南橋換流站閥塔光纖放電問題分析

朱柳慧，肖燁輝，倪汝冰，費 斌，錢程晨

（國網上海市電力公司檢修公司，上海 200063）

2013年底，上海±500 k V南橋換流站對雙極閥塔光纖及光纖槽進行改造。在啟動Ⅰ調試期間，出現光纖放電現象。光纖放電會導致光纖表皮灼傷損壞，嚴重時將導致換流閥晶閘管觸發與回報信號傳輸受阻，進而引起直流閉鎖的嚴重故障。經過反復分析和多輪整改，現已基本消除了放電現象。

1 問題分析

1.1 閥廳光纖改造原因

南橋站換流閥為±500 k V懸吊式四重閥結構，采用光電轉換的觸發方式，閥塔頂部為地電位，底部為高電位，每個四重閥都連接于交流系統同一相上。單相閥塔含有4個單閥，每個單閥含有4個半層閥，單相閥塔共16個半層閥，分左右兩列布置，共8個閥層（見圖1）。上下兩個單閥之間的額定電壓是125 k V［1］。

圖1 南橋站換流閥結構

閥塔采用光纖技術進行閥控和檢測，具有較高的隔離電壓［2］。每相閥塔有4條光纖槽，其中2條短光纖槽內放置1至4層的光纖、2條長光纖槽內放置5至8層的光纖；每個半層閥有兩個閥段，每個閥段有15只晶閘管串聯組成，每個半層閥的光纖從兩個閥段的中橫梁引出至層間光纖槽。每相閥塔中共用到4種光纖，分別是二進八出的觸發光纖、八進八出的回檢光纖、二進二出的避雷器光纖和五進五出的漏水檢測光纖。

2013年10月8日，南橋站極1極控B系統發晶閘管冗余耗盡跳閘信號，極1閉鎖?，F場檢查B相閥塔損壞的光纖槽發現該段光纖槽內壁有4處非貫穿性樹枝狀放電痕跡（見圖2），在非故障相（C相）光纜槽內，特別是壓接處也發現多處輕微放電痕跡（見圖3）。

圖2 光纜槽樹枝狀放電痕跡

圖3 光纜槽壓接處輕微放電

初步分析故障原因是：在長期運行中，極1 B相閥塔內光纜槽表面半導體漆涂層性能劣化，在場強集中處產生多處樹枝狀爬電。同時，由于早期工程設計中光纖及扎帶未按阻燃標準設計（均為可燃物），爬電產生的小電弧引燃光纜及扎帶，燒斷光纖導致閥觸發和回報脈沖丟失，最終導致直流閉鎖。

2.2 改造后放電現象

為避免類似事故再次發生，確保葛南直流穩定運行，對南橋站雙極閥塔光纖及光纖槽進行改造。采用目前新建直流工程中普遍使用的全絕緣阻燃型光纖槽代替原半導體涂層光纖槽，全絕緣阻燃光纖代替易燃光纖，并取消扎帶。

在改造工作完成后，于2014年3月24日雙極進入啟動調試階段。在做開路試驗時，發現閥基電子設備（VBE）柜內有異常聲響，當時直流電壓升至100k V，進一步檢查發現A、B、C三相VBE柜內均存在放電現象。利用紫外成像儀檢查發現，放電位置為VBE柜內光纖固定夾板處、VBE柜底部夾層光纖堆積處和閥控板卡端子處，每秒放電數達到32700光子數。此外，通過對光纖槽內等電位點的抽查發現，閥塔光纖槽內的光纖也存在放電。

由于本次改造只換了光纖和光纖槽，而原光纖和光纖槽在運行的二十余年里沒有發生過此類放電現象，故應從改造前后更新的部件著手進行對比分析。

2.3 光纖槽放電解決方案

從電氣絕緣的原理可知，任何處于高壓電場的懸空物體都存在感應電荷。絕緣越好的物體，表面的感應電荷泄放越困難，越容易積聚。處于不同電位的物體，相接近或感應電荷積聚超過相互之間的絕緣水平就會放電。為了避免換流閥發生這種放電造成光纖損壞，通常對光纖進行分段等電位鉗位，對閥控設備進行接地屏蔽等措施。

