±500 kV昭通换流站中性母线避雷器故障原因分析及对策

王典浪，刘晋孝，蒋龙，皮天满，李东

（中国南方电网超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖655000）

±500 kV昭通换流站中性母线避雷器故障原因分析及对策

王典浪，刘晋孝，蒋龙，皮天满，李东

（中国南方电网超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖655000）

2015年4月28日，±500 kV溪洛渡直流输电工程双回金属回线运行时因线路故障相继闭锁，其中牛从甲极1重启动成功，牛从乙极2重启动不成功，随后在对牛从乙极2解锁试送功率上升过程中，牛从乙接地极母线差动保护动作，牛从乙极2闭锁，检查发现送端昭通换流站牛从乙极2中性母线F4避雷器故障损坏。经分析，本次直流控制保护均正确动作，避雷器故障发生于牛从乙极2重启动过程中。结合故障电压波形和避雷器解体结果分析，得出本次中性母线避雷器故障原因是同塔双回直流系统连续故障期间中性母线避雷器长时承受过电压，且注入能量总和超出其设计能量耐受能力，最终导致电阻片发生热崩溃。拟在保证避雷器保护水平不超过现有设备绝缘水平的前提下，提高中性母线避雷器的参考电压，并合理调整配合电流，将过电压倍数由原来1.415倍降低为1.2倍，同时拟通过在各并联避雷器上加装高精度采样的避雷器动作电流及电压在线监测及录波装置，以实现对避雷器动作时的能量耐受情况以及并联避雷器的均流特性分析，及时发现设备隐患和异常。

中性母线避雷器；热崩溃；能量耐受；过电压倍数；动态均流特性

0 引言

2015年4月28日，±500 kV溪洛渡直流输电工程牛从乙极2、牛从甲极1金属回线运行时，因线路故障相继闭锁，牛从甲极1重启动成功，牛从乙极2重启动不成功，随后在对牛从乙极2解锁试送功率上升过程中，牛从乙接地极母线差动保护动作，牛从乙极2闭锁。检查发现送端昭通换流站牛从乙极2中性母线F4避雷器（简称E型避雷器）动作计数器内部有放电痕迹，避雷器下部压力释放动作，红外测温温升明显。

1 系统故障过程分析

故障发生前，同塔双回线路直流牛从甲极1、牛从乙极 2 均金属回线运行，10：15：14.307 （0.20 s 时刻），牛从乙极2线路故障，极保护A、B套线路突变量保护动作闭锁牛从乙极2，并触发极控系统线路重启。在牛从乙极2闭锁后重启动去游离过程中，10：15：14.589， 牛从甲极1线路发生故障 （约0.48 s时刻），因同塔双回线路电磁耦合导致牛从乙极2极线和中性母线存在一定感应电压并引起了牛从乙极2中性母线避雷器动作（0.48 s至0.55 s时刻）。在经过去游离时间后（0.55 s时刻），牛从乙极2线路开始故障后重启，因线路故障未消除，10：15：14.749，牛从乙直流极2线路低电压保护动作导致线路重启不成功。牛从乙极2、牛从甲极1相继故障时序和保护动作情况以及牛从乙极2电流电压波形分别见表1和图1所示。

表1 故障时序及保护动作情况Table 1 Fault sequence and protections

图1 故障电流电压波形Fig.1 Fault current voltagewaveform

11时18分51秒，现场在确认相关直流控制保护均正确动作，并初步检查站内设备外观无异常后，即对牛从乙直流极2解锁恢复运行，在功率升至约550 MW时，极保护A套接地极母线差动保护动作闭锁直流。现场检查发现昭通换流站牛从乙极2中性母线F4避雷器损坏。

2 避雷器能量及暂时过电压耐受分析

由故障时昭通换流站中性母线电压波形可知（图1中0.2 s至0.25 s时段），牛从乙直流极2闭锁过程中E型避雷器耐受残压幅值在90 kV（1.3U r）以上的持续时间约50ms，电压波形近似方波，远高于避雷器的额定电压47 kV，依据E型避雷器伏安特性（见图2），并按Q=UIut简化计算公式对闭锁过程中单只避雷器耐受能量进行估算，以耐受残压90 kV、耐受电流400 A且持续时间50ms计算，该过程牛从乙直流极2单只避雷器吸收能量约为1.8MJ，超过避雷器元件能量耐受设计值1.44MJ[1]。

图2 中性母线避雷器伏安特性曲线Fig.2 V－A feature of neutral－bus arrester

在牛从乙极2闭锁后重启动去游离过程中，牛从甲极1线路发生故障，因同塔双回线路电磁耦合导致牛从乙极2极线和中性母线存在一定感应电压并引起了牛从乙极2中性母线避雷器动作泄能 （图1中0.48 s至0.55 s时刻），过压幅值在90 kV以上的持续时间约30 ms，按简化公式Q=UIut，以耐受残压90 kV、耐受电流400 A且持续时间30ms计算，该过程牛从乙直流极2单只该过程避雷器吸收能量约1.08MJ。

