天广直流系统中性母线避雷器故障原因分析

周春阳，王超，胡辉祥，袁海

(中国南方电网超高压输电公司 广州局，广东 广州510405)

天广直流系统中性母线避雷器故障原因分析

周春阳，王超，胡辉祥，袁海

(中国南方电网超高压输电公司 广州局，广东 广州510405)

结合故障录波和保护动作情况，对一起天广直流线路故障引起的中性母线避雷器损坏原因进行分析。计算得出通过避雷器的能量和避雷器承受的过电压并没有超过规定值。梅雨天气使避雷器阀片受潮绝缘降低，故障过程中多次连续动作导致绝缘无法恢复是避雷器损坏的主要原因。结合运行实践，建议将天广直流重启动策略改为1次全压重启，去游离时间改为350 ms。实践应用表明，重启策略优化后减小了中性母线避雷器动作和发生故障的概率。

故障录波；中性母线避雷器；过电压；重启动策略；改进建议

天广直流输电工程直流额定电压±500 kV，线路长度965 km，双极额定容量为1 800 MW。每极的换流阀采用12脉动换流器接线。马窝换流站正常情况作为整流站运行，广州换流站正常情况作为逆变站运行。

直流避雷器具有非线性特性好，灭弧能力强，通流容量大，结构简单，耐污性好等特点。中性母线避雷器是安装于换流站中性母线上的一种直流避雷器，作用是保护中性母线和与其连接的电气设备免受过电压的损坏。双极对称运行时，中性母线的持续运行电压接近于零。但在单极金属运行方式下，整流站中性母线上存在一定的持续运行电压。

文献[1]分析了一起普侨直流中性母线避雷器故障的原因，认为线路接地故障导致直流电流突然增大，避雷器承受过电压超过其保护水平而被击穿。文献[2]则对试验过程中避雷器最大吸收能量进行了仿真计算，得出避雷器损坏的原因不是电气能量过载，是个别阀片存在质量缺陷造成。文献[3]分析了中性母线过电压保护存在的问题，并提出了对应的反事故措施。文献[4]对天广直流各种故障下中性母线过电压情况进行了深入分析，认为避雷器必须有足够的流通容量。本文对天广直流在单极金属回线方式下，一起直流线路故障引起的中性母线避雷器损坏原因进行分析，并结合故障录波和保护动作情况，提出了相应的保护逻辑改进建议。

1 运行实例

2016年4月6日，天广直流极1单极金属回线方式运行，极2在备用状态。17：02直流线路距离整流站约100 km处发生雷击，线路故障接地。极1直流保护的电压突变量保护动作、行波保护动作，整流站3次重启不成功导致极1紧急停运(emergency switch off，ESOF)。20：04逆变站作为主控站，复电后在进行功率调整过程中，整流站极1中性母线差动保护动作，整流站极1退至备用状态，逆变站极1退至闭锁状态。保护详细动作情况见表1。

E1、E2、E3、E4、F1、F2、F3、F4、F5为避雷器；V1、V2、V3、V4为晶闸管；C1、C2为电容器；L1、L2为电抗器；R1为电阻；IDH为直流高压母线电流，IDL为直流线路电流，IDN为中性母线电流，IDE为接地极线路电流；UDL为直流线路电压，UDN为中性母线电压。图1 整流站极1避雷器配置

表1 直流保护动作情况(2016-04-06)

时刻保护动作情况动作后果17：02：20567整流站与逆变站电压突变量保护动作、行波保护动作极1换流器移相，直流线路全压重启17：02：20914整流站线路低电压保护动作线路保护第1次请求降压运行(80%额定电压)，极1换流器移相17：02：21260整流站线路低电压保护动作线路保护第2次请求降压运行(70%额定电压)，极1换流器移相17：02：21612整流站线路低电压保护动作极1ESOF20：04：32143整流站中性母线差动保护(87LV)动作极1ESOF