原光纖回路為了解決不同電位的感應電荷問題，光纖槽采用了半導體材料，當電荷積聚時可以得到有效的引走。改造后的光纖槽沒有采用半導體材料，屬于高絕緣強度。光纖槽對比見表1。

表1 光纖槽絕緣情況對比

第一批次新光纖槽無半導體涂層，在其他直流工程中，同樣采用阻燃的絕緣光纖，卻沒有放電，其中一個重要原因就是閥塔和VBE柜的設計結構不同。以林楓直流工程為例，換流閥光纖到閥塔頂部后，通過數十米長的金屬導電光纖橋架引至VBE室，光纖在導電光纖橋架中進行分段捆扎和固定，可以使光纖槽內光纖充分與地電位連接，有效地將光纖電位鉗制在地電位，避免將高電位引至VBE柜上，見圖4和圖5。

葛南直流工程的VBE安裝在閥廳閥塔正上方，葛南工程投運較早，受早期光纖收發器件、光纖本體的功率及衰減參數影響，導致換流閥連接光纖長度受限，無法將閥控設備布置到控制室，所以閥控屏柜就近安裝在閥廳內的閥塔頂部（見圖6）。這樣一來閥控設備及閥控側光纖相比新建直流工程，在更為嚴酷的電磁環境下運行，對相應設備的屏蔽及接地處理也有了更為嚴格的要求。

圖4 換流閥與VBE間的金屬走線槽

圖5 光纖橋架

圖6 葛南工程閥控柜安裝位置

考慮到目前不具備搬移VBE柜的改造條件，因此從現有條件來分析VBE柜屏柜、柜底和光纖槽的具體放電點，尋找解決放電問題的辦法。

（1）VBE柜光纖固定夾板處放電。VBE柜內明顯的放電點位于光纖固定夾板處，二進八出觸發光纖的金屬轉接頭與固定架板間放電，并且光纖金屬轉接頭距離固定夾板點只有0.5～1 mm的間隙，見圖7。

光纖的金屬轉接頭沒有接地，處于懸浮狀態。在換流變充電沒有解鎖時，換流閥上只有正弦交流電壓，此時空間電磁場均勻。當換流閥解鎖并升壓時，換流閥內出現高頻電壓及磁場，高頻電磁場會引起懸浮的金屬部件產生感應電勢，由于固定夾板點電位低且距離非常近，就會引起放電。因此，采取的措施是將等電位銅墊片安裝在光纖固定夾上，以此把光纖轉接頭接到附近的地電位上，徹底解決懸浮電位的問題。

圖7 懸浮的金屬轉接頭

（2）VBE柜柜底處放電。光纖一端連接處于高電位的換流閥，一端連接VBE柜，高電位電勢沿光纖長度線性分布。如果處于地電位的光纖接地，高電位是不會引致地電位的，接地有效距離不夠，也就是說需要分段逐級等電位。從光纖槽出來到VBE柜這一段沒有做等電位的措施。放電產生對VBE柜板卡危害很大，從試運行情況來看，共有4塊VBE-MC板卡被打壞，因此需要在VBE柜底進行光纖接地處理。采取的措施是，在閥塔剛進入VBE柜的光纖束采用金屬編制帶，并固定在屏柜接地銅排上。

（3）閥塔光纖槽內放電。整改后光纖槽等電位點上也存在明顯的放電痕跡。經分析，該放電原因為光纖采用扎帶捆綁，缺乏等電位有效連接而導致的空間電暈放電。此外，扎帶捆綁對光纖槽里的光纖玻璃纖維也會造成一定的損壞，導致光通量的減小。

與VBE柜底放電的解決方案一致，采取對光纖逐段進行等電位連接的方式。根據錦蘇、哈鄭等工程的運行經驗，為使槽盒內部電位分布更加均勻，在光纖槽盒連接點增加一個等電位銅板，并且用防火棉（阻燃泡沫）固定壓實，以確保層間光纖電位均勻分布。

