換流站500 kV串補阻尼回路故障分析及處理方案

蘇云東

（云南電網有限責任公司文山供電局，云南 文山 663000）

1 換流站串補阻尼回路應用現狀

高壓串聯補償裝置在當今電網有著廣泛的應用，它可以縮短輸電線路的電氣距離，提高線路輸送功率，改善電力系統的穩定性。2016年，南網境內首座受端富寧換流站內安裝了兩套容量分別為468 MVar和443 MVar的固定串補，很好地解決了受端弱系統輸送容量的問題，進一步提高受端直流系統運行的穩定性，其串補主接線如圖1所示。但如果串補發生故障退出運行，將使直流輸送功率受到限制。

圖1 單組串補主接線圖

經過近幾年的運行來看，串補設備易發生故障的部位主要有電容器、MOV、火花間隙、阻尼回路，而阻尼回路故障是最常見，且發生故障后由于備品等原因導致處理時間也是最長的。同時，在串聯補償裝置的保護中，現有標準或應用只提及了MOV、電容器火花間隙保護，而另一個重要設備阻尼回路的故障檢測和保護還沒有相應的規定。在已知的串補站安裝的所有高壓串補裝置中均沒有配置阻尼回路的故障檢測和相應保護，同樣換流站串補也沒有配置阻尼回路的故障檢測和保護。因此，當阻尼回路發生故障初期，運行人員很難及時發現故障并隔離，直到發展成嚴重故障甚至燒毀后才發現[1]。阻尼回路損壞后，如果沒有及時發現并進行處理，那么遇到間隙觸發的情況，將會損害電容器組和旁路開關，嚴重還會導致電容器單元群爆。本文就換流站串補阻尼回路故障原因進行分析，提出可靠處理方案，為串補下一步的改進完善提供參考意見。

2 換流站串補故障基本情況

2019年9月16日20：36，換流站運行人員線路串補開展日常測溫，最高溫度為20.8 ℃，如圖2（a）所示，溫度正常，串補在運行狀態，直流雙極功率為3 000 MW。23：08時，運行人員測溫，此時直流功率因00102刀閘發熱已申請降至2000 MW，串補自動旁路，旁路后現場于23：40開展測溫，線路A相最高溫度大于160 ℃，如圖2（b）所示，其他兩相溫度為24 ℃左右。

圖2 串補故障時測量圖

9月17日00：20，檢修人員發現線路A相串補阻尼回路干式空心阻尼電抗器上部冒煙，現場申請緊急停運，對串補進行檢查后發現阻尼回路有1只阻尼用MOV和4只阻尼電阻燒壞。

3 阻尼回路設備基本情況及作用

換流站阻尼裝置型號為ZKK-7，由干式空心阻尼電抗器和阻尼電阻器（阻尼用MOV+阻尼電阻）組成。阻尼電抗器電感值為0.496 mH，允許偏差為±5%，75 ℃時額定電流下損耗不得超過5%，雷電沖擊耐受電壓為325 kV。阻尼電阻器每相包含MOV和線性電阻兩部分，MOV和線性電阻串聯連接，MOV由10只并聯構成，每只額定電壓為7.5 kV，吸收能量1.5 MJ。線性電阻由4只并聯構成，每只電阻值為14×（1±5%） Ω，沖擊能量為1.4 MJ。

阻尼電阻回路的作用是限制電容器組放電的電流幅值及頻率，防止電容器組放電的電流造成電容器內熔絲、火花間隙、旁路開關的損壞，并能夠快速釋放電容器中殘余的電荷，避免電容器殘余的電荷對線路開關電壓恢復和線路潛供電流等產生不利影響。正常運行狀態時，MOV阻止電流流過阻尼電阻器。當觸發火花間隙導通或旁路開關合上時，阻尼回路接入，電容器的放電電流流經阻尼電抗器，從而限制電容器組放電電流的幅值和頻率[2]。電抗器兩端產生的過電壓使MOV閥片導通，從而使電流流過整個阻尼電阻，阻尼電阻用來吸收電容器組的放電能量，使電流進行一定的衰減。電容器組放電完畢后，MOV閥片截止，可以避免線路電流長期流過線性電阻引起損壞。

4 阻尼回路設備故障原因分析

4.1 故障時串補錄波分析

對串補旁路時刻三相電流波形進行對比分析，旁路開關合閘時刻，電流流過電容器和旁路開關的三相電流如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 A相串補旁路時刻電流波形

圖4 B相串補旁路時刻電流波形

圖5 乙線C相串補旁路時刻電流波形

從A相串補旁路時刻電流波形圖可以看出，在串補旁路開關合閘前，流過串補電容器的電流為1 500 A，流過旁路開關的電流為0 A。當旁路開關合閘后，流過串補電容器的電流沒有逐漸衰減，直接由12 500 A突降為0 A，流過旁路開關的電流為1 500 A。從B相和C相串補旁路時刻電流波形圖可以看出，在串補旁路開關合閘前，流過串補電容器的電流為1 500 A，流過旁路開關的電流為0 A。當旁路開關合閘后，流過串補電容器的電流由10 000 A經過約1.5 s逐漸衰減為0 A，流過旁路開關的電流為1 500 A。