2 整流站中性母线避雷器配置

在单极金属运行方式下，整流站中性母线电压大小等于金属回线的电阻与流过中性母线的电流之积[5]。当直流线路发生接地故障时，中性母线上产生过电压，并通过较大的故障电流，中性母线避雷器将承受很大能量冲击。当直流线路因雷击发生故障时，中性母线避雷器上承受的过电压为操作型冲击电压和雷电型冲击电压[6-7]。通常要在中性母线上安装多只避雷器，其中一只承受操作冲击的电流和能量，另外几只承受雷电冲击过电压的能量[8]。

整流站极1的避雷器配置如图1所示，其中E1、E2、E3、E4为中性母线避雷器。该避雷器是西门子公司生产的氧化锌避雷器，相关参数见表2[9]。在中性母线差动保护动作后，整流站运行人员现场检查发现中性母线避雷器E2动作8次，E3、E4动作1次，E1未动作。红外测温显示E2避雷器温度为36 ℃，另外3只中性母线避雷器温度约为30 ℃。

表2 中性母线避雷器参数

型号额定电压/kV参考电流/mA参考电压/kV3EP3052⁃7DZ5220>74雷电过压保护水平操作过压保护水平单只通流容量/MJ最大峰值持续运行电压/kV115kV/15kA99kV/2kA2650(直流)

3 故障录波分析

如图1所示，IDH、IDL、IDN、IDE分别为对应位置测量的直流电流，UDL、UDN为对应位置测量的直流电压。直流线路发生故障时录波如图2所示，直流电压UDL由-480 V经过暂态振荡降低到0 V，UDN由20 kV突然升高到90 kV并持续约8 ms，然后逐渐减小到0 V。IDN和IDH变化趋势相同，由1 200 A快速增大到4 300 A再减小到0 A。IDE的变化趋势与IDN完全不同，电流没有突然增大。

图2 直流线路故障录波

第一次故障后全压重启录波如图3所示，直流电压UDL由0 V全压重启，升高到-500 kV左右，由于线路接地故障仍然存在，直流电压再次降低到0 V，线路低电压保护动作。此过程中UDN伴随着UDL的升高也升高到85 kV左右，仅维持了4 ms就振荡衰减至0 V。

图3 全压重启录波

降压至80%额定电压启动录波如图4所示，直流电压UDL由0 V降压重启，升高到-400 V后快速减小到0 V。此过程中UDN伴随着UDL的升高也升高到80 V左右，没有保持就振荡衰减到0 V。IDE的变化趋势与IDN不同，而且出现了两次负峰值脉冲和一次正峰值脉冲。

图4 降压至80%额定电压启动录波

降压至70%额定电压启动录波如图5所示，直流电压UDL由0 V降压重启，升高到-350V后振荡减小。此过程中UDN三次升高到50 V左右，然后快速衰减到0 V。IDE出现了三次负峰值脉冲，其中两次达到了6 000 A左右。根据IDE录波可知在UDN电压升高到50 V左右避雷器就发生了击穿性放电，避雷器对地绝缘已经发生了损坏。

图5 降压至70%额定电压启动录波

功率调整过程录波如图6所示，逆变站将直流功率由300 MW调整到360 MW过程中，IDE出现了两次脉冲峰值电流，对应时刻UDN电压快速跌落到0 V，中性母线上也出现差动电流，但是仅为瞬时脉冲。直流功率调整失败后电流恢复到900 A左右，但是420 ms后UDN电压多次跌落到0 V，中性母线差动电流也出现多次峰值脉冲。此刻UDN的电压仅为20 kV左右，低于避雷器的标称电压，避雷器是不应该动作的，说明避雷器的对地绝缘已经发生损坏。随后UDN稳定为0 V，中性母线差动电流逐渐增大，升高到671 A时，中性母线差动保护动作。

图6 功率调整过程录波

逆变站中性母线差动动作时刻高速接地断路器(high speed ground switch，HSGS)流过电流录波如图7所示，整流站中性母线差动电流基本等于逆变站流过HSGS的电流。金属回线方式运行下，整流侧中性母线避雷器E2如果被击穿直接接地，与逆变侧高速接地断路器形成回路，将分流金属返回线上的电流。

