糯扎渡—廣東特高壓直流工程中性母線避雷器故障分析及仿真

賈磊，蔡漢生，陳喜鵬，劉剛，胡上茂，施健

(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州市 510080)

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糯扎渡—廣東特高壓直流工程中性母線避雷器故障分析及仿真

賈磊，蔡漢生，陳喜鵬，劉剛，胡上茂，施健

(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州市 510080)

對(duì)糯扎渡—廣東特高壓直流工程系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)生的中性母線避雷器故障進(jìn)行了分析，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中避雷器承受的能量應(yīng)力進(jìn)行了仿真計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：試驗(yàn)過(guò)程中中性母線避雷器吸收的能量占其標(biāo)稱設(shè)計(jì)能量的11.9%，有較大裕度，電氣能量過(guò)載不是導(dǎo)致避雷器損壞的原因，避雷器故障應(yīng)該是個(gè)別閥片存在質(zhì)量缺陷所造成的。

特高壓直流；中性母線；避雷器；放電電流；能量

0 引 言

繼1989年我國(guó)第1條超高壓直流輸電工程葛洲壩—上海南橋直流工程建成投運(yùn)以來(lái)，直流輸電技術(shù)在中國(guó)穩(wěn)步發(fā)展。2010年6月，中國(guó)投運(yùn)了世界上第1條特高壓直流輸電工程云南—廣州±800 kV特高壓直流工程[1]。隨后相繼規(guī)劃并建設(shè)了向家壩—上海、錦屏—蘇南、糯扎渡—廣東、溪洛渡—浙西等 ±800 kV特高壓直流輸電工程[2-5]。上述特高壓直流輸電工程的建設(shè)極大地促進(jìn)了“西電東送”國(guó)家戰(zhàn)略的發(fā)展。

由于雷擊、山火等原因引起的直流線路故障是直流系統(tǒng)最常見的故障，當(dāng)直流線路發(fā)生故障時(shí)會(huì)在換流站中性母線上產(chǎn)生比較高的過(guò)電壓水平，為了保護(hù)中性母線設(shè)備需安裝中性母線避雷器。特高壓直流由于運(yùn)行電壓高，發(fā)生直流線路接地故障時(shí)中性母線的過(guò)電壓?jiǎn)栴}將更加突出[6-9]，中性母線避雷器承受的電氣應(yīng)力更加嚴(yán)重，容易發(fā)生損壞而影響直流系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，因此，有必要對(duì)特高壓直流中性母線避雷器的故障原因及運(yùn)行特性進(jìn)行分析。

糯扎渡—廣東±800 kV特高壓直流是南方電網(wǎng)第2個(gè)特高壓直流工程，該工程起點(diǎn)為云南普洱換流站，落點(diǎn)在廣東僑鄉(xiāng)換流站，線路全長(zhǎng)約1 441 km，輸電容量5 000 MW。在糯扎渡送電廣東特高壓直流工程(以下簡(jiǎn)稱普僑直流)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中普洱換流站中性母線避雷器多次發(fā)生損壞故障，本文對(duì)故障避雷器解體情況進(jìn)行了分析，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中避雷器承受的電氣應(yīng)力進(jìn)行了仿真計(jì)算并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)上述研究查明了避雷器故障原因。

1 普洱換流站中性母線避雷器配置

普僑直流中性母線避雷器配置如圖1所示。普洱換流站每極中性母線共有F1、F2和F3共3個(gè)中性母線避雷器，F(xiàn)2和F3均為E2型，由單臺(tái)E避雷器構(gòu)成；F1為E1H型高能量避雷器，由8臺(tái)E避雷器并聯(lián)組成。E避雷器由4柱并聯(lián)組成，標(biāo)稱放電電流為20 kA，相應(yīng)的雷電沖擊保護(hù)水平(峰值)為320 kV，操作沖擊保護(hù)水平(峰值)為269 kV，對(duì)應(yīng)的配合電流為2 kA；標(biāo)稱吸收能量為3.6 MJ[10]。

圖1 普僑直流中性母線避雷器配置圖

2 故障過(guò)程及設(shè)備解體情況

2014年1月22日普僑直流極II金屬回線運(yùn)行方式下進(jìn)行直流線路人工接地試驗(yàn)。在做完線路普洱側(cè)及僑鄉(xiāng)側(cè)接地試驗(yàn)后進(jìn)行直流線路中點(diǎn)人工接地試驗(yàn)過(guò)程中直流中性母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，直流停運(yùn)后對(duì)中性母線避雷器進(jìn)行了直流1 mA測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)F1避雷器并聯(lián)的8支避雷器中的一支在試驗(yàn)電壓升至10 kV時(shí)，試驗(yàn)電壓保護(hù)動(dòng)作，現(xiàn)場(chǎng)外觀檢查發(fā)現(xiàn)底座蓋板和底座出現(xiàn)異常，如圖2所示。