分析A相、B相以及C相串補旁路時刻電流波形圖，B、C兩相旁路后流過串補電容器的阻尼回路電流波形為正常波形，均為逐漸衰減的波形，如圖6所示。而A相旁路后流過串補電容器的阻尼電流波形不正常，為阻尼回路故障電流波形，如圖7所示。

圖6 阻尼回路放電電流波形

圖7 阻尼回路故障電流波形

經過波形對比可以判斷，在線路串補旁路時刻，A相串補阻尼回路故障。

4.2 串補電流回路分析

串補電流回路圖如圖8所示，串補旁路前，線路電流經過電容器流過I1回路，當串補旁路后，線路電流經過阻尼回路旁路開關流過I2回路。

圖8 串補電流回路圖

通過對串補故障設備進行檢查和波形分析，A相串補阻尼回路故障形成的原因是串補旁路時串補電容器組兩端的電壓全部加在阻尼電抗器和阻尼電阻器上，導致一支阻尼用MOV被擊穿，線路電路長期經過阻尼電阻，使得阻尼電阻長期流過線路電流發熱而燒毀[3-5]。

4.3 A相串補阻尼電阻燒壞原因分析

當發現串補發熱冒煙后，運行人員于9月17日00：38將串補隔離，其串補隔離時刻的電流波形如圖9所示。

從串補旁路時刻9月16日23：08至發現串補發熱時刻23：40，時差T1=32 min；至串補冒煙時刻9月17日00：20，時差T2=72 min；至串補隔離時刻9月17日00：38，時差T3=90 min。根據電阻發熱計算公式W=I42RT及《換流站串聯補償基礎設計報告》，阻尼電阻值為3.5 Ω，阻尼電阻能承受的累計能量為5.6 MJ，即當阻尼電阻的發熱量大于5.6 MJ時，電阻將燒壞，則可計算出電阻燒壞的極限時間為：

當線路電流為1 500 A，持續流過阻尼電阻時間超過42 min時，阻尼電阻將燒壞。當發現阻尼電抗器上部冒煙時已過了72 min，超過電阻持續過極限時間。

當線路輸送功率為滿負荷時，即線路電流為3 000 A時電阻燒壞的極限時間為：

根據上述原因分析可以得出，線路A相串補阻尼電阻發熱并燒壞的原因為串補旁路時，串補阻尼回路MOV被擊穿，阻尼電阻長時間流過線路電流而燒壞。當串補旁路時，若阻尼MOV擊穿，線路電流長時間（超過42 min）流過阻尼電阻，則阻尼電阻將被燒壞。

5 預防串補阻尼回路故障的建議及處理方案

由于阻尼回路任一個MOV被擊穿時，如未能及時時發現，阻尼電阻必定會被燒壞，因此必須采取預防串補回路故障的措施。針對串補沒有配置阻尼回路的故障檢測及保護，提出如下建議及處理方案。

一是當串補旁路時，運行人員立即對串補MOV、阻尼電抗器、阻尼MOV等設備進行測溫，發現溫度明顯升高時，應在30 min內將串補隔離，若是滿負荷時應在10 min內將串補隔離。二是在阻尼電阻支路上安裝一個CT，用于測量流過阻尼電阻的電流，若此電流持續時間較長（如大于5 s），則說明阻尼回路故障，應采取措施及時隔離串補。同時，可將此條件作為串補保護的補充，進一步完善串補保護，即當串補旁路后并監測到串補阻尼回路故障時，自動將串補隔離，避免由于各方面原因導致阻尼回路長期流過電流而燒壞電阻。三是在阻尼電阻上安裝溫度傳感器，當溫度異常時（如大于65 ℃），發出告警信號，當溫度過高時（如大于160 ℃）及時隔離串補。四是由于阻尼電阻燒壞后串補不能繼續運行，將影響直流功率的輸送，鑒于阻尼電阻燒壞的機率較大，應配置一套阻尼電阻備品。

6 結 論

串補旁路時串補兩端的電壓全部加在阻尼回路上，電容器組的電流通過阻尼回路快速釋放，若此時阻尼用MOV被擊穿閥片不能恢復阻斷能力，則線路負荷電流將長期流過阻尼電阻，導致阻尼電阻發熱燒壞。而串補沒有配置阻尼回路的故障檢測及保護，當阻尼回路故障時，運行人員不能及時發現阻尼回路的設備故障，直到設備發熱燒壞冒煙，甚至引起相鄰設備故障擴大故障范圍導致串補保護動作后才將串補隔離。本文通過對一起串補故障原因進行分析，提出了預防阻尼回路故障的建議及處理方案，為防止類似故障的發生提供了參考意見。