糯扎渡—廣東特高壓直流工程中性母線避雷器故障分析及仿真

賈磊，蔡漢生，陳喜鵬，劉剛，胡上茂，施健

(南方電網(wǎng)科學研究院，廣州市 510080)

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糯扎渡—廣東特高壓直流工程中性母線避雷器故障分析及仿真

賈磊，蔡漢生，陳喜鵬，劉剛，胡上茂，施健

(南方電網(wǎng)科學研究院，廣州市 510080)

對糯扎渡—廣東特高壓直流工程系統(tǒng)調試過程中發(fā)生的中性母線避雷器故障進行了分析，對試驗過程中避雷器承受的能量應力進行了仿真計算，并與現(xiàn)場實測結果進行了對比分析。研究結果表明：試驗過程中中性母線避雷器吸收的能量占其標稱設計能量的11.9%，有較大裕度，電氣能量過載不是導致避雷器損壞的原因，避雷器故障應該是個別閥片存在質量缺陷所造成的。

特高壓直流；中性母線；避雷器；放電電流；能量

0 引 言

繼1989年我國第1條超高壓直流輸電工程葛洲壩—上海南橋直流工程建成投運以來，直流輸電技術在中國穩(wěn)步發(fā)展。2010年6月，中國投運了世界上第1條特高壓直流輸電工程云南—廣州±800 kV特高壓直流工程[1]。隨后相繼規(guī)劃并建設了向家壩—上海、錦屏—蘇南、糯扎渡—廣東、溪洛渡—浙西等 ±800 kV特高壓直流輸電工程[2-5]。上述特高壓直流輸電工程的建設極大地促進了“西電東送”國家戰(zhàn)略的發(fā)展。

由于雷擊、山火等原因引起的直流線路故障是直流系統(tǒng)最常見的故障，當直流線路發(fā)生故障時會在換流站中性母線上產生比較高的過電壓水平，為了保護中性母線設備需安裝中性母線避雷器。特高壓直流由于運行電壓高，發(fā)生直流線路接地故障時中性母線的過電壓問題將更加突出[6-9]，中性母線避雷器承受的電氣應力更加嚴重，容易發(fā)生損壞而影響直流系統(tǒng)運行的可靠性，因此，有必要對特高壓直流中性母線避雷器的故障原因及運行特性進行分析。

糯扎渡—廣東±800 kV特高壓直流是南方電網(wǎng)第2個特高壓直流工程，該工程起點為云南普洱換流站，落點在廣東僑鄉(xiāng)換流站，線路全長約1 441 km，輸電容量5 000 MW。在糯扎渡送電廣東特高壓直流工程(以下簡稱普僑直流)系統(tǒng)調試過程中普洱換流站中性母線避雷器多次發(fā)生損壞故障，本文對故障避雷器解體情況進行了分析，對試驗過程中避雷器承受的電氣應力進行了仿真計算并與現(xiàn)場實測結果進行了對比，通過上述研究查明了避雷器故障原因。

1 普洱換流站中性母線避雷器配置

普僑直流中性母線避雷器配置如圖1所示。普洱換流站每極中性母線共有F1、F2和F3共3個中性母線避雷器，F(xiàn)2和F3均為E2型，由單臺E避雷器構成；F1為E1H型高能量避雷器，由8臺E避雷器并聯(lián)組成。E避雷器由4柱并聯(lián)組成，標稱放電電流為20 kA，相應的雷電沖擊保護水平(峰值)為320 kV，操作沖擊保護水平(峰值)為269 kV，對應的配合電流為2 kA；標稱吸收能量為3.6 MJ[10]。

圖1 普僑直流中性母線避雷器配置圖

2 故障過程及設備解體情況

2014年1月22日普僑直流極II金屬回線運行方式下進行直流線路人工接地試驗。在做完線路普洱側及僑鄉(xiāng)側接地試驗后進行直流線路中點人工接地試驗過程中直流中性母線差動保護動作，直流停運后對中性母線避雷器進行了直流1 mA測試，測試過程中發(fā)現(xiàn)F1避雷器并聯(lián)的8支避雷器中的一支在試驗電壓升至10 kV時，試驗電壓保護動作，現(xiàn)場外觀檢查發(fā)現(xiàn)底座蓋板和底座出現(xiàn)異常，如圖2所示。