圖2 避雷器底座防爆膜

為了弄清避雷器損壞原因，上述損壞的避雷器被運(yùn)回避雷器生產(chǎn)廠家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解體。解體前避雷器外觀檢查無(wú)明顯異常，復(fù)合外套表面無(wú)閃絡(luò)痕跡，排除外絕緣閃絡(luò)可能；將避雷器進(jìn)行解體，將芯體從復(fù)合外套中吊出，發(fā)現(xiàn)密封圈完好，不存在破損情況，干燥劑保持干燥狀態(tài)，基本可排除內(nèi)部受潮的情況；上、下防爆膜出現(xiàn)鼓肚，復(fù)合外套內(nèi)表面有電弧灼燒痕跡，灼傷位置距上法蘭88 mm，避雷器芯體被電弧放電產(chǎn)生的煙灰覆蓋，用酒精清理后發(fā)現(xiàn)在金屬氧化鋅避雷器部分閥片表面及絕緣支撐桿表面存在閃絡(luò)痕跡，如圖3所示。

圖3 避雷器閃絡(luò)痕跡

避雷器由4柱并聯(lián)組成，每柱由48片閥片串聯(lián)組成，對(duì)每一片避雷器閥片進(jìn)行檢查前，首先對(duì)閥片進(jìn)行了編號(hào)，4柱分別編號(hào)為A、B、C和D，每一柱的閥片從上向下依次編號(hào)1～48，每一個(gè)閥片的編號(hào)由閥片柱編號(hào)和閥片在該柱的編號(hào)組成。根據(jù)總體檢查和對(duì)閥片單獨(dú)檢查結(jié)果，可以得到故障電弧閃絡(luò)路徑如圖4所示，圖(b)中深黑色表示有電弧放電比較嚴(yán)重的部位。

圖4 電弧閃絡(luò)路徑

對(duì)各個(gè)閥片進(jìn)行仔細(xì)檢查后，發(fā)現(xiàn)編號(hào)為A06的閥片發(fā)生了碎裂，如圖5所示。

圖5 A06閥片圖片

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解體，廠家認(rèn)為故障避雷器及其所有閥片制造上合格，通過(guò)了例行試驗(yàn)；沒有受潮、運(yùn)輸損壞或操作不當(dāng)?shù)嫩E象；避雷器故障是由于電氣能量過(guò)載所致。避雷器失效首先從A06閥片發(fā)生擊穿開始，隨后該閥片表面發(fā)生放電，最終導(dǎo)致整柱避雷器表面閃絡(luò)。閃絡(luò)導(dǎo)致的能量和壓力致使避雷器壓力釋放裝置動(dòng)作，上下部防爆膜均出現(xiàn)變形。

在2014年5月7日和7月5日普僑直流金屬回線方式下進(jìn)行直流線路故障試驗(yàn)過(guò)程中也相繼發(fā)生了F1避雷器和F3避雷器損壞故障，隨后的現(xiàn)場(chǎng)解體情況與1月22日F1避雷器故障情況相似，均出現(xiàn)了部分閥片的貫穿性放電擊穿及沿閥片和絕緣桿表面的電弧閃絡(luò)路徑，廠家均給出了故障是由于電氣能量過(guò)載所致的結(jié)論。

3 避雷器吸收能量仿真校核

根據(jù)避雷器返廠解體結(jié)果，廠家認(rèn)為是由于試驗(yàn)過(guò)程中避雷器吸收能量過(guò)大所導(dǎo)致的，為此核算了試驗(yàn)過(guò)程中避雷器的吸收能量。分別計(jì)算了直流線路首端、中點(diǎn)和末端處發(fā)生人工接地故障時(shí)E1H和E2避雷器的吸收能量和放電電流，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 直流線路不同位置處發(fā)生接地故障時(shí) E型避雷器吸收能量和放電電流

Table 1 Absorption energy and discharge current of type E arrester inline fault happened indifferent parts of DC transmission line

從表1的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)直流線路發(fā)生接地故障時(shí)，E型避雷器吸收能量隨著故障點(diǎn)與整流站距離的增大而減小。當(dāng)在整流站線路出口處發(fā)生接地故障時(shí)，避雷器吸收能量最大，其中E1H避雷器(8臺(tái)并聯(lián))吸收能量最大達(dá)5 664 kJ，占標(biāo)稱吸收能量的19.7%，最大放電電流為2.94 kA，小于其操作波下的配合電流；E2避雷器吸收能量最大達(dá)576 kJ，占標(biāo)稱吸收能量的16%，最大放電電流為0.35 kA，小于其操作波下的配合電流。當(dāng)在線路中點(diǎn)處發(fā)生接地故障時(shí)，E1H避雷器吸收能量最大為3 424 kJ，占標(biāo)稱吸收能量的11.9%，最大放電電流為1.63 kA，小于其操作波下的配合電流；E2避雷器吸收能量最大為464 kJ，占標(biāo)稱吸收能量的12.9%，最大放電電流為0.34 kA，小于其操作波下的配合電流。當(dāng)在逆變站出口處發(fā)生接地故障時(shí)，避雷器吸收能量最小，其中E1H避雷器吸收能量最大為1 248 kJ，占標(biāo)稱吸收能量的4.3%，最大放電電流為0.8 kA，小于其操作波下的配合電流；E2避雷器吸收能量最大為188 kJ，占標(biāo)稱吸收能量的5.2%，最大放電電流為0.16 kA，小于其操作波下的配合電流。各接地點(diǎn)處E1H和E2放電電流波形分別如圖6～8所示。

