一起同塔雙回直流輸電線路避雷器擊穿事故原因分析

陳慧，劉寧

（中國南方電網(wǎng)公司超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 前言

遠距離輸電采用高壓直流輸電技術(shù)具有線路造價低、運行電能損耗小、線路走廊窄的優(yōu)點，通常架空線路超過600～800 km，直流輸電較交流輸電更為經(jīng)濟。±500 kV 單回雙極直流輸電線路的最大輸送容量為300 萬 kW，如要輸送更大容量的功率，解決措施之一就是采用同塔架設(shè)的雙回四極輸電技術(shù)。由于雙回四極同塔架設(shè)，且輸電距離較遠、線路走廊地形復(fù)雜，該直流系統(tǒng)發(fā)生因山火等導(dǎo)致輸電線路共因故障、相繼跳閘的概率較高[1-3]。

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流站內(nèi)設(shè)備的主要保護裝置為金屬氧化鋅避雷器，直流側(cè)產(chǎn)生的過電壓由直流側(cè)的避雷器進行限制。直流輸電線路避雷器布置在12 脈動閥組低壓側(cè)及接地極線路側(cè)，用于保護中性母線設(shè)備的避雷器，被稱為“E”型避雷器。故障時，E 型避雷器會產(chǎn)生很大的能量，為了滿足避雷器能量要求，一般采用多只避雷器并聯(lián)方式。近年來，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生過多起E 型避雷器故障，嚴重影響高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運行[4]。國內(nèi)對高壓直流輸電線路重啟邏輯的研究逐步深入，工程應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的問題也多有分析[5-8]。

本文結(jié)合南方電網(wǎng)公司某±500 kV 同塔雙回直流輸電線路相繼跳閘事故，闡述了直流系統(tǒng)共因故障的發(fā)生經(jīng)過，分析了造成直流輸電線路避雷器損毀的原因。

1 故障經(jīng)過

2023 年4 月，南方電網(wǎng)公司某±500 kV直流工程發(fā)生了一起同塔雙回直流輸電線路避雷器擊穿事故。事故前運行方式為甲極1 冷備用，甲極2 金屬回線、乙回直流雙極大地回線方式。故障發(fā)生后，甲極2、乙回直流雙極相繼跳閘，導(dǎo)致整流站甲回直流接地極線路E 型避雷器F2-1 擊穿，甲極2、乙極1 線路重啟不成功，站內(nèi)安全穩(wěn)定控制裝置動作，切除送端電廠#15機組。

在該直流工程中，線路故障重啟判據(jù)設(shè)定為：當(dāng)電壓達到0.9 倍重啟電壓，系統(tǒng)發(fā)線路重啟成功信號。根據(jù)本次故障波形分析，甲極2 建壓時間較乙極1 多，故SER 信息顯示甲極2 重啟成功時間較乙極1 晚100 ms 左右。故障簡要經(jīng)過如圖1 所示。A 階段工作站報甲極2、乙極1 線路行波保護、線路突變量保護動作。B階段乙極1 降壓80% 重啟成功。C 階段甲極2降壓80%重啟成功。D 階段乙極2 線路低電壓保護動作。E 階段甲極2、乙極1 線路行波保護、線路突變量保護動作。F 階段乙極2 降壓80%重啟成功。G 階段甲極2 接地極母線差動保護動作，甲極2、乙極1 跳閘退至交流側(cè)熱備用。

圖1 故障時序圖

2 保護動作情況分析

高壓直流輸電線路發(fā)生故障導(dǎo)致系統(tǒng)閉鎖，在電力系統(tǒng)中屢見不鮮，故障原因也不盡相同[9]。本次跳閘事件，甲極2 及乙回直流雙極各發(fā)生3次故障，具體保護動作情況分析如下：

2.1 甲極2保護動作情況分析

1）第1 次故障

由錄波波形可知，故障時特征量差模幅值、共模幅值、共模突變量均大于定值，且輔助判據(jù)均滿足動作條件，故行波保護WFPDL 正確動作。

低電壓值小于定值0.25 p.u，電壓突變量值小于定值-1.16 p.u./ms（-580 kV/ms），且輔助判據(jù)均滿足動作條件，故線路突變量保護27 du/dt正確動作。

