換流站交流濾波器場斷路器故障分析

王興照，黃　銳，邢海文，周大洲，呂俊濤

（國網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南　250001）

換流站交流濾波器場斷路器故障分析

王興照，黃銳，邢海文，周大洲，呂俊濤

（國網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001）

分析換流站交流濾波器場斷路器的一種典型故障。描述故障發(fā)生過程、斷路器現(xiàn)場解體檢查情況、斷路器故障相和非故障相的返廠解體檢查情況，并對滅弧室內(nèi)的粉末和油跡進(jìn)行分析比較。闡述故障發(fā)生的原理、故障開關(guān)滅弧室爆裂的起因和過程。為類似斷路器的設(shè)備檢修提供有效參考。

斷路器；換流站；交流濾波器場；故障分析

0　引言

為了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)的無功電壓控制和諧波控制，交流母線側(cè)需要并聯(lián)大容量的無源濾波器和電容器組，統(tǒng)一布置在交流濾波器場。為了實(shí)現(xiàn)電力濾波器和電容器組的投切，兩者均與斷路器相串聯(lián)。同時，直流輸電系統(tǒng)輸送的有功功率一般按照日調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行安排，其傳輸功率在70%～100%范圍內(nèi)波動，故其相應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置也要進(jìn)行頻繁地投切［1］。交流濾波器場斷路器的投切頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通換流站的投切頻率，其運(yùn)行狀態(tài)直接決定了高壓直流輸電系統(tǒng)的電壓幅值和波形質(zhì)量，因此，有必要對交流濾波器場斷路器的典型故障進(jìn)行深入分析，以提高設(shè)備運(yùn)行可靠性［2-5］。

以某換流站交流濾波器場斷路器故障為例，首先，描述故障發(fā)生過程、現(xiàn)場檢查和故障錄波情況；然后，介紹故障開關(guān)三相的返廠解體檢查情況，對比三相滅弧室內(nèi)粉末與油跡情況，最后，分析故障發(fā)生的機(jī)理，并推理了滅弧室爆裂的起因及放電過程。

1　故障情況

1.1故障發(fā)生過程

2015年某日，換流站直流功率由100%額定功率（4 000MW）降至70%過程中，某一組濾波器自動切除時，C相開關(guān)熄弧后電弧復(fù)燃，導(dǎo)致小組零序過流保護(hù)動作，啟動大組母線失靈，母線失靈保護(hù)動作，跳開相鄰開關(guān)，切除第二大組交流濾波器。

故障斷路器（型號LW15-550/Y4000-63）為常規(guī)瓷柱式高壓SF6斷路器，雙斷口結(jié)構(gòu)，2010年投運(yùn)，斷路器負(fù)載為并聯(lián)電容器，負(fù)載容性電流200 A，故障前該斷路器已分合操作934次。產(chǎn)品說明書中提出斷路器額定電流開斷次數(shù)為2000次，超過時需全面檢修，但是故障斷路器操作次數(shù)未超過全面檢修要求值。

1.2現(xiàn)場檢查及故障錄波情況

現(xiàn)場故障開關(guān)C相負(fù)荷側(cè)滅弧室瓷套已完全爆裂，斷路器本體處于分閘位置，動靜觸頭裸露在空氣中，靜主觸頭上部與動主觸頭下部有明顯的電弧燒蝕痕跡；瓷套碎片散落在周圍20m范圍內(nèi)（最大瓷片300mm×400mm），除故障開關(guān)A相支柱的上瓷套傘裙被炸裂的瓷片有輕微碰損外，其余設(shè)備完好，如圖1。

圖1　斷路器故障現(xiàn)場圖片

通過故障錄波圖分析后發(fā)現(xiàn)，C相開關(guān)在成功開斷后70ms電弧復(fù)燃（電流峰值5 700 A），72.8ms左右電流自然衰減消失；在79ms再次復(fù)燃（電流峰值3 000 A），84ms左右電流自然衰減消失；隨后出現(xiàn)補(bǔ)氣報(bào)警（400ms）及閉鎖報(bào)警（600ms），在2 s左右（此時瓷套已炸裂）出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電流200 A（并聯(lián)電容器負(fù)載電流），9 s時保護(hù)動作并切除故障斷路器。故障期間的時序如圖2所示。

圖2　故障時序

對A、B相開關(guān)進(jìn)行均壓電容值及介損測量，開關(guān)機(jī)械特性、SF6分解產(chǎn)物組分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果正常。2012年故障開關(guān)例行試驗(yàn)時試驗(yàn)結(jié)果均正常。之后，現(xiàn)場更換了三相開關(guān)本體，拆除后的斷路器返廠進(jìn)行解體分析。

