對(duì)一起換流站交流濾波器低端電容器擊穿事故分析

冷 怡，陳曉東，鮑云浮

(瀘州電業(yè)局，四川 瀘州 646000)

0 引言

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，由于換流閥由開關(guān)器件構(gòu)成，會(huì)在交流側(cè)產(chǎn)生大量的諧波，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的輸電品質(zhì)及現(xiàn)場的通信設(shè)備造成極大危害，這就需要在交流側(cè)接入濾波器濾除特征諧波［1］;同時(shí)，換流器在運(yùn)行過程中需要消耗換流容量40%～60%的無功，這也需要交流濾波器來提供。直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行性能和安全可靠程度與交流濾波器的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)。

1 事故介紹

1.1 事故經(jīng)過

2011年10月18日00:05，某換流站雙極功率由1841 MW升至2041 MW，在雙極功率值升至1847.5 MW過程中，5633交流濾波器自動(dòng)投入運(yùn)行，此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)“5633交流濾波器低端電抗器電流異?！?，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)低端電抗器、電流互感器T2、C2電容器外觀無異常，用鉗形電流表測量T2二次端子發(fā)現(xiàn)C相無電流，A、B相電流正常。

將5633交流濾波器停電后，對(duì)5633 C相T2電流互感器進(jìn)行了絕緣、耐壓、變比、二次直阻、伏安特性等試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格;對(duì)與T2電流互感器電氣相連的低端電抗器L2進(jìn)行直流電阻試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格;對(duì)與電抗器L2及T2的串聯(lián)支路相并聯(lián)的C2電容器組(由兩只電容器并聯(lián))進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)其中一只已經(jīng)導(dǎo)通，同時(shí)檢查F2避雷器C相動(dòng)作1次(A相、B相未動(dòng)作)。濾波器的接線方式如圖1。

更換故障電容器后，5633交流濾波器重新投入運(yùn)行時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)再次報(bào)“5633交流濾波器低端電抗器電流異?！保ｋ姾蟋F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)5633交流濾波器C相C2兩只電容器均已導(dǎo)通，電容器外觀無明顯異常;C相F1、F2避雷器各動(dòng)作1次，A、B相F1、F2避雷器未動(dòng)作。

1.2 主要元件工況

該濾波器支路的相關(guān)元件配置情況及歷年工況如下。

1.2.1 選相合閘裝置

5633交流濾波器的斷路器配置了選相合閘裝置，其選相邏輯為在每相電壓過零點(diǎn)附近投入該相斷路器，控制方式為定角度控制。查閱首檢后歷次5633交流濾波器投入時(shí)的故障錄波記錄，發(fā)現(xiàn)每次投入時(shí)，C相斷路器的合閘角及合閘時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)電壓值均明顯大于A、B兩相，具體表1中所示。

圖1 5633交流濾波器接線圖

表1 5633斷路器的歷次合閘時(shí)刻及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)過電壓值

1.2.2 斷路器

5633交流濾波器的斷路器型號(hào)為 LW10B-550YT，配進(jìn)口ABB彈簧貯能液壓機(jī)構(gòu)。對(duì)比該斷路器技術(shù)協(xié)議、現(xiàn)場交接試驗(yàn)、首檢試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)5633交流濾波器的斷路器合閘時(shí)間滿足要求，合閘同期性與技術(shù)要求相符。

1.2.3 避雷器

表2 F1、F2避雷器動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)

5633交流濾波器的高端避雷器F1型號(hào)為Y71WL5-142/373，低端避雷器F2型號(hào)為Y7.6WL5-40/89。從2011年5月首檢至事故發(fā)生時(shí)的避雷器動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)情況如表2中所示。從表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見:C相避雷器的動(dòng)作次數(shù)遠(yuǎn)高于A、B兩相，這說明在濾波器投切過程中C相發(fā)生過電壓的概率遠(yuǎn)高于A、B兩相。

1.2.4 低端電容器C2

C2電容器為兩只電容器并聯(lián)結(jié)構(gòu)，C2電容值為10.74 μF。C2兩端的操作沖擊電壓為60 kV，最大持續(xù)電壓為6.1 kV。

