500kV固定式串聯補償裝置故障分析及防范措施的研究

鄧潔清，郭雅娟，邵 邵，劉 陽

（1.江蘇省電力公司檢修分公司，南京 211102；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 213003）

線路阻抗是限制長距離輸電容量的重要因數，輸電線路加裝固定式串聯補償電容器裝置（簡稱串補裝置）可以減小線路電抗，是提高輸電容量的有效措施［1］。串補裝置由補償電容器、氧化鋅避雷器（簡稱MOV）、保護間隙（簡稱GAP）、旁路斷路器、阻尼阻抗、保護裝置以及測量元件構成，組成元件較多，相互之間的配合較為復雜，增加了串補裝置的故障概率［2］。本文以500kV三堡變電站東三II線串補裝置在區外短路時避雷器發生故障為例，對故障波形及保護動作情況的分析、相關組成設備的試驗進行詳細說明，以此提高專業人員對串補裝置故障的分析和處理能力，同時結合三堡變串補裝置歷次故障情況，給出相關運維防范措施。

1 串補裝置結構分析

500kV三堡變和東明變之間通過三條線路連接，承擔陽城電廠260萬kW電能的送出。東三線3條線路全長大約260km，在三堡變側各裝設1組（3相）串補裝置。串補裝置的主要元件有：電容器、MOV、保護間隙、旁路斷路器、阻尼電抗、保護裝置以及電流互感器，具體如圖1所示。

圖1 串補裝置結構示意圖

（1）電容器起到補償輸電電感的作用，每相電容器容抗為29.92Ω，對應電容值為106.4μF，由288只電容單元按兩組并聯方式組成［3］。

（2）MOV分為兩個支路和電容器并聯，防止電容器承受過電壓而損壞。每相MOV數量為14只（其中2只備用），額定吸能能力為61MJ，伏安特性如表1所示。

表1 MOV伏安特性表

（3）GAP、旁路斷路器和電容器及 MOV并聯。當線路區內故障，電容器和MOV流過大電流時，保護裝置觸發導通間隙和發令閉合旁路斷路器，避免電容器和MOV承受大電流而損壞，或者當電容器、MOV故障時，保護裝置觸發導通間隙和發令閉合旁路斷路器，將電容器、MOV安全退出。GAP的結構如圖2所示，串補保護發出高壓脈沖觸發點火間隙，電容器C4通過阻尼電阻放電，放電電流通過觸發變壓器的一次線圈觸發精密間隙，電容器C3通過阻尼電阻放電。C3和C4放電后，由于C1和C2所分擔電壓升高造成上部主間隙擊穿燃弧，上部主間隙擊穿燃弧后C1和C2通過主間隙放電，進一步造成C3、C4上分擔電壓升高造成下部主間隙擊穿燃弧，至此整個間隙擊穿導通［4］。

圖2 GAP結構示意圖

（4）阻尼電抗用于阻尼間隙和旁路斷路器導通時電容器反充電的暫態大電流。

（5）保護裝置由電容器保護、MOV保護、GAP觸發保護、平臺保護以及重投保護等模塊構成，具體功能見表2［5］：

2 串補裝置故障分析

2.1 故障概述

18：46：54.440，500kV陽東I線在東明變出口處發生C相瞬時接地故障，兩側斷路器跳開后重合成功。18：46：57.574，500kV陽東I線在東明變出口處再次發生C相接地故障，線路兩側斷路器跳開不重合（重合閘充電時間未到），同時陽東III線在東明變出口處發生AB相間接地短路故障，兩側斷路器跳開后不重合。18：46：57.574，三堡變東三II線串補B相MOV大電流保護動作、MOV不平衡保護動作、GAP拒觸發保護動作，東三II線串補旁路斷路器三相合閘，串補退出運行且永久閉鎖。串補裝置區外故障時，MOV大電流保護、不平衡保護和GAP拒觸發保護都不應該動作，這說明串補裝置有故障發生如圖3所示。

表2 串補保護裝置功能說明

圖3 故障時系統接線圖

2.2 故障波形及保護動作情況分析

18：46：57.574陽東I線發生C相接地故障、陽東II線發生AB相接地故障，對于三堡變的東三II線串補裝置而言是線路區外三相短路故障，故障電流波形如圖4所示。

圖4 故障電流波形圖及放大圖

從東三II線串補保護故障波形圖中可以看出：

（1）故障發生時，線路故障電流呈現三相短路的特征，有效值為2 050A，此時B相電容電流和B相線路電流完全相同。B相MOV支路1和支路2、GAP都沒有電流流過，說明此時MOV未動作、GAP未導通。