利用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試得到的錄波文件也可以計(jì)算得到避雷器的放電電流波形如圖9～ 11所示。

圖6 線路普洱側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)避雷器 放電電流波形(仿真計(jì)算結(jié)果)

圖7 直流線路中點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)避雷器 放電電流波形(仿真計(jì)算結(jié)果)

圖8 線路僑鄉(xiāng)側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)避雷器 放電電流波形(仿真計(jì)算結(jié)果)

圖9 線路普洱側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)避雷器 放電電流波形(根據(jù)暫態(tài)故障錄波推算結(jié)果)

對(duì)比圖6～ 8和圖9～ 11可以看出仿真計(jì)算得到的避雷器放電電流波形與根據(jù)錄波結(jié)果推算得到的基本吻合。根據(jù)圖9可以得到在普洱側(cè)線路出口處進(jìn)行人工接地試驗(yàn)時(shí)，E1H避雷器最大放電電流為2 720 A，E2避雷器最大放電電流為323 A；根據(jù)圖11可以得到在僑鄉(xiāng)側(cè)線路出口處進(jìn)行人工接地試驗(yàn)時(shí)，E1H避雷器最大放電流為762 A，E2避雷器最大放電電流為158 A；仿真計(jì)算結(jié)果與錄波推算結(jié)果基本吻合，仿真結(jié)果略偏保守。

圖10 直流線路中點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)避雷器 放電電流波形(根據(jù)暫態(tài)故障錄波推算結(jié)果)

圖11 線路僑鄉(xiāng)側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)避雷器 放電電流波形(根據(jù)暫態(tài)故障錄波推算結(jié)果)

當(dāng)直流線路中點(diǎn)進(jìn)行人工接地試驗(yàn)時(shí)，由于E1H避雷器發(fā)生故障，圖10中避雷器放電電流僅在故障發(fā)生前是準(zhǔn)確的。結(jié)合E1H避雷器放電電流波形，可以判斷E1H避雷器在圖10第2條時(shí)標(biāo)線所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻發(fā)生了故障，從直流線路故障開始(圖10第1條時(shí)標(biāo)線)到避雷器發(fā)生故障的時(shí)間間隔約為14.4 ms。根據(jù)圖10可以得到E1H避雷器故障前最大放電流為1 582 A，E2避雷器最大放電電流為286 A，放電電流波形與計(jì)算結(jié)果基本吻合，計(jì)算結(jié)果略保守。

4 結(jié) 論

此次E1H避雷器是在直流線路中點(diǎn)進(jìn)行人工接地試驗(yàn)過(guò)程中損壞的。從前面的分析可以看出，該試驗(yàn)工況并不是對(duì)該型避雷器最嚴(yán)重的考核工況，仿真計(jì)算得到的避雷器損壞前的最大放電電流應(yīng)不超過(guò)1 632 A。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄波波形計(jì)算得到的避雷器故障前的最大放電電流為1 582 A，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于E1H避雷器的16 kA的操作沖擊配合電流。計(jì)算得到的避雷器最大吸收能量3 424 kJ，只占標(biāo)稱吸收能量的11.9%。廠家提出的“電氣能量過(guò)載是導(dǎo)致此次避雷器故障”結(jié)論是沒有依據(jù)的。因此，結(jié)合故障避雷器現(xiàn)場(chǎng)解體情況和仿真結(jié)果可知普僑直流普洱換流站避雷器損壞故障是由于個(gè)別閥片存在質(zhì)量缺陷所造成的。

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(編輯：劉文瑩)

Fault Analysis and Simulationon Neutral Bus Arrester in Nuozhadu-Guangdong UHVDC Project

JIA Lei, CAI Hansheng, CHEN Xipeng, LIU Gang, HU Shangmao, SHI Jian

(Electrical Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510080, China)

The arrester fault of neutral bus in Nuozhadu-Guangdong UHVDC project during debugging process was analyzed, the energy stress of the arrester was simulated and calculated, whose results were compared with the field measured results. The research results show that the maximum absorption energy of neutral bus’s arrester during system test is the 11.9% of its nominal designed value and has a large margin, so the electrical energetic overload is not the cause of the arrester fault, but are quality defects of individual valve plates.

UHVDC; neutral bus; arrester; discharge current; energy

TM 72

A

1000-7229(2015)09-0123-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.020

2015-07-17

2015-08-16

賈磊(1982)，男，工程師，博士，主要從事電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真及過(guò)電壓計(jì)算工作；

蔡漢生(1963)，男，高級(jí)工程師，碩士，從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓及絕緣配合工作；

陳喜鵬(1983)，男，碩士，從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓及絕緣配合工作;

劉剛(1985)，男，工程師，博士， 從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓及絕緣配合工作；

胡上茂(1983)，男，工程師，博士，從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓及絕緣配合工作；

施健(1987)，男，工程師，博士，從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓及絕緣配合工作。