2）第2 次故障

甲極2 線路再次故障，行波保護WFPDL動作、線路突變量保護27 du/dt 正確動作，因兩次故障時間小于5 s（直流極控重啟動定值為5 s 內(nèi)直流允許重啟1 次），甲極2 不執(zhí)行重啟過程，轉(zhuǎn)為閉鎖。

3）第3 次故障

故障時刻接地極母線差動保護（87EB）差流超過定值，時間持續(xù)600 ms，滿足87EB 動作邏輯，保護正確動作。

2.2 乙回直流雙極保護動作情況分析

1）乙極1 第1 次故障

由錄波波形可知，故障時特征量差模幅值、共模幅值、共模突變量均大于定值，且輔助判據(jù)均滿足動作條件，故行波保護WFPDL 正確動作。

低電壓值小于定值0.25 p.u，電壓突變量值小于定值-1.16 p.u./ms（-580 kV/ms），且輔助判據(jù)均滿足動作條件，故線路突變量保護27 du/dt正確動作。

2）乙極1 第2 次故障

乙極1 線路再次故障，行波保護WFPDL動作、線路突變量保護27 du/dt 動作，極控重啟動次數(shù)達到上限跳閘，保護正確動作。因兩次故障時間小于5 s（極控重啟動定值為5 s 內(nèi)直流允許重啟1 次），乙極1 不執(zhí)行重啟過程，轉(zhuǎn)為閉鎖。

3）乙極2 故障

乙極2 線路低電壓保護（27DCL）動作，降壓80% 重啟動成功。線路電壓UdL故障期間小于250 kV，持續(xù)時間達到120 ms，故27DCL保護正確動作。

3 避雷器故障過程分析

本次跳閘事件導(dǎo)致甲回直流接地極線路E型避雷器F2-1 擊穿，事故經(jīng)過分為五個階段（經(jīng)直流控制保護實時仿真平臺驗證，故障發(fā)展經(jīng)過基本吻合），分析如下：

第一階段，甲極2、乙極1 線路故障跳閘，重啟過程中，甲極2 接地極線路避雷器動作，系統(tǒng)故障回路如圖2 所示。此次故障期間，整流站及逆變站側(cè)兩極電壓、電流變化趨勢一致，且電壓、電流值大小相等、方向相反，甲極2、乙極1 直流線路發(fā)生極間線路短路故障。

圖2 系統(tǒng)故障回路圖（第一階段）

甲極2 第一次線路故障重啟期間，接地極線路避雷器已動作，避雷器動作后將中性母線電壓限制在105 kV 左右。甲極2 線路去游離、重啟期間，中性母線過電壓值小于避雷器動作值，避雷器未動作。且線路重啟過程中，避雷器能正常承受系統(tǒng)電壓，故可判斷甲極2 第一次故障重啟過程中，避雷器未發(fā)生擊穿。

第二階段，甲極2 第二次故障、乙極2 第一次故障，甲回接地極線路避雷器發(fā)生第二次過電壓沖擊，系統(tǒng)故障回路如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)故障回路圖（第二階段）

15 時17 分04 秒239 ms，甲極2、乙極2同時呈現(xiàn)故障特征，變化趨勢相同。且比對故障期間的前10 ms 左右，兩個極的電流大小相等，判斷乙極2（-480 kV）對甲極1（7 kV）線路發(fā)生高阻放電，導(dǎo)致甲極1 直流線路電壓突變，整流側(cè)站內(nèi)甲極2 中性母線電壓快速抬高，接地極線路避雷器動作。中性母線電壓被限制至104 kV 左右，約10 ms 后避雷器發(fā)生貫穿性故障，系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障點。

第三階段，甲極2 單極金屬、甲回直流接地極線路避雷器已擊穿，乙極2 線路故障后正歷經(jīng)去游離過程、乙極1 單極大地回線方式運行，系統(tǒng)故障回路如圖4 所示。此時故障回路為甲極2 線路、甲極1 線路、整流站側(cè)甲回直流接地極線路故障避雷器，逆變站側(cè)甲回直流站內(nèi)接地開關(guān)IdSG、乙極1 線路、大地、乙回直流接地極，整流站甲極2 中性母線電壓UdN為正值（1～2 kV）、逆變站甲極2 中性母線電壓UdN 為0 電位，故導(dǎo)致甲極1 線路電流反向、整流站側(cè)線路電流小于逆變站側(cè)（乙極1 電流激勵作用）。