2 事故原因分析

查看5633投入的故障錄波圖，C相斷路器在電壓過零點(diǎn)后3.8 ms及3.6 ms才出現(xiàn)合閘電流。與A、B相比較，C相合閘角明顯偏大。

據(jù)此，推測可能是選相合閘裝置或斷路器C相故障，導(dǎo)致C相合閘角偏大，合閘瞬間電壓過大，造成濾波電容被擊穿［2］。于是查閱首檢后歷次5633交流濾波器投入時(shí)的故障錄波，發(fā)現(xiàn)每次投入時(shí)，C相斷路器的合閘角均明顯大于A、B兩相。首檢后5633共計(jì)7次投入運(yùn)行，除2011年7月21日00:47投入時(shí)，C相合閘時(shí)刻為電壓過零點(diǎn)后2.0 ms，對(duì)應(yīng)電壓瞬時(shí)值為255.9 kV，F(xiàn)1避雷器未動(dòng)作外，其余6次合閘時(shí)間均大于2 ms，對(duì)應(yīng)的電壓瞬時(shí)值均高于300 kV，C相F1避雷器均發(fā)生動(dòng)作。首檢后F2避雷器共計(jì)動(dòng)作2次，且均伴生C2擊穿現(xiàn)象。根據(jù)F2避雷器動(dòng)作情況，可以初步確認(rèn)C2存在過電壓現(xiàn)象［3-4］。

F1避雷器的3 mA參考電壓為201 kV。根據(jù)故障錄波圖，A、B相斷路器在選相合閘裝置作用下，于電壓過零點(diǎn)1.0～1.5 ms內(nèi)合閘，對(duì)應(yīng)的500 kV母線電壓瞬時(shí)值為131.12～192.64 kV，小于201 kV;而C相斷路器于電壓過零點(diǎn)3.6～3.8 ms內(nèi)合閘，對(duì)應(yīng)的500 kV母線電壓瞬時(shí)值為395.4～402.91 kV，遠(yuǎn)大于201 kV。因此，在F1避雷器的動(dòng)作特性下，選相合閘裝置的正常工作是保證F1安全運(yùn)行的必要條件。

根據(jù)5633斷路器交接、首檢及本次斷路器機(jī)械特性試驗(yàn)記錄，交接試驗(yàn)時(shí)C相斷口合閘時(shí)間為61.2 ms、61.8 ms，首檢試驗(yàn)時(shí)C相斷口合閘時(shí)間為63.0 ms、63.0 ms，本次診斷試驗(yàn)時(shí)C相斷口合閘時(shí)間為63.1 ms、63.3 ms，C相斷路器合閘時(shí)間增加超過1.5 ms，大于預(yù)期值(合同規(guī)定為小于1 ms)，也導(dǎo)致了選相合閘控制效果不佳。

此外，C2電容器極板間操作沖擊電壓耐壓值為60 kV。根據(jù)廠家提供的F2伏安特性，在7.6 kA電流下F2的操作沖擊殘壓為89 kV，200 A電流下的殘壓為77 kV。F2殘壓偏高也可能是造成C2擊穿的原因。

3 建立仿真模型

為定量計(jì)算合閘過程中在低端電容器C2上產(chǎn)生的操作過電壓大小，在電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，以復(fù)現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)以及不同合閘條件下在C2上產(chǎn)生的操作過電壓［5-6］。

圖2 電磁暫態(tài)仿真模型圖

根據(jù)該換流站電氣接線方式及設(shè)備基本參數(shù)，建立仿真模型如圖2所示:直流為雙極12脈動(dòng)結(jié)構(gòu)，直流系統(tǒng)送端采用定電流控制，受端采用定熄弧角控制，仿真中考慮換流變壓器的飽和特性，換流站無功補(bǔ)償情況視直流傳輸功率而定。

