柔直系统与交流电网间的联络开关事故分析及解决方案研究

刘成学 陈志校 沈忠威 阳国庆

（库柏（宁波）电气有限公司）

0 引言

柔性直流输电是一种新型输电技术，可以快速独立地调节有功功率和无功功率，控制公共连接点的交流电压，潮流反转方便灵活，可以为无源系统供电。柔性直流输电的特点是控制灵活、智能化程度高，在提高电力系统稳定性、改善电能质量等方面都具有较强的技术优势，环保性好、占地面积小。它可以广泛应用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等领域[1]。

柔性直流输电凭借自身的技术特点，可以有效解决当前交流电网中存在诸多问题。而如何与交流电网相互切换，对柔性直流输电工程的性能、安全和稳定性起着至关重要的作用，也是保证供电可靠性的关键。以下通过两起在柔性直流输电系统与交流电网之间充当联络开关的两起典型事故，分析原因并提出了可行的解决措施[2]。

1 两起35kV联络开关典型事故

1.1 第一起35kV联络开关拉弧事故

图1是一柔直供电变电站的一次系统图，1号110kV主变的电源来自于柔直系统，2号主变的电源来自于交流电网系统；1号主变给35kV的I段母线供电，2号主变给35kV的II段母线和III段母线供电，I段母线和II段母线之间由母联真空断路器和隔离手车分段。在首次35kV母联真空断路器手车正常切换时，产生了拉弧现象，从1号主变的故障录波图上看出（见图2）。故障发生后，B、C相有电流流过，而且电流幅值相等，方向相反，证明B、C相发生了短路故障，并引起上一级开关跳闸。断路器B、C相的上、下动触头有明显的电弧烧损痕迹，但是，上触头都比下触头烧损的严重一些。见图3，开关柜B、C相的上，下静触头相对应也有电弧烧损的点，触头盒内壁有电弧烧损的痕迹，见图4，断路器本体未有开裂现象。该事故断路器经工频耐压试验，其断口、相间、对地的绝缘都良好。

图1 柔直变电站一次系统图

图2 第一次事故录波图

该母联开关是当作柔直母线和交流电网母线的分段开关的功能，此断路器手车在断路器分闸的状态下，执行了从热备用运行位置拉出到试验位置时的常规操作。

图3 事故断路器B、C相动、静触头有电弧烧损痕迹

图4 动触头有燃弧点

1.2 事故原因分析

根据现场事故照片（见图3～图5）的电弧痕迹来看，是当操作断路器手车从运行位置到试验位置的过程中，一次隔离动触头刚离开静触头时，在动静触头之间发生了拉弧。该电弧电离了周围的空气，使得电离的空气瞬间变成了导电气体[3]，从而使得B、C相间发生短路，继而引起上一级开关速断保护动作，引起跳闸。如图6所示，为了确定是否由断路器的灭弧室触头之间造成击穿引起的，还将该断路器的极柱剖开进行仔细检查，经过检查未发现灭弧室内部有电弧击穿的痕迹（见图7），因此证明不是断路器灭弧室击穿造成的事故。

图5 触头盒内壁被电弧烧损碳化

图6 触头盒拉弧短路示意图

图7 剖开的断路器灭弧室完好未发现电弧烧损

断路器在断开的状态下为何在拉出手车时还会产生电弧，这是由于断路器虽然断开但是在断路器上下两侧之间存在电压差，这个电压差是由于两个不同的电源即柔直系统电源和交流电网之间的电源频率有一定的差异而产生的[4]，这个差异不管有多大，只要有差异，就会在某一刻在断路器两侧施加反向电压[5]。假设两个不同电源之间的工频相差0.1%，如设柔直系统的工作频率为50.025Hz，电力系统的工作频率为49.075Hz，则两个电源之间每隔1.0193s就会有一次反向的电压波相遇，即相位角相差180°，因此，在两个电源工频有差异的情况下，连接两个电源之间的分段断路器在两侧具有按某一频率施加的电压差，这个电压差是系统对地电压的两倍，在35kV系统，施加在断路器两侧的电压是20.2×2=40.4kV[6]。

1.3 暴露在空气中的动，静触头之间击穿强度分析

在标准大气条件下，空气的电场强度为[7]：E=25～30kV/cm（与电极形状有关）；由于一次隔离动静触头之间的电极形状为类似尖端形状，根据皮克理论，该动静触头之间的电场为极不均匀电场，其击穿电压和场强的关系如下：