图7 HSGS电流录波

4 保护动作情况分析

4.1 直流线路行波保护

直流线路行波保护具有超高速动作的特性，而且利用行波折反射的特点可以精确地计算出故障距离[10]。当直流线路发生金属性接地故障时，行波保护动作将启动直流线路故障重启逻辑。整流站行波保护动作需要同时满足以下定值判据：a)线模电压幅度定值大于290 kV；b)零模电压幅度定值大于390 kV；c)零模电压突变定值大于560 kV/ms；d)线模电压突变定值大于420 kV/ms。判据满足后行波保护无延时动作。根据故障录波可知，线路发生故障时以上条件均满足，行波保护正确动作。

4.2 突变量保护

突变量保护作为直流线路主保护，主要反映金属性接地故障[11]。整流站突变量保护动作需同时满足以下定值判据：a)du/dt>580 kV/ms，其中du/dt为直流线路电压突变量；b)UDL<290 kV。判据满足后突变量保护经40 ms延时后动作，动作后也将启动直流线路故障重启逻辑。根据故障录波可知，线路发生故障时以上判据均满足，突变量保护正确动作。

4.3 故障重启

整流站和逆变站的行波保护和突变量保护同时检测到线路故障，动作后启动第一次线路全压重启。如果线路重启后故障仍然存在，整流站的线路低电压保护将动作，启动第二、第三次线路降压重启，第三次线路重启不成功后整流站发出ESOF命令。为了避免低电压保护误动，在换流器移相过程中会将低电压保护闭锁。

4.4 中性母线差动保护

4.5 中性母线过压保护

第一次故障时中性母线电压UDN达到91 kV，超过了动作定值80 kV，但是持续时间仅为8 ms，小于最小延时40 ms，故没有动作。随后三次故障重启和调整功率的过程中，中性母线电压UDN均低于第一次故障时的电压，且持续时间更短，故该保护没有动作是正确的。

5 避雷器故障原因

在单极金属回线方式下，整流站没有接地点，直流系统通过逆变站内的HSGS接地。当极1直流线路发生接地故障的暂态过程中，整流站的中性母线上将产生过电压，并通过较大的故障电流。此过程中，避雷器将承受过电压和电气能量[12]。根据故障录波数据可统计出各次故障中避雷器承受过电压及通过故障电流见表3。过电压最大值91.36 kV，没有超过其操作过电压和雷电过电压保护水平，且持续时间很短。通过避雷器的能量

(1)

式中：n为采样数据总数；UDNi为第i次采样中性母线电压；IDNi为第i次采样中性母线电流；IDEi为第i次采样接地极线路电流；Δti为第i次采样时间。

第一次故障时通过避雷器的能量最大，根据式(1)可计算出通过能量为2.54 MJ，且该能量由4只避雷器共同承担，并没有超过其单只通流能量水平，避雷器是不应该损坏的。

表3 避雷器承受过电压及故障电流

状态UDN幅值/kV过电压持续时间/ms通过避雷器电流峰值/kA直流线路故障91368028全压重启87904037降压至80%额定电压重启81400238降压至70%额定电压重启64600460功率调整43600367

极1中性母线避雷器E2在直流线路故障重启过程中多次动作并释放能量。该避雷器已运行近15年，避雷器故障发生前最近一次对避雷器开展的1 mA直流参考电压U1 mA与0.75倍U1 mA下泄漏电流试验结果见表4。

表4 极1中性母线避雷器预防性试验结果

避雷器U1mA/kV出厂值实测值U1mA误差/%泄漏电流/μA出厂值实测值E1725738179156170E2721746347145269E3719728125137154E4723732124142163

通过现场实测值对比可知，E2避雷器的U1 mA和泄漏电流与出厂值相比偏差较大，说明避雷器电阻片存在一定程度的受潮。但由于未超出规程规定值，没有进行更换。故障发生时为梅雨季节，多日下雨使避雷器阀片受潮的程度恶化，导致了避雷器内部绝缘降低。