4 仿真結(jié)果

4.1 事故模擬

設(shè)置仿真條件為:在投入5633交流濾波器前，直流傳輸功率為1845 MW，換流站投入無功補(bǔ)償容量8×155 Mvar，換流母線初始工作電壓為534.0 kV。投入5633交流濾波器，其A相、B相斷路器合閘滯后于電壓過零點(diǎn)時(shí)間分別為1.2 ms和1.1 ms，C相斷路器合閘滯后于電壓過零點(diǎn)時(shí)間為3.6 ms。合閘時(shí)刻設(shè)置與10月19日故障錄波裝置采集到的數(shù)據(jù)相同，以便重現(xiàn)故障過程。

經(jīng)過仿真計(jì)算，對(duì)比A、B、C相曲線可發(fā)現(xiàn)，由于C相合閘滯后時(shí)間遠(yuǎn)大于A、B兩相，造成其合閘過程中產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的操作過電壓。C相操作過電壓值達(dá)到了82.7 kV，高于濾波器低端電容器C2的耐壓水平60 kV，如圖3所示。

在合閘過程中，A、B相的避雷器F1、F2均未動(dòng)作，C相的F1、F2均動(dòng)作，合閘過程中C相F1產(chǎn)生的能量為10.61 kJ，F(xiàn)2產(chǎn)生的能量為0.47 kJ，如圖4、圖5所示。雖然避雷器F1、F2對(duì)低端電容C2起到了一定的保護(hù)作用，但C2上的瞬時(shí)過電壓仍高達(dá)82.7 kV，避雷器殘壓過高導(dǎo)致了C2被擊穿。

4.2 合閘滯后時(shí)間與操作過電壓的關(guān)系

令A(yù)相、B相斷路器合閘滯后于電壓過零點(diǎn)時(shí)間分別為1.2 ms和1.1 ms，改變C相合閘時(shí)間得到C相低端電容器操作過電壓值與合閘滯后時(shí)間的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如表3所示，其對(duì)照關(guān)系如圖6所示。

在滯后時(shí)間小于2 ms時(shí)，低端電容器兩端操作過電壓值基本與其呈線性關(guān)系，當(dāng)滯后時(shí)間為1.5 ms時(shí)，過電壓值達(dá)到60.7 kV，已經(jīng)超過低端電容器的耐壓值。而當(dāng)滯后時(shí)間為3.6 ms時(shí)，操作過電壓值達(dá)到82.7 kV，已遠(yuǎn)超低端電容器的耐壓值。

5 結(jié)論及建議

電磁暫態(tài)仿真結(jié)果表明，交流濾波器低端電容操作過電壓值與其斷路器閉合時(shí)刻滯后電壓過零點(diǎn)時(shí)間相關(guān)。該換流站5633濾波器C相斷路器合閘時(shí)間滯后電壓過零點(diǎn)過多，導(dǎo)致合閘角偏大，形成較大的合閘沖擊，使C相低端電容上產(chǎn)生較大的操作過電壓。雖然合閘過程中C相的避雷器F1和F2均動(dòng)作，但濾波器低端電容C2的耐壓值與避雷器F2的殘壓不匹配導(dǎo)致了F2的保護(hù)作用有限。這兩個(gè)因素最終造成了電容器的擊穿。

表3 合閘滯后時(shí)間與操作過電壓間的關(guān)系

圖3 5633濾波器C相電壓仿真曲線

圖4 避雷器F1的C相電流及能量

圖5 避雷器F2的C相電流及能量

圖6 合閘滯后時(shí)間與操作過電壓的關(guān)系

針對(duì)事故發(fā)生的原因，為避免類似事故再次發(fā)生，特提出以下幾點(diǎn)建議。

(1)在不改變電容值的情況下，將電容器C2原來的“兩并”結(jié)構(gòu)更改為“兩串四并結(jié)構(gòu)”，可減小每只電容元件兩端的過電壓值，使其不超過耐壓水平。

(2)選用質(zhì)量可靠的選相合閘裝置與斷路器設(shè)備，一旦發(fā)現(xiàn)合閘時(shí)間異常，合閘沖擊電壓過大的情況，要及時(shí)進(jìn)行排查檢修。

(3)濾波電容與避雷器間的配合應(yīng)合理、可靠，選用避雷器的殘壓應(yīng)小于低端電容器的耐壓值，使避雷器起到應(yīng)有的保護(hù)作用。

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