2.4 光纖本體放電解決方案

新采用的光纖材料結構如表2所示。

表2 光纖本體放電解決方案

新采用的光纖材料與原有光纖和林楓直流工程中所用的材料相比，有兩個不同點。

（1）第一批次新光纖為多芯結構，原有的和林楓直流工程均為單芯。典型的光纖為單芯結構，由外包層／內包層環繞著纖芯構成一條光波導。多芯光纖是一個共用外包，內含有多根纖芯，而每根纖芯又有自己的內包層的單模光纖。因此，每個芯都是一條光（纖）波導，即一根多芯光纖的功能相當于多根單芯光纖。這種光纖的明顯優勢是生產成本較普通的光纖低約50%。多芯單模光纖的彎曲和微彎曲損耗特性良好，抗機械強度高，便于施工。單芯與多芯的電氣性能無明顯區別。

（2）第一批次新光纖表皮為杜邦公司的四氟乙烯（ETFE）材料。杜邦公司的TEFZEL 750，也稱四氟乙烯，其特點是具有高絕緣強度。聚氨酯為普通電纜采用的表皮材料。對比楓涇換流站的光纖采用聚氨酯＋3%的炭黑材料。根據查閱到的國內相關文獻可知，炭黑與導電性有關系，如圖8所示。由圖8可以看出，隨著炭黑填充含量的增加，復合材料的體積電阻率有所下降。但這種復合方式，僅僅是增加了材料中的導電粒子的濃度，引起隧道效應和場致發射增強，使其體積電阻率緩慢下降，而不會使其電阻率突降產生“滲流效應”，形成完全的導電通路。

圖8 炭黑填充率對導電性能影響

因此，填充了炭黑的聚氨酯光纖表皮降低了絕緣強度，使其呈現半導體的性能。南橋站第一批次新光纖采用的光纖絕緣強度遠高于其他站的光纖絕緣強度。經廠家的理論分析和相關實驗驗證，造成之前新光纖存在高壓場強下感應電位偏高的主要原因是，該批次的光纖與護套材料電性能匹配性不佳所造成。

新光纖表皮采用的是四氟乙烯，這種材質是良好的電介質材料，絕緣強度高，介電常數一般為2.6。新光纖的玻璃纖維主要原料是二氧化硅，它不具有導電性。這兩種材質雖然都絕緣，但當介電性能沒有匹配好時，就會產生電位差，造成放電。

因此，解決了光纖與ETFE護套的匹配問題，就能基本消除光纖槽內存在的光纖放電現象。從配方方面，使用穩定可靠的低介電配方；從工藝方面，需要保證光纖在線涂覆充分和劑量控制，同時與成纜工藝參數匹配；使用光纖處理劑，有效改善光纖與護套的匹配性能。

采用改良過的第二批次新光纖后，光纖在高頻直流場強內的靜電強度大大降低，此外還需要保留部分措施以消除感應電。由于扎帶容易造成光纖內部玻璃纖維的損壞，因此采用阻燃海綿來代替扎帶去固定光纖，以有效緩沖閥塔振動對光纖的不良影響，不易造成光纖的折損，并能起到阻燃的效果，措施示意圖如圖9所示。由于不需要扎帶綁扎孔后，光纖槽也相應需要更換。

圖9 利用阻燃泡沫固定光纖的安裝位置圖

3 結語

葛南工程光纖改造工程項目為首個長期運行后的換流站更換換流閥光纖的項目。雖然同樣的產品用于其他直流工程上運行情況良好，但不能完全照搬來用。廠家在設計階段對空間電磁感應造成的影響分析不足，造成改造施工時處理措施不到位。綜上分析，通過更換光纖，采用工藝改良的第二批次光纖，并保留等電位銅板、阻燃海綿和VBE柜光纖固定夾板處接地措施后，運行情況良好，至今無任何放電和損壞發生，證明整改措施有效。此外，在新建直流工程的前期設計時，應考慮采用全絕緣阻燃材料的同時，把VBE柜設計在閥廳以外的場所。

［1］ 魏壽彭.葛上±500 k V直流輸電工程淺論［J］.華中電力，1991（1）：116-127.

［2］ 延匯文，邱阿瑞，劉玉偉.晶閘管的光纖觸發技術［J］.電力電子技術，2013，37（3）：86-87.

YAN Hui-wen，QIU A-rui，LIU Yu-wei.Thyristor triggered with fiber［J］.Power Electronics，2003，37（3）：86-87.