在牛从乙极2线路故障重启过程中，因线路故障未消除，中性母线过电压导致中性母线避雷器动作，持续约25ms后中性母线电压突变为零，但此后中性母线仍存在较大差流，故可判断中性母线避雷器故障发生于该时刻（图1中约0.55 s），按简化公式Q=UIut，以耐受残压90 kV、耐受电流400 A且持续时间25ms计算，重启期间避雷器吸收能量约0.9MJ。牛从乙极2线路重启时中性母线电压波形见图1中0.55 s至0.65 s时刻。

由此可知，本次故障过程中，牛从乙极2中性母线避雷器在短暂的0.5 s内连续遭受3次暂态过压冲击，耐受残压幅值在90 kV以上的累计持续时间达105 ms，单只避雷器吸收能量总和达3.78 MJ，远超过避雷器设计额定能量吸收能力1.44 MJ，但现场相关技术人员并未通过电压电流波形及时发现避雷器异常情况，仍将直流解锁恢复运行，最终导致功率上升过程中直流再次闭锁。

3 故障避雷器解剖结果分析

对故障避雷器进行解体发现：避雷器下端防爆膜动作，元件端盖密封面和密封圈完好，外套和内部零部件无锈蚀现象，芯体紧固绝缘拉杆完好无松动。在4柱电阻片柱中I、II两柱的部分电阻片存在严重电弧烧蚀痕迹。故障避雷器芯体见图3。

图3 故障避雷器芯体情况Fig.3 Condition of core of faultarrester

图中I柱有8片电阻片开裂，2片边缘有明显电弧通道，II柱有3片电阻片开裂，多个铝垫块有电弧烧蚀痕迹。

综合避雷器解体检查情况和能量及暂时过电压耐受分析，该避雷器电阻片的过电压能量损坏特征明显，在线路连续故障时中性母线避雷器吸收了过大的能量。

抽取故障避雷器3片无烧蚀痕迹的电阻片，按照GB/T 22389—2008《高压直流换流站无间隙金属氧化物避雷器导则》试验方法进行了直流1 mA参考电压试验和能量耐受试验。试验结果表明，电阻片在经受18次2 kA方波能量冲击后，残压变化率最大为1.8%，小于标准要求的5%[2]，电阻片能量耐受试验结果合格。

4 故障原因分析及对策

由于直流避雷器的吸收能量与换流站故障类型及持续时间、控制和保护的响应速度及延迟时间密切相关，且避雷器在遭受能量冲击后的能量耐受能力恢复需要一定时间，但在E型避雷器绝缘配合研究报告中对避雷器最大能量吸收水平仅考虑了某种最恶劣的单一故障类型，而未考虑类似于本次连续多次故障对避雷器能量的累积耐受要求。结合故障电压波形和避雷器解体结果分析，故障期间，牛从乙极2中性母线避雷器在短时间内遭受了3次冲击，施加到避雷器上电压幅值在90 kV（1.3U r）以上的时间累积约105ms，耐受能量合计约3.78 MJ，超过单只避雷器能量耐受设计值1.44 MJ。因此，得出本次避雷器故障的直接原因是同塔双回直流系统连续故障期间中性母线避雷器短时间内、连续多次注入能量总和超出其设计耐受能力，最终导致电阻片发生热崩溃。

昭通换流站E型避雷器的芯体为4柱电阻片柱并联结构，金属回线运行方式下，共有19只E型避雷器并接在中性母线上。由于该E型避雷器采用多只、多柱并联的方式安装，单只避雷器柱间及多只避雷器之间的冲击电流分配的不均匀性也影响避雷器的整体能量耐受能力。但该试验是按GB 11032—2010和GB/T 22389—2008规定采用单一冲击电流波形进行电流分布试验[2-3]与E型避雷器在持续时间较长的连续冲击波下的实际工况不符。因此，为及时掌握多只并联避雷器运行中的均流特性，建议通过在各并联避雷器上加装高精度高频率采样的避雷器动作电流在线监测及启动录波装置，以实现对E型避雷器动作时的能量耐受情况以及并联避雷器的均流特性分析。

目前E型避雷器操作冲击（30/60μs，3 kA下）保护水平为100 kV峰值，致使过电压倍数K（操作冲击保护水平/额定电压峰值）高达1.5倍；工频参考电压与额定电压的比值为1.06（20 mA下的工频参考电压峰值/额定电压峰值），过电压倍数K1（操作冲击保护水平/工频参考电压峰值）达1.415倍，而电阻片的工频电压耐受时间特性为 1.2U r/100 ms。为确保避雷器安全，在确保设备绝缘配合满足的前提下，避雷器上的暂时过电压幅值及持续时间应限制在1.2 U r/100ms以下。