圖2 避雷器底座防爆膜

為了弄清避雷器損壞原因，上述損壞的避雷器被運回避雷器生產廠家進行現(xiàn)場解體。解體前避雷器外觀檢查無明顯異常，復合外套表面無閃絡痕跡，排除外絕緣閃絡可能；將避雷器進行解體，將芯體從復合外套中吊出，發(fā)現(xiàn)密封圈完好，不存在破損情況，干燥劑保持干燥狀態(tài)，基本可排除內部受潮的情況；上、下防爆膜出現(xiàn)鼓肚，復合外套內表面有電弧灼燒痕跡，灼傷位置距上法蘭88 mm，避雷器芯體被電弧放電產生的煙灰覆蓋，用酒精清理后發(fā)現(xiàn)在金屬氧化鋅避雷器部分閥片表面及絕緣支撐桿表面存在閃絡痕跡，如圖3所示。

圖3 避雷器閃絡痕跡

避雷器由4柱并聯(lián)組成，每柱由48片閥片串聯(lián)組成，對每一片避雷器閥片進行檢查前，首先對閥片進行了編號，4柱分別編號為A、B、C和D，每一柱的閥片從上向下依次編號1～48，每一個閥片的編號由閥片柱編號和閥片在該柱的編號組成。根據(jù)總體檢查和對閥片單獨檢查結果，可以得到故障電弧閃絡路徑如圖4所示，圖(b)中深黑色表示有電弧放電比較嚴重的部位。

圖4 電弧閃絡路徑

對各個閥片進行仔細檢查后，發(fā)現(xiàn)編號為A06的閥片發(fā)生了碎裂，如圖5所示。

圖5 A06閥片圖片

通過現(xiàn)場解體，廠家認為故障避雷器及其所有閥片制造上合格，通過了例行試驗；沒有受潮、運輸損壞或操作不當?shù)嫩E象；避雷器故障是由于電氣能量過載所致。避雷器失效首先從A06閥片發(fā)生擊穿開始，隨后該閥片表面發(fā)生放電，最終導致整柱避雷器表面閃絡。閃絡導致的能量和壓力致使避雷器壓力釋放裝置動作，上下部防爆膜均出現(xiàn)變形。

在2014年5月7日和7月5日普僑直流金屬回線方式下進行直流線路故障試驗過程中也相繼發(fā)生了F1避雷器和F3避雷器損壞故障，隨后的現(xiàn)場解體情況與1月22日F1避雷器故障情況相似，均出現(xiàn)了部分閥片的貫穿性放電擊穿及沿閥片和絕緣桿表面的電弧閃絡路徑，廠家均給出了故障是由于電氣能量過載所致的結論。

3 避雷器吸收能量仿真校核

根據(jù)避雷器返廠解體結果，廠家認為是由于試驗過程中避雷器吸收能量過大所導致的，為此核算了試驗過程中避雷器的吸收能量。分別計算了直流線路首端、中點和末端處發(fā)生人工接地故障時E1H和E2避雷器的吸收能量和放電電流，計算結果如表1所示。

表1 直流線路不同位置處發(fā)生接地故障時 E型避雷器吸收能量和放電電流

Table 1 Absorption energy and discharge current of type E arrester inline fault happened indifferent parts of DC transmission line

從表1的計算結果可以看出，當直流線路發(fā)生接地故障時，E型避雷器吸收能量隨著故障點與整流站距離的增大而減小。當在整流站線路出口處發(fā)生接地故障時，避雷器吸收能量最大，其中E1H避雷器(8臺并聯(lián))吸收能量最大達5 664 kJ，占標稱吸收能量的19.7%，最大放電電流為2.94 kA，小于其操作波下的配合電流；E2避雷器吸收能量最大達576 kJ，占標稱吸收能量的16%，最大放電電流為0.35 kA，小于其操作波下的配合電流。當在線路中點處發(fā)生接地故障時，E1H避雷器吸收能量最大為3 424 kJ，占標稱吸收能量的11.9%，最大放電電流為1.63 kA，小于其操作波下的配合電流；E2避雷器吸收能量最大為464 kJ，占標稱吸收能量的12.9%，最大放電電流為0.34 kA，小于其操作波下的配合電流。當在逆變站出口處發(fā)生接地故障時，避雷器吸收能量最小，其中E1H避雷器吸收能量最大為1 248 kJ，占標稱吸收能量的4.3%，最大放電電流為0.8 kA，小于其操作波下的配合電流；E2避雷器吸收能量最大為188 kJ，占標稱吸收能量的5.2%，最大放電電流為0.16 kA，小于其操作波下的配合電流。各接地點處E1H和E2放電電流波形分別如圖6～8所示。