避雷器短时间内多次动作导致绝缘无法恢复，在直流功率调整过程中发生对地完全击穿，避雷器上流过入地电流，直流滤波器的作用使该电流持续增大，最终中性母线差动保护动作。

6 线路故障重启策略优化

直流线路重启动主要用于线路瞬时故障后快速恢复送电，类似于交流线路的重合闸功能。不同直流线路故障重启策略见表5，通过对比可知只有天广直流为3次故障重启，其他直流线路均为1次故障重启；天广直流去游离时间为250 ms，其他直流线路去游离时间为350 ms。

表5 不同直流线路故障重启策略

线路重启动策略去游离时间/ms天广直流3次故障重启250兴安直流1次全压重启350高肇直流1次70%降压重启350牛从直流1次全压重启350

天广直流自2008年至今共发生直流线路故障42次，其中78%为全压重启成功，12%为第一次降压重启成功，10%为重启不成功，第二次降压重启成功的情况从没有发生过。最初确定天广直流的重启逻辑是考虑当时天广直流输送功率占所有负荷比重大，发生故障后应尽可能恢复其正常运行。当今电网结构已经发生很大变化，广东境内已有7条直流线路送电，天广直流短时间停运对负荷的影响已经明显减小。考虑上述情况，提出了将天广直流重启动策略改为1次全压重启，去游离时间改为350 ms。该建议经过系统仿真验证后已经被采纳，通过对天广直流的控制保护逻辑修改，实现了直流线路故障后仅进行1次全压重启的控制逻辑。天广直流重启策略的优化，在遇到永久性故障时可以减小对直流系统的冲击，避免频繁启动导致中性母线上多次产生故障电流和过电压，从而减小了避雷器动作和故障的概率。

7 结束语

整流站避雷器故障被击穿的原因是避雷器绝缘老化，线路故障及重启动过程中性母线承受过电压，通过较大的故障电流，避雷器短时间内多次动作导致绝缘无法恢复，在直流功率调整过程中被彻底击穿，发生接地故障。但是该过程中避雷器承受的过电压没有超过其操作过电压和雷电过电压保护水平，通过的能量也没有超过其单只通流能量。

结合运行实践，对比其他直流线路重启策略，提出将天广直流重启动策略改为1次全压重启，去游离时间改为350 ms的建议。该建议的实践应用减小了中性母线避雷器动作和发生故障的概率。

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(编辑 彭艳)

Research Analysis on Neutral-bus Arrester Fault of Tian-Guang HVDC System

ZHOU Chunyang, WANG Chao, HU Huixiang, YUAN Hai

(Guangzhou Bureau, CSG EHV Power Transmission Company, Guangzhou, Guangdong 510405, China)

Combining with fault wave recording and protection action, this paperanalyzes reasons for one case of damage of neutral-bus arrester caused by fault of Tian-Guang HVDC transmission lines. By calculation, it draws a conclusion that energy and over voltage of the arrester does not exceed the specified value. Main reasons for damage of the arrester are insulation dropping of the damped arrester valve caused by rainy weather and several continuousaction in failure process of the arrester which causes insulation fault. Combining with operational practice, it suggests to change restart strategy for Tian-Guang HVDC system into once full voltage restart and free-off time into 350 ms. Optimization for restart strategy has reduced probability of action and fault of the neutral-bus arrester.

fault wave recording;neutral-bus arrester; over voltage; restart strategy; improvement suggestion

2016-06-02

2016-09-01

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.014

TM721

B

1007-290X(2016)12-0074-06

周春阳(1985)，男，河南南阳人。工程师，工学硕士，从事直流输电运行维护工作。

王超(1979)，男，广东广州人。高级工程师，工学硕士，从事高压直流输电运行维护工作。

胡辉祥(1984)，男，广东江门人。工程师，工学学士，从事直流输电运行维护工作。