为提高多柱并联避雷器的暂时耐受能力，可采取减小电阻片的非线性系数和提高参考电压的方法，这2种方法都用来减小在过电压下通过避雷器的冲击电流，特别是抑制因温度等引起的电阻片柱间的电流不均匀程度。在确保避雷器保护水平不超过目前设备绝缘水平的前提下，合理调整配合电流和残压，适当提高送端换流站中性母线避雷器的参考电压，一般采取提高避雷器的参考电压来提高避雷器的暂时过电压耐受能力。

为保证安全裕度，依据中性母线出现的实际工况、电阻片的工频电压耐受特性及串补MOV的试验数据，在保证避雷器保护水平不超过要求的前提下，适当提高昭通站换流站中性母线避雷器的参考电压，合理调整配合电流，初步确定可将过电压倍数由原来1.415倍降低为1.2倍，即将参考电压由原来的66 kV提高到88 kV。

5 结论

1）结合故障电压波形和避雷器解体结果分析，故障期间牛从乙极2中性母线避雷器在短时间内遭受了3次冲击，施加到避雷器上电压幅值在90 kV（1.3U r）以上的时间累积约105ms，吸收能量合计约3.78 MJ，超过单只避雷器能量耐受设计值1.44 MJ，得出本次避雷器故障的直接原因是同塔双回直流系统连续故障期间中性母线避雷器短时间内、连续多次注入能量总和超出其设计耐受能力，最终导致电阻片发生热崩溃。

2）应对措施：为及时掌握多只并联避雷器运行中的均流特性及吸收能量的情况，拟通过在各并联避雷器上加装高精度、高频率采样的避雷器动作电流及电压在线监测及启动录波装置，以实现对E型避雷器动作时的能量耐受情况以及并联避雷器的均流特性分析，及时发现设备隐患和异常；在确保避雷器保护水平不超过目前设备绝缘水平的前提下，适当提高送端换流站中性母线避雷器的参考电压，并合理调整配合电流，依据设计工况，拟将过电压倍数由原来1.415倍降低为1.2倍。

[1]南网科研院，西安西电电力系统有限公司.ED1.061.ZC_0_溪洛渡右岸电站送电广东±500 kV同塔双回直流输电工程绝缘配合研究报告[R].广州：南网科研院，2011.

[2]西安电瓷研究所.GB/T 22389—2008．高压直流换流站无间隙金属氧化物避雷器导则[S].北京：中国标准出版社,2008．

[3]西安电瓷研究所.GB 11032—2010．交流无间隙金属氧化物避雷器[S].北京：中国标准出版社，2010．

Analysis and Countermeasure of Neutral-Bus Arrester Fault in±500 kV Zhaotong Converter Station

WANG Dianlang， LIU Jinxiao， JIANG Long， PITianman， LIDong
（Qujing Bureau of EHV Power Transmission Company,China Southern Power Grid,Qujing 655000,China）

On April 28,2015, ±500 kV Xiluodu HVDC project for line fault locking up one after another,Pole 1 restartsuccessfully，butpole 2 restart failed.In the processof Pole 2 unlock and power up，Grounding pole bus differential protection action，and inspection found Pole 2 neutral bus F4 arrester damaged in Zhaotong Converter Station.By the analysis of the DC control protection are correct action,and arrester failure occurred in Pole 2 restart process.The fault voltage waveform and disintegration of arrester are combined and analyzed,it is concluded that the cause of the neutral bus arrester fault is during the continuous fault of double towers DC system，neutral bus arrester withstand Long－term overvoltage,and the total injected energy beyond its design energy tolerance,eventually lead to thermal collapse in the varistor.It is recommended to ensure the arrester protection levelunder the premise ofnot more than the existing equipment insulation level,improve the sending reference voltage on the neutralbusarrester,and reasonably adjust the current,Preliminary estimatesovervoltagemultiple can be reduced from 1.415 times to 1.2 times,and by proposed on each arrester parallel unit with high precision high frequency sampling arrester leakage currentand voltage on－linemonitoring and record device,in order to realize the energy resistance situation of lightning arrestermovesand parallel flow characteristicsanalysis of lightningarrester,timely detection equipmenthidden dangersand exceptions.

neutral－bus arrester； thermal collapse； energy resistance； overvoltagemultiple；dynamic flow characteristics

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.024

2015－07－19

王典浪 （1986—），男，工程师，现从事换流站一次设备维护及预防性试验工作。