2　解體檢查

2.1故障相解體情況

對故障開關(guān)C相拆除并進(jìn)行檢查，測量中間觸頭在氣缸上的行程，斷路器分、合閘行程尺寸正常（229mm），分、合閘到位，詳細(xì)解體情況如圖3。濾波器側(cè)滅弧室內(nèi)的動、靜觸頭有大片的電弧燒蝕痕跡，該側(cè)滅弧室瓷瓶已經(jīng)爆裂。母線側(cè)滅弧室瓷瓶完好，動觸頭側(cè)法蘭上有明顯的電弧燒蝕痕跡，并在該側(cè)滅弧室內(nèi)發(fā)現(xiàn)粉末和點(diǎn)狀油跡，在瓷套下方內(nèi)壁有發(fā)散性沿面放電痕跡。

圖3　故障開關(guān)C相解體檢查情況

2.2非故障相解體情況

對A相進(jìn)行解體檢查，兩側(cè)滅弧室觸頭燒蝕正常，沒有發(fā)現(xiàn)放電痕跡，在瓷套管內(nèi)部有少量粉末和油跡，如圖4。

圖4　A相解體檢查情況

對B相復(fù)裝后進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓為592 kV（型式試驗(yàn)電壓740 kV的80%），試驗(yàn)期間未發(fā)生放電現(xiàn)象。試驗(yàn)后對B相進(jìn)行解體檢查，在右側(cè)滅弧室瓷套內(nèi)發(fā)現(xiàn)少量粉末，左側(cè)未發(fā)現(xiàn)異物。對觸頭檢查，燒蝕情況正常，磨損也正常。

圖5　B相解體檢查情況

2.3滅弧室內(nèi)粉末和油跡比較與分析

通過解體，發(fā)現(xiàn)不同斷路器滅弧室內(nèi)的金屬屑的多少有差異，A相左側(cè)滅弧室瓷瓶內(nèi)有粉塵、右側(cè)有少量油跡；B相左側(cè)無粉塵、右側(cè)有粉塵；C相左側(cè)有放電痕跡，右側(cè)瓷瓶已爆裂。

對滅弧室內(nèi)的粉塵進(jìn)行了成分化驗(yàn)，粉末主要由Si、Fe、Cr、Mn、Al、Ag構(gòu)成，根據(jù)斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)，Si主要來源為瓷套表面的釉和斷路器內(nèi)部的潤滑脂；Fe主要來源為滅弧室內(nèi)活塞和拉桿的摩擦物；Cr主要來源為觸頭材料，觸頭為Cu和Cr合金；Al主要來源為滅弧室內(nèi)氣缸的摩擦物；Ag主要來源為滅弧室內(nèi)導(dǎo)電材料表面的鍍銀層，其他微量元素為雜材料，綜上分析滅弧室內(nèi)的粉末主要為滅弧室內(nèi)零部件經(jīng)過長期操作后的摩擦物。

3　故障原因分析

3.1機(jī)理分析

由于斷路器負(fù)載為并聯(lián)電容器，按最嚴(yán)酷的情況分析斷路器的分閘過程，當(dāng)斷路器在母線峰值電壓時分閘，電容器上的殘余電壓為母線電壓的峰值，斷路器兩端承受電壓為母線交流電壓和電容器直流電壓之差。

電流切斷后70ms時，第一次擊穿重燃，斷口間恢復(fù)電壓達(dá)到最大值；最大值為相電壓峰值的2倍，對于550 kV產(chǎn)品約為900 kV。不考慮衰減，79ms時，第二次擊穿重燃，斷口間恢復(fù)電壓達(dá)到最大值。

3.2滅弧室爆裂原因分析

滅弧室爆裂起因。一般情況下在正常操作時會產(chǎn)生金屬屑，由于故障斷路器經(jīng)過長期操作（操作次數(shù)為934次），隨著金屬屑積累到一定程度，斷路器分閘運(yùn)動過程中，在高壓氣流及電磁場作用下，金屬屑的位置會隨之變化，特別是斷路器剛分閘后10～100ms，主要集中在斷口下方瓷套表面，類似存在尖端毛刺，引起電場畸變，使母線側(cè)滅弧室套管從靜主觸頭起沿瓷壁發(fā)生貫穿性擊穿，濾波器側(cè)滅弧室承受兩倍的電壓 （一個斷口承受兩個斷口的電壓），引起靜觸頭對瓷壁的擊穿，進(jìn)而導(dǎo)致瓷套炸裂。

放電過程。故障開關(guān)接到分閘命令后，正常分閘并開斷負(fù)載電流，電弧熄滅，假定電流熄滅時刻為0ms，根據(jù)現(xiàn)場故障錄波分析，故障開關(guān)在電弧熄滅后70ms，母線電壓接近峰值，同時由于電容器上存在殘余電荷，電容器側(cè)的電壓和母線側(cè)相反。兩者電壓疊加，在高電壓作用下，由于存在金屬粉末，母線側(cè)滅弧室發(fā)生沿瓷壁放電，該側(cè)導(dǎo)通，斷路器兩端電壓全部施加在濾波器側(cè)（瓷瓶爆炸側(cè)）滅弧室斷口，該側(cè)斷口電壓過高，造成斷口擊穿的同時對瓷壁放電（斷口擊穿點(diǎn)在滅弧室動測左上方，瓷壁擊穿點(diǎn)為母線側(cè)靜端主觸頭上部瓷壁），短路電流5 700 A，持續(xù)時間2.8ms。斷路器內(nèi)部發(fā)生貫穿性擊穿后，電容器側(cè)充電，并且電壓方向和母線側(cè)電壓接近。

