器F1、F2對低端電容C2起到了一定的保護作用，但C2上的瞬時過電壓仍高達82.7 kV，避雷器殘壓過高導致了C2被擊穿。

4.2 合閘滯后時間與操作過電壓的關系

令A相、B相斷路器合閘滯后于電壓過零點時間分別為1.2 ms和1.1 ms，改變C相合閘時間得到C相低端電容器操作過電壓值與合閘滯后時間的關系，計算結果如表3所示，其對照關系如圖6所示。

在滯后時間小于2 ms時，低端電容器兩端操作過電壓值基本與其呈線性關系，當滯后時間為1.5 ms時，過電壓值達到60.7 kV，已經超過低端電容器的耐壓值。而當滯后時間為3.6 ms時，操作過電壓值達到82.7 kV，已遠超低端電容器的耐壓值。

5 結論及建議

電磁暫態仿真結果表明，交流濾波器低端電容操作過電壓值與其斷路器閉合時刻滯后電壓過零點時間相關。該換流站5633濾波器C相斷路器合閘時間滯后電壓過零點過多，導致合閘角偏大，形成較大的合閘沖擊，使C相低端電容上產生較大的操作過電壓。雖然合閘過程中C相的避雷器F1和F2均動作，但濾波器低端電容C2的耐壓值與避雷器F2的殘壓不匹配導致了F2的保護作用有限。這兩個因素最終造成了電容器的擊穿。

表3 合閘滯后時間與操作過電壓間的關系

圖3 5633濾波器C相電壓仿真曲線

圖4 避雷器F1的C相電流及能量

圖5 避雷器F2的C相電流及能量

圖6 合閘滯后時間與操作過電壓的關系

針對事故發生的原因，為避免類似事故再次發生，特提出以下幾點建議。

(1)在不改變電容值的情況下，將電容器C2原來的“兩并”結構更改為“兩串四并結構”，可減小每只電容元件兩端的過電壓值，使其不超過耐壓水平。

(2)選用質量可靠的選相合閘裝置與斷路器設備，一旦發現合閘時間異常，合閘沖擊電壓過大的情況，要及時進行排查檢修。

(3)濾波電容與避雷器間的配合應合理、可靠，選用避雷器的殘壓應小于低端電容器的耐壓值，使避雷器起到應有的保護作用。

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