（2）故障發生后約20ms左右，B相電容器電流突然增加，峰值為70 700A，同時B相MOV支路1電流也突然增加。如圖4所示。B相電容電流和MOV支路1的電流大小相等、方向相反。此時B相MOV支路2、GAP電流幾乎為0。

（3）東三II線串補裝置近區人工短路試驗數據為：最大短路電流峰值為39.61kA，電容器兩端的最大電壓值約為210kV，流過MOV的最大電流峰值為7.65kA［7］。而本次故障電流最大峰值3 550A，推算電容器兩端最大電壓值21kV左右，根據 MOV伏安特性，MOV不應動作，流過電流很小，所以進而判斷，MOV支路2不動作屬于正常，MOV支路1因為故障擊穿，電容通過MOV支路1放電產生大電流。

從東三II線串補保護動作信號序列如表3所示，可以看出：

（1）東三II線區外故障發生后的20ms左右，由于 MOV支路1流過大電流（70 700A），且連續三個采樣點值都大于定值（10 000A），所以MOV大電流保護瞬時動作；MOV支路1流過大電流，而MOV支路2無電流流過，所以MOV不平衡保護保護也同時動作。

（2）MOV大電流保護、MOV不平衡保護的動作策略都是觸發GAP和合旁路斷路器。由于MOV支路1故障擊穿，GAP兩端沒有電壓，所以當串補保護發出GAP觸發命令時，GAP無法導通，這一點由GAP的觸發原理可知，因此GAP拒觸發保護動作。

表3 東三II線串補保護裝置動作信號表

2.3 串補裝置試驗分析

通過串補裝置組成元件的檢查發現：B相MOV支路1的一只避雷器上下防爆膜都被頂開，如圖5所示。檢查結果證明了前文分析的正確性。

（1）對B相所有避雷器開展診斷性試驗，并和上次例行試驗數據進行比對，故障避雷器數據見表4。從試驗數據可以看出：故障避雷器的直流參考電壓和正常避雷器相比，和上次試驗數據相比，略有下降，這說明故障避雷器應該是閥片沿面閃絡，并非閥片本體擊穿。

圖5 故障避雷器防爆口

表4 避雷器試驗數據表

（2）對故障避雷器進行解體檢查發現：故障避雷器隔弧筒及電阻片結構完整，但四周已熏黑，為沿柱面閃絡造成；大部分電阻片邊緣存在受潮痕跡，中間部位未見異常，如圖6所示。

圖6 故障避雷器解體

（3）為進一步確認避雷器故障是否由閥片劣化引起，對閥片開展大電流沖擊試驗［8］。試驗分別選取故障避雷器和正常避雷器氧化鋅閥片各3片，分別施加幅值為10kA的8／20μS沖擊電流，殘壓均在6kV左右，結果未見明顯異常，典型波形見圖7。進一步證明故障避雷器是由于受潮導致沿面閃絡，并非閥片劣化導致擊穿。

圖7 避雷器電阻片波形圖對比

3 結論及防范措施

東三II線串補裝置B相避雷器組的一支由于密封不嚴導致內部閥片受潮。線路正常運行時，串補裝置流過負荷電流，受潮避雷器承受電壓較低，尚可運行［9］；線路故障時，串補裝置流過短路電流，受潮避雷器突然承受高電壓沖擊，內部閥片沿面閃絡，造成MOV相關保護動作，串補裝置永久退出，造成線路輸送容量下降。500kV三堡變三組串補裝置從投運以來發生過多次缺陷（故障），主要缺陷見表5。

表5 三堡變串補裝置缺陷（故障）匯總

根據本次串補裝置故障的原因分析，同時結合歷年缺陷（故障）情況，對防止固定式串補裝置故障，提出以下運維措施：

（1）定期對串補裝置進行精確紅外檢測，重點檢查電容器組引線接頭、電容器外殼、MOV端部以及串補平臺上電流流過的主要設備。

（2）密切關注電容器組不平衡電流值，當確認該值發生突變或越限告警時，應盡早安排串補裝置檢修［10］。

（3）結合停電檢修工作，對每相的兩組電容器參數進行測試，對于參數不平衡的電容組進行調整以保證兩組電容器參數基本一致；對每支避雷器進行直流參考電壓和直流泄露電流試驗，特別注意測試數據的一致性。

（4）結合停電檢修工作，對多次動作的保護間隙進行必要的處理和更換，例如打磨、清潔。

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