由于已經(jīng)形成了放電通道，在上次放電9ms后，母線電壓翻轉(zhuǎn)接近峰值，同時由于上次擊穿放電，電容器側(cè)電壓又和母線側(cè)電壓相反，斷路器兩端電壓再次疊加，在79ms斷路器兩端電壓又接近最大值，在高電壓作用下發(fā)生第二次擊穿，短路電流3 000 A，持續(xù)時間5ms。

由于斷路器濾波器側(cè)瓷套在兩次重燃過程中受大電流電弧灼傷，且高強(qiáng)瓷材料本身具有脆硬性，開始出現(xiàn)裂紋、漏氣導(dǎo)致低壓最終濾波器側(cè)瓷套粉碎性炸裂，斷路器兩端的電壓為母線電壓和濾波電容器上的電壓疊加，故障開關(guān)C相濾波器側(cè)觸頭裸露在空氣中，母線側(cè)滅弧室內(nèi)僅有少量的SF6氣體，兩個斷口絕緣性能已經(jīng)降到很低的程度。2 s時，觸頭間出現(xiàn)電弧擊穿，斷路器兩個斷口擊穿，通過持續(xù)電流約200 A，形成斷路器爆裂后持續(xù)的放電通道，由于放電時間較長，在濾波器側(cè)滅弧室靜觸頭上部和動觸頭下部出現(xiàn)大片的燒蝕痕跡，在母線側(cè)滅弧室靜觸頭和動觸頭也出現(xiàn)大片的燒蝕痕跡，瓷壁也有燒蝕痕跡及大量放電通道，9 s時大組濾波器保護(hù)動作切除故障斷路器。

故障開關(guān)C相滅弧室瓷套炸裂的主要原因?yàn)闇缁∈抑写嬖诋愇铮闺妶龇植及l(fā)生畸變，導(dǎo)致母線側(cè)滅弧室瓷套內(nèi)壁從靜端主觸頭至動端法蘭發(fā)生貫穿性沿面放電，最終導(dǎo)致濾波器側(cè)斷口電壓過高（是原來的兩倍），滅弧室靜端主觸頭對瓷套上部放電，致使具有脆硬性的滅弧室瓷瓶發(fā)生爆裂。

4　結(jié)語

詳細(xì)地分析了某直流換流站550 kV HGIS母線氣室爆裂故障，利用現(xiàn)場檢查、故障錄波情況和返廠解體檢查等手段，分析了母線氣室故障的起因及放電過程。

為防止類似事故的發(fā)生，可采取的措施有：加強(qiáng)對斷路器氣室的帶電檢測，進(jìn)行SF6氣體分解物檢測；對操作次數(shù)較多的換流站交流濾波器場斷路器進(jìn)行定期抽檢，現(xiàn)場解體檢查，檢查內(nèi)部是否有粉末并評估斷路器運(yùn)行狀態(tài)；必要時對所有交流場斷路器進(jìn)行解體檢查，評估斷路器運(yùn)行狀態(tài)。

［1］聶定珍，曹燕明.HVDC換流站投切交流濾波器用斷路器特殊性能要求［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（23）：86-90.

［2］湯銘華.GIS組合電器典型故障分析及改進(jìn)［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2013.

［3］胡紅紅，鐘建靈，鄭亞君.運(yùn)行中SF6全封閉組合電器的故障檢測［J］.中國電力，2012，43（12）：19-22.

［4］張宇嬌，莊曰平，程炯.SF6氣體絕緣全封閉組合電器故障分析［J］.高電壓技術(shù)，2011，31（7）：1 719-1 727.

［5］齊波，李成榕，耿弼博，等.GIS設(shè)備絕緣子高壓電極故障局部放電嚴(yán)重程度的診斷與評估［J］.高電壓技術(shù)，2005，31（1）：89-90.

Fault Analysis of Circuit Breaker in the AC Filter Field of Converter Stations

WANG Xingzhao，HUANG Rui，XING Haiwen，ZHOU Dazhou，LV Juntao
（State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

A type of circuit breaker（CB）faultof AC filter field is analyzed in the converter station.First，the failure process and local strip inspection are outlined.Then，the strip inspection of the CB fault phase and healthy phases returned to the factory are introduced，while the metal powder and oil in arc interrupters of different phases are analyzed and compared. Finally，the failuremechanism is analyzed when the reason and process of the CB arc interrupter explosion are given in detail. Hopefully thiswill prove to be of reference value for operation andmaintenance of similar equipment.

circuitbreaker；converter station；AC filter field；faultanalysis

TM595

B

1007-9904（2016）03-0061-03

2015-10-13

王興照（1970），男，高級工程師，從事電力設(shè)備的運(yùn)維檢修等工作。