南桥换流站阀塔光纤放电问题分析

朱柳慧，肖烨辉，倪汝冰，费 斌，钱程晨

（国网上海市电力公司检修公司，上海 200063）

2013年底，上海±500 k V南桥换流站对双极阀塔光纤及光纤槽进行改造。在启动Ⅰ调试期间，出现光纤放电现象。光纤放电会导致光纤表皮灼伤损坏，严重时将导致换流阀晶闸管触发与回报信号传输受阻，进而引起直流闭锁的严重故障。经过反复分析和多轮整改，现已基本消除了放电现象。

1 问题分析

1.1 阀厅光纤改造原因

南桥站换流阀为±500 k V悬吊式四重阀结构，采用光电转换的触发方式，阀塔顶部为地电位，底部为高电位，每个四重阀都连接于交流系统同一相上。单相阀塔含有4个单阀，每个单阀含有4个半层阀，单相阀塔共16个半层阀，分左右两列布置，共8个阀层（见图1）。上下两个单阀之间的额定电压是125 k V［1］。

图1 南桥站换流阀结构

阀塔采用光纤技术进行阀控和检测，具有较高的隔离电压［2］。每相阀塔有4条光纤槽，其中2条短光纤槽内放置1至4层的光纤、2条长光纤槽内放置5至8层的光纤；每个半层阀有两个阀段，每个阀段有15只晶闸管串联组成，每个半层阀的光纤从两个阀段的中横梁引出至层间光纤槽。每相阀塔中共用到4种光纤，分别是二进八出的触发光纤、八进八出的回检光纤、二进二出的避雷器光纤和五进五出的漏水检测光纤。

2013年10月8日，南桥站极1极控B系统发晶闸管冗余耗尽跳闸信号，极1闭锁。现场检查B相阀塔损坏的光纤槽发现该段光纤槽内壁有4处非贯穿性树枝状放电痕迹（见图2），在非故障相（C相）光缆槽内，特别是压接处也发现多处轻微放电痕迹（见图3）。

图2 光缆槽树枝状放电痕迹

图3 光缆槽压接处轻微放电

初步分析故障原因是：在长期运行中，极1 B相阀塔内光缆槽表面半导体漆涂层性能劣化，在场强集中处产生多处树枝状爬电。同时，由于早期工程设计中光纤及扎带未按阻燃标准设计（均为可燃物），爬电产生的小电弧引燃光缆及扎带，烧断光纤导致阀触发和回报脉冲丢失，最终导致直流闭锁。

2.2 改造后放电现象

为避免类似事故再次发生，确保葛南直流稳定运行，对南桥站双极阀塔光纤及光纤槽进行改造。采用目前新建直流工程中普遍使用的全绝缘阻燃型光纤槽代替原半导体涂层光纤槽，全绝缘阻燃光纤代替易燃光纤，并取消扎带。

在改造工作完成后，于2014年3月24日双极进入启动调试阶段。在做开路试验时，发现阀基电子设备（VBE）柜内有异常声响，当时直流电压升至100k V，进一步检查发现A、B、C三相VBE柜内均存在放电现象。利用紫外成像仪检查发现，放电位置为VBE柜内光纤固定夹板处、VBE柜底部夹层光纤堆积处和阀控板卡端子处，每秒放电数达到32700光子数。此外，通过对光纤槽内等电位点的抽查发现，阀塔光纤槽内的光纤也存在放电。

由于本次改造只换了光纤和光纤槽，而原光纤和光纤槽在运行的二十余年里没有发生过此类放电现象，故应从改造前后更新的部件着手进行对比分析。

2.3 光纤槽放电解决方案

从电气绝缘的原理可知，任何处于高压电场的悬空物体都存在感应电荷。绝缘越好的物体，表面的感应电荷泄放越困难，越容易积聚。处于不同电位的物体，相接近或感应电荷积聚超过相互之间的绝缘水平就会放电。为了避免换流阀发生这种放电造成光纤损坏，通常对光纤进行分段等电位钳位，对阀控设备进行接地屏蔽等措施。