图8是在工频电压下，极不均匀电场棒-棒以及棒-板之间的空气间隙（d＜250cm)与击穿电压的关系图。

图8 极不均匀电场空气间隙与击穿电压的关系

棒-板电极间施加工频电压时，击穿总是在棒的极性为正，电压达到峰值时发生，并且其击穿电压（峰值）和直流电压下正棒-负极的击穿电压相近。从图中看出，除了起始部分外，击穿电压和距离近似成直线关系，棒-棒平均击穿场强为3.8kV/cm（有效值）或5.36kV/cm，棒-板间隙的稍微低一些， 约为3.35kV/cm（有效值），或4.8kV/cm（峰值）。

在该工程中，在断路器两侧分别联有两个不同系统的电源，其对地电压均为20.2kV，由于两侧电源的频率有一定的差异，因此，施加在断路器两侧的电压最大可达到40.4kV，考虑到该断路器手车有上、下两组动静触头，在手车拉出热备用状态时该两组触头为两个串联断口，因此，施加在每组动静触头上的电压平均为40.4/2=20.2kV。而从以上计算可得知，在动静触头之间的击穿场强为3.3～5.36kV/cm之间，因此，在动静触头拉开的距离小于3cm左右时，动静触头之间会被轻易击穿，并形成电弧。而动静触头之间的距离是从0开始拉开的，电弧必然会在小于3cm前持续击穿。

1.4 绝缘件表面的沿面爬电机理分析

按电力行业标准DL/T 404的规定[8]，有机绝缘件表面的爬电比距为20mm/kV，因此，该产品环氧绝缘触头盒爬电距离为L=40.5×20=810mm，该爬距是在标准大气条件下从带电导体到接地体的安全距离，但是由于该工程的事件中，动静触头之间已经产生了击穿放电，导致放电点直接和触头盒的内壁闪络，根据静触头的长度，该闪络点离静触头的根部有125mm，即由于闪络点的放电，该触头盒的安全爬电距离减少了至少125～130mm的距离，同时，由于电弧放电，在触头盒内部产生了空气电离子气体，该电离子气体可使具有电压为20kV，电流为1kA左右的电弧轻易爬过1m以上的有机绝缘表面[9]。

1.5 短路故障电流分析

从故障录波图上看出，1号主变B、C相之间的短路电流有1.2kA以上，而在拉开分段断路器手车时，两侧均未带有负载，为何在没有负载的情况下出现如此高的短路电流，这主要是该变电站的两段母线各自连接到另一个站，并且采用了海底电缆连接。因此，主要是由电缆的电容放电产生的故障电流，具体计算如下。

据变电站提供的参数，现场在柔直系统I段母线侧有一路出线连接到大洋变电站，该路的连接电缆长度为33km，导电截面为150mm2，根据普通电缆的电容电流计算方法[10]，其电容电流如下：

因此，长度为33km，截面为150mm2的单根电缆其容性电流为

两相电缆短路，则最大容性放电电流为

而海底电缆的容性电流是一般普通电缆的3～5倍，按4倍计算，则B、C相短路后的电容电流为

这和故障录波图中的电流基本吻合。

根据事故断路器触头烧损的程度看，B、C相的上触头均比下触头烧损的要严重一些，这主要是因为上下触头各自连接的海底电缆的长度和截面积不一样，导致电缆电容大小不一引起的。根据变电站提供的资料，断路器的下触头连接II段和III段母线，这段母线连接的电缆长度为15km，截面为120mm2，参考以上计算方法，这段电缆的电容电流为：

因此，下触头的电容电流要比上触头的小一半多，因此，烧损程度要比上触头轻一些。

由此，也可以进一步佐证，B、C相之间的短路电流确实是由电缆的电容电流引起的。

2 第二起联络开关爆炸事故及原因分析

就在同一个110kV变电站，处于断开状态充当联络柔直电源和交流电网电源的35kV真空断路器，在没有做任何操作的情况下，突然爆炸，断路器B相极柱完全断裂，真空灭弧室的屏蔽罩已烧穿，灭弧室触头烧损严重，见图9，根据断路器的损伤程度可以说明断路器承受了很高的过电压而发生了断口之间的击穿，并在触头之间产生了较长时间的电弧[11]，继而引起了灭弧室在高温电弧的作用下而发生了炸裂，同时导致开关柜发生内部燃弧故障[12]，开关柜压力释放盖板被打开。

图9 事故断路器B相炸裂

为何断口能承受118kV/1min的断路器在没有负载，没有任何操作的情况下会自然发生炸裂，这是因为该事故并不是一起独立的事件[13]，在此事故发生前，电网上已经有一系列的事故相继发生：由于该变电站是多端柔性直流输电系统中的其中一个站，该联络断路器除了和柔直电源联络外，还与其他4个变电站联网，在此事故发生前，首先有一个变电站的A相电缆终端引线头绝缘击穿，并引起电抗器开关跳闸，然后另一个简易变电站35kV间隔B，C相串弧并将C相CT烧毁，紧接着又在另一个变电站内C相电缆中间接头被击穿，然后在另一个变电站内电抗器A相匝间开路，绝缘电阻降到零。根据故障录波图的记录，反映了最后断路器的故障的情况。