圖4 系統(tǒng)故障回路圖（第三階段）

第四階段，甲極2 單極金屬、甲回直流接地極線路避雷器已擊穿，乙極1 單極大地、乙極2 線路故障后正歷經(jīng)去游離過程，乙極1、甲極2 第二次同時故障。此時，第三階段故障回路仍然存在，系統(tǒng)故障回路如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)故障回路圖（第四階段）

甲極2、乙極1 同時故障，整流站、逆變站兩極電壓、電流變化趨勢一致，且大小相等、方向相反，判斷甲極2、乙極1 線路再次發(fā)生極間短路故障，迫使甲極1 線路電流再次反向增加。

第五階段，甲極2、乙極1 故障閉鎖，乙極2 單極大地運行。此時第三階段故障回路仍然存在，系統(tǒng)故障回路如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)故障回路圖（第五階段）

期間，甲極1 線路仍有約800 A 電流。結(jié)合系統(tǒng)運行工況，判斷甲極1 線路故障電流為乙極2 的分流，故障回路為乙回直流接地極線路—接地極—整流站甲回直流接地極線路故障避雷器—甲極1 線路—逆變站側(cè)甲回直流站內(nèi)接地開關(guān)。因乙極2 的激勵作用，甲極1 線路電流再次由負轉(zhuǎn)為正。

4 避雷器故障原因分析

電力系統(tǒng)中避雷器故障，多由過電壓引起[10-11]。同塔雙回直流輸電系統(tǒng)中，單極故障可能引起過電壓[12]，如避雷器絕緣裕度不足，易導(dǎo)致避雷器的熱崩潰擊穿。本次事件中，故障避雷器伏安特性如圖7 所示。

圖7 避雷器伏安特性

殘壓kV

第一次線路故障時，錄波數(shù)據(jù)顯示故障避雷器承受的主要沖擊共2 次，分別讀取各段沖擊電壓的平均峰值與持續(xù)時間，再根據(jù)故障避雷器的伏安特性取得對應(yīng)電壓下電流值，估算吸能計算如下：

此時，故障避雷器所吸收總能量約為3.71 MJ。

第二次線路故障時，錄波數(shù)據(jù)顯示故障避雷器承受的主要沖擊共1 次，估算吸能計算如下：

此次，吸收總能量約為0.43 MJ。

綜上，直流線路兩次跳閘后，故障避雷器累計吸收能量已達4.14 MJ，遠超避雷器額定1.8 MJ 的能量吸收能力，最終避雷器內(nèi)部發(fā)生熱崩潰，進而造成避雷器壓力釋放。

5 結(jié)束語

本起避雷器故障的原因為同塔雙回直流輸電線路通道發(fā)生大面積山火，導(dǎo)致甲極2、乙回直流雙極線路相繼跳閘，甲極2 金屬回線運行方式下，短時間內(nèi)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓，避雷器吸收能量過高，造成甲回直流接地極線路E 型避雷器F2-1 擊穿損毀。經(jīng)后期解體檢查發(fā)現(xiàn)，該避雷器下端防爆膜動作，內(nèi)部共四柱閥片整體表面有碳化現(xiàn)象，部分柱體閥片（共8 片）破裂，熱崩潰特征明顯。

總結(jié)本次事件過程，建議：

1）做好同類型避雷器狀態(tài)監(jiān)控，在直流帶電轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)故障后，及時開展動態(tài)巡維，通過紅外測溫及故障錄波數(shù)據(jù)分析等措施，研判避雷器狀態(tài)。

2）運用在線監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測在運E 型避雷器動作過程的暫態(tài)電流、均流及能量耐受情況。

3）在滿足雷電和操作保護水平要求的前提下，盡可能增加E 型避雷器直流參考電壓。

4）控制各臺E 型避雷器之間單柱5 mA 下的直流參考電壓偏差，確保極差不超過0.6 kV，平均偏差不超過0.2 kV。

5）參照最新特高壓直流輸電工程技術(shù)要求，優(yōu)化E 型避雷器閥片檢測和篩選方法，按照逐片三次能量篩選試驗方案（第1 次2 ms 方波沖擊，第2 次2 ms 方波沖擊4 次，第3 次150 A正弦半波沖擊2 次），增加同類型備品儲備，并逐步更換。