利用現(xiàn)場調試得到的錄波文件也可以計算得到避雷器的放電電流波形如圖9～ 11所示。

圖6 線路普洱側發(fā)生接地故障時避雷器 放電電流波形(仿真計算結果)

圖7 直流線路中點發(fā)生接地故障時避雷器 放電電流波形(仿真計算結果)

圖8 線路僑鄉(xiāng)側發(fā)生接地故障時避雷器 放電電流波形(仿真計算結果)

圖9 線路普洱側發(fā)生接地故障時避雷器 放電電流波形(根據(jù)暫態(tài)故障錄波推算結果)

對比圖6～ 8和圖9～ 11可以看出仿真計算得到的避雷器放電電流波形與根據(jù)錄波結果推算得到的基本吻合。根據(jù)圖9可以得到在普洱側線路出口處進行人工接地試驗時，E1H避雷器最大放電電流為2 720 A，E2避雷器最大放電電流為323 A；根據(jù)圖11可以得到在僑鄉(xiāng)側線路出口處進行人工接地試驗時，E1H避雷器最大放電流為762 A，E2避雷器最大放電電流為158 A；仿真計算結果與錄波推算結果基本吻合，仿真結果略偏保守。

圖10 直流線路中點發(fā)生接地故障時避雷器 放電電流波形(根據(jù)暫態(tài)故障錄波推算結果)

圖11 線路僑鄉(xiāng)側發(fā)生接地故障時避雷器 放電電流波形(根據(jù)暫態(tài)故障錄波推算結果)

當直流線路中點進行人工接地試驗時，由于E1H避雷器發(fā)生故障，圖10中避雷器放電電流僅在故障發(fā)生前是準確的。結合E1H避雷器放電電流波形，可以判斷E1H避雷器在圖10第2條時標線所對應的時刻發(fā)生了故障，從直流線路故障開始(圖10第1條時標線)到避雷器發(fā)生故障的時間間隔約為14.4 ms。根據(jù)圖10可以得到E1H避雷器故障前最大放電流為1 582 A，E2避雷器最大放電電流為286 A，放電電流波形與計算結果基本吻合，計算結果略保守。

4 結 論

此次E1H避雷器是在直流線路中點進行人工接地試驗過程中損壞的。從前面的分析可以看出，該試驗工況并不是對該型避雷器最嚴重的考核工況，仿真計算得到的避雷器損壞前的最大放電電流應不超過1 632 A。根據(jù)現(xiàn)場錄波波形計算得到的避雷器故障前的最大放電電流為1 582 A，均遠遠低于E1H避雷器的16 kA的操作沖擊配合電流。計算得到的避雷器最大吸收能量3 424 kJ，只占標稱吸收能量的11.9%。廠家提出的“電氣能量過載是導致此次避雷器故障”結論是沒有依據(jù)的。因此，結合故障避雷器現(xiàn)場解體情況和仿真結果可知普僑直流普洱換流站避雷器損壞故障是由于個別閥片存在質量缺陷所造成的。

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(編輯：劉文瑩)

Fault Analysis and Simulationon Neutral Bus Arrester in Nuozhadu-Guangdong UHVDC Project

JIA Lei, CAI Hansheng, CHEN Xipeng, LIU Gang, HU Shangmao, SHI Jian

(Electrical Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510080, China)

The arrester fault of neutral bus in Nuozhadu-Guangdong UHVDC project during debugging process was analyzed, the energy stress of the arrester was simulated and calculated, whose results were compared with the field measured results. The research results show that the maximum absorption energy of neutral bus’s arrester during system test is the 11.9% of its nominal designed value and has a large margin, so the electrical energetic overload is not the cause of the arrester fault, but are quality defects of individual valve plates.

UHVDC; neutral bus; arrester; discharge current; energy

TM 72

A

1000-7229(2015)09-0123-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.020

2015-07-17

2015-08-16

賈磊(1982)，男，工程師，博士，主要從事電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真及過電壓計算工作；

蔡漢生(1963)，男，高級工程師，碩士，從事電力系統(tǒng)過電壓及絕緣配合工作；

陳喜鵬(1983)，男，碩士，從事電力系統(tǒng)過電壓及絕緣配合工作;

劉剛(1985)，男，工程師，博士， 從事電力系統(tǒng)過電壓及絕緣配合工作；

胡上茂(1983)，男，工程師，博士，從事電力系統(tǒng)過電壓及絕緣配合工作；

施健(1987)，男，工程師，博士，從事電力系統(tǒng)過電壓及絕緣配合工作。