该事故首先由一个站的A相电缆头击穿接地并持续1min左右，电压降至6kV以下，随即导致35kV II段母线B、C相的电压升高到35kV，而35kV I段母线电压相应产生了震荡畸变，比较35kV I段，II段母线的电压波形，发现在柔直系统侧发生B、C相短路时，两侧电压相位角明显间隙性趋于一致，说明了两个电源系统在电压的波动下通过35kV母分开关会相互影响（正常运行时，两个系统无明显影响）[14]。

根据图10的故障录波图并结合现场情况分析，因一个站的电网A相接地，引起另一个110kV站35kV I段母线电压振荡，A、B、C三相电压均有不同程度的抬高，最高幅值达50kV左右，根据本文分析两个电源系统的相位角会以某一频率相差180°，即施加在联络断路器上的电压差至少在100kV以上，考虑电弧间隙接地引起的振荡谐波，该联络断路器实际的承受电压将超过130kV[4]，因此，该联络断路器的断口就被轻易击穿，而击穿后由于两侧都各自连接海底电缆，故而在事故的高电压下发生击穿，又在电缆电容大电流的作用下使断路器内部承受了高温电弧产生了爆炸[11]。

图10 第二次事故录波

3 解决方案研究

根据以上事故原因的分析，在柔直系统电源和交流电网电源之间的分段母联开关，时刻承受着较高的电压差，即使在断路器断开的情况下也不能拉开手车，为了解决这一问题，是否可以将该联络断路器按提高一个电压等级如72.5kV的断路器配置呢？根据仔细研究，答案是否定的，因为要从热备用状态切换到冷备用状态，必须使得联络断路器与母线脱开并隔离，而这一项操作必须利用暴露在空气当中的一次隔离触头[15-16]，而空气中的一次隔离触头是没有灭弧能力的[17]。因此，仅仅提高联络断路器的电压等级也不能解决这一问题。

图11 单个联络断路器试验

根据手车式开关柜的结构特点以及双断口的理论，我们尝试在联络断路器母线上串接一台断路器的方式来观察燃弧的情况，图11是断路器制造工厂首先模拟事故现场情况，按单台联络断路器进行试验，用两台试验变压器在断路器两侧分别施加电压为20.2kV，相位角相差180°的反向电压，联络断路器在分闸状态，操作断路器手车从运行位置到试验位置，然后观察动，静触头的燃弧情况，由于两台试验变压器的容量只有15kVA，电弧电流不会超过1A，因此，试验是安全的，不会因产生电弧而发生事故。然后再串接一台断路器的进行试验，如图12所示。表1是试验程序和几次不同实验方式的结果，根据表1中第2次的试验结果可以证明施加在断路器两侧的电压波动是相互有影响的，即当上触头的电压逐渐上升，而下触头的电压不变时，下触头的电弧也会随着上触头电压的升高明显地加强；从下表的第4次试验可以看到，在串接一台断路器后，当串接的断路器在分闸的情况下，靠近串接断路器一侧的动，静触头其放电现象几乎消失，将联络断路器和串接断路器对调试验，其结果完全一致。

根据这些试验结果，证明在联络断路器分闸的情况下，只要在线路上再串接一台断路器并处于分闸状态，就可以消除联络断路器在处于两端施加反向电压的情况下进行热备用的切换操作，再不会引起拉弧现象[17]。同样原理，也可以承受超过普通电网系统单相接地造成的过电压，基本避免了类似事故的发生。

图12 串接一台断路器的试验

4 结束语

我国的柔性直流输电技术作为一种新型的直流输电方式，一方面，其理论认识还不够深入全面，另一方面，还缺乏长期的实际运行经验，尤其是在和交流供电系统切换时，常常会产生意想不到的事故，其根本原因是两个系统的工作频率有一定的差值，导致处在两个系统电源之间的联络开关在其断口承受着某一频率的电压冲击，一般正常幅值是两倍的对地电压，而且两个电源的电压波动相互影响，并有谐振的倾向，一旦有一端产生过电压，另一端有可能会产生更高的过电压，导致多点绝缘击穿，造成大面积事故。

表 断路器两侧施加反向电压试验记录

目前根据分析研究并经过试验验证，最为直接有效的方案是在联络开关的线路上再串接一台开关[18]，此串接开关处于分闸状态与联络开关形成串联断口，一方面可以对施加在联络开关上的高电压进行分压，使联络开关处于安全的电压之下。另一方面，当联络开关进行热备用退出到冷备用时，也不会在断路器手车的动静触头之间产生拉弧，是一种简单可行的方案。基本解决了柔直系统和交流电网之间联络开关的安全可靠运行。