原光纤回路为了解决不同电位的感应电荷问题，光纤槽采用了半导体材料，当电荷积聚时可以得到有效的引走。改造后的光纤槽没有采用半导体材料，属于高绝缘强度。光纤槽对比见表1。

表1 光纤槽绝缘情况对比

第一批次新光纤槽无半导体涂层，在其他直流工程中，同样采用阻燃的绝缘光纤，却没有放电，其中一个重要原因就是阀塔和VBE柜的设计结构不同。以林枫直流工程为例，换流阀光纤到阀塔顶部后，通过数十米长的金属导电光纤桥架引至VBE室，光纤在导电光纤桥架中进行分段捆扎和固定，可以使光纤槽内光纤充分与地电位连接，有效地将光纤电位钳制在地电位，避免将高电位引至VBE柜上，见图4和图5。

葛南直流工程的VBE安装在阀厅阀塔正上方，葛南工程投运较早，受早期光纤收发器件、光纤本体的功率及衰减参数影响，导致换流阀连接光纤长度受限，无法将阀控设备布置到控制室，所以阀控屏柜就近安装在阀厅内的阀塔顶部（见图6）。这样一来阀控设备及阀控侧光纤相比新建直流工程，在更为严酷的电磁环境下运行，对相应设备的屏蔽及接地处理也有了更为严格的要求。

图4 换流阀与VBE间的金属走线槽

图5 光纤桥架

图6 葛南工程阀控柜安装位置

考虑到目前不具备搬移VBE柜的改造条件，因此从现有条件来分析VBE柜屏柜、柜底和光纤槽的具体放电点，寻找解决放电问题的办法。

（1）VBE柜光纤固定夹板处放电。VBE柜内明显的放电点位于光纤固定夹板处，二进八出触发光纤的金属转接头与固定架板间放电，并且光纤金属转接头距离固定夹板点只有0.5～1 mm的间隙，见图7。

光纤的金属转接头没有接地，处于悬浮状态。在换流变充电没有解锁时，换流阀上只有正弦交流电压，此时空间电磁场均匀。当换流阀解锁并升压时，换流阀内出现高频电压及磁场，高频电磁场会引起悬浮的金属部件产生感应电势，由于固定夹板点电位低且距离非常近，就会引起放电。因此，采取的措施是将等电位铜垫片安装在光纤固定夹上，以此把光纤转接头接到附近的地电位上，彻底解决悬浮电位的问题。

图7 悬浮的金属转接头

（2）VBE柜柜底处放电。光纤一端连接处于高电位的换流阀，一端连接VBE柜，高电位电势沿光纤长度线性分布。如果处于地电位的光纤接地，高电位是不会引致地电位的，接地有效距离不够，也就是说需要分段逐级等电位。从光纤槽出来到VBE柜这一段没有做等电位的措施。放电产生对VBE柜板卡危害很大，从试运行情况来看，共有4块VBE-MC板卡被打坏，因此需要在VBE柜底进行光纤接地处理。采取的措施是，在阀塔刚进入VBE柜的光纤束采用金属编制带，并固定在屏柜接地铜排上。

（3）阀塔光纤槽内放电。整改后光纤槽等电位点上也存在明显的放电痕迹。经分析，该放电原因为光纤采用扎带捆绑，缺乏等电位有效连接而导致的空间电晕放电。此外，扎带捆绑对光纤槽里的光纤玻璃纤维也会造成一定的损坏，导致光通量的减小。

与VBE柜底放电的解决方案一致，采取对光纤逐段进行等电位连接的方式。根据锦苏、哈郑等工程的运行经验，为使槽盒内部电位分布更加均匀，在光纤槽盒连接点增加一个等电位铜板，并且用防火棉（阻燃泡沫）固定压实，以确保层间光纤电位均匀分布。

2.4 光纤本体放电解决方案

新采用的光纤材料结构如表2所示。

表2 光纤本体放电解决方案

新采用的光纤材料与原有光纤和林枫直流工程中所用的材料相比，有两个不同点。

（1）第一批次新光纤为多芯结构，原有的和林枫直流工程均为单芯。典型的光纤为单芯结构，由外包层／内包层环绕着纤芯构成一条光波导。多芯光纤是一个共用外包，内含有多根纤芯，而每根纤芯又有自己的内包层的单模光纤。因此，每个芯都是一条光（纤）波导，即一根多芯光纤的功能相当于多根单芯光纤。这种光纤的明显优势是生产成本较普通的光纤低约50%。多芯单模光纤的弯曲和微弯曲损耗特性良好，抗机械强度高，便于施工。单芯与多芯的电气性能无明显区别。

（2）第一批次新光纤表皮为杜邦公司的四氟乙烯（ETFE）材料。杜邦公司的TEFZEL 750，也称四氟乙烯，其特点是具有高绝缘强度。聚氨酯为普通电缆采用的表皮材料。对比枫泾换流站的光纤采用聚氨酯＋3%的炭黑材料。根据查阅到的国内相关文献可知，炭黑与导电性有关系，如图8所示。由图8可以看出，随着炭黑填充含量的增加，复合材料的体积电阻率有所下降。但这种复合方式，仅仅是增加了材料中的导电粒子的浓度，引起隧道效应和场致发射增强，使其体积电阻率缓慢下降，而不会使其电阻率突降产生“渗流效应”，形成完全的导电通路。

图8 炭黑填充率对导电性能影响

因此，填充了炭黑的聚氨酯光纤表皮降低了绝缘强度，使其呈现半导体的性能。南桥站第一批次新光纤采用的光纤绝缘强度远高于其他站的光纤绝缘强度。经厂家的理论分析和相关实验验证，造成之前新光纤存在高压场强下感应电位偏高的主要原因是，该批次的光纤与护套材料电性能匹配性不佳所造成。

新光纤表皮采用的是四氟乙烯，这种材质是良好的电介质材料，绝缘强度高，介电常数一般为2.6。新光纤的玻璃纤维主要原料是二氧化硅，它不具有导电性。这两种材质虽然都绝缘，但当介电性能没有匹配好时，就会产生电位差，造成放电。

因此，解决了光纤与ETFE护套的匹配问题，就能基本消除光纤槽内存在的光纤放电现象。从配方方面，使用稳定可靠的低介电配方；从工艺方面，需要保证光纤在线涂覆充分和剂量控制，同时与成缆工艺参数匹配；使用光纤处理剂，有效改善光纤与护套的匹配性能。

采用改良过的第二批次新光纤后，光纤在高频直流场强内的静电强度大大降低，此外还需要保留部分措施以消除感应电。由于扎带容易造成光纤内部玻璃纤维的损坏，因此采用阻燃海绵来代替扎带去固定光纤，以有效缓冲阀塔振动对光纤的不良影响，不易造成光纤的折损，并能起到阻燃的效果，措施示意图如图9所示。由于不需要扎带绑扎孔后，光纤槽也相应需要更换。

图9 利用阻燃泡沫固定光纤的安装位置图

3 结语

葛南工程光纤改造工程项目为首个长期运行后的换流站更换换流阀光纤的项目。虽然同样的产品用于其他直流工程上运行情况良好，但不能完全照搬来用。厂家在设计阶段对空间电磁感应造成的影响分析不足，造成改造施工时处理措施不到位。综上分析，通过更换光纤，采用工艺改良的第二批次光纤，并保留等电位铜板、阻燃海绵和VBE柜光纤固定夹板处接地措施后，运行情况良好，至今无任何放电和损坏发生，证明整改措施有效。此外，在新建直流工程的前期设计时，应考虑采用全绝缘阻燃材料的同时，把VBE柜设计在阀厅以外的场所。

［1］ 魏寿彭.葛上±500 k V直流输电工程浅论［J］.华中电力，1991（1）：116-127.

［2］ 延汇文，邱阿瑞，刘玉伟.晶闸管的光纤触发技术［J］.电力电子技术，2013，37（3）：86-87.

YAN Hui-wen，QIU A-rui，LIU Yu-wei.Thyristor triggered with fiber［J］.Power Electronics，2003，37（3）：86-87.