一起特高压换流站500kV断路器击穿故障分析与处理

赵 强 曹力雄

一起特高压换流站500kV断路器击穿故障分析与处理

赵 强 曹力雄

（国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，内蒙古 通辽 028000）

针对某特高压换流站发生的一起500kV小组交流滤波器进线罐式断路器击穿事故，通过保护动作情况、现场设备检查、相关试验及后续故障设备解体等对事故原因进行了分析，对事故的处理过程进行了详细描述，同时提出了切实可行的防范措施，以避免同类事故再次发生。

罐式断路器；气体绝缘封闭开关设备（GIS）；交流滤波器；灭弧室；吸附剂

0 引言

断路器作为电力系统的重要组成设备主要起两个作用：①改变系统运行方式；②在系统故障时通过与继电保护装置配合快速切除故障，避免事故扩大。断路器的稳定可靠关系着电力系统的安全稳定。直流输电工程需要消耗大量的无功功率，交流滤波器（AC filter, ACF）作为直流输电工程中最常用的无功补偿装置，其进线断路器是否可靠，将直接影响直流系统的可靠性。小组滤波器进线断路器故障会导致大组滤波器不可用，严重时将导致直流系统功率回降甚至闭锁[1-10]。

1 故障基本情况

某特高压换流站5组小组滤波器通过双断口罐式断路器接于大组交流滤波器母线。大组滤波器母线通过3/2接线方式接于交流串内，交流串内断路器采用气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）。故障前某特高压整流站直流场双极3 960MW大地回线平衡运行。500kV 1号母线、2号母线运行，交流进线均运行正常，交流滤波器场5615交流滤波器运行。2019年6月19日13:21:06，运维人员工作站（operator work station, OWS）报第1大组滤波器保护第5小组BP11/13差流速断保护A相跳闸动作，第5小组BP11/13过电流保护A相跳闸动作，大组母线差动保护A相跳闸动作。5615小组滤波器进线断路器5615跳开并锁定，61母线进线断路器5142、5143跳开。现场检查确认53小室第1大组滤波器保护装置A、B套保护装置均动作。一次接线如图1所示。

2 保护动作分析

滤波器保护采用双重化配置，保护采用“启 动”+“动作”出口逻辑，当单套滤波器保护的“启动”+“动作”均同时满足条件时，保护动作出口。图2为滤波器CT分布，大组母线差动保护范围在5615断路器T2至进线5142、5143 CT之间，小组差动保护及过电流保护范围在5615断路器T1至小组滤波器末端T22之间。滤波器保护范围如图2所示。

图1 一次接线

滤波器小组差动保护反应滤波器小组内接地/相间故障，保护分相检测流入保护区域内的电流的矢量和，与设定值比较。该保护只对基波电流敏感。由于CT特性不一致，保护采用比率制动式差动保护，制动电流以接地侧电流为参考。通过查看故障录波可知差动电流，瞬时值58 265A，有效值41 205.79A＞差流速断电流964.08A，小组差动保护动作正确。

图2 滤波器保护范围

滤波器母线差动保护的保护对象为滤波器大组及母线区域内的母线。保护分相检测流入保护区域内的电流的矢量和，与设定值比较。该保护使用差动电流DIFF和制动电流STAB。当DIFF＞STAB时，保护出口。该保护只对基波电流敏感，对于穿越电流是稳定的。通过现场故障录波发现实际差动电流为41 205.7A，实际差动电流大于差动定值，保护正确动作。

检查61母线交流滤波器外置录波图3可以看出，故障开始阶段，高压电容器对地放电，维持故障点对地电位保持不变，通过5615高压侧断路器电流变大；电容器初步放电完成，交流滤波器母线电压跌落，故障电流维持在一个相对稳定的数值；故障切除阶段，5143断路器经电流过零点断开并熄弧成功，5142断路器经电流过零点后熄弧未成功，故障点未发生改变，短路电流由原来的边、中断路器各贡献一部分转换为由5142断路器所连接的Ⅰ母单独提供。

3 现场设备检查

3.1 罐式断路器5615检查

对现场5615断路器、5142断路器、5143断路器及61分支母线设备进行检查，设备外观未发现明显异常。对5615A相断路器开展分解物检测，发现存在异常分解产物，其他气室分解物检测正常，检测结果见表1。

6月22日，对5615 A相断路器进行开盖检查，并用内窥镜检查罐体内套管根部、导线连接、壳体、合闸电阻及分级电容等位置，未发现异常放电痕迹。检查T1侧断路器罐体内部发现表面附着有白色粉尘，T2侧断路器罐体内部表面附着白色粉尘并有大量吸附剂颗粒、烧断的塑料扎带和塑料薄膜残留物，如图4所示。设备安装的带吸附剂的挡板外观正常，吸附剂无破裂脱落情况。

图3 61母线交流滤波器外置录波

表1 5615断路器三相分解物

图4 T2侧断路器罐体内部断裂塑料扎带和薄膜

6月23日，对5615A相断路器进行拆除工作，发现T2侧断路器套管根部屏蔽罩受放电瞬间应力作用而严重变形损坏，套管内壁有一处破损痕迹，屏蔽罩腔体内有疑似吸附剂颗粒和外包装等异物，并在T2侧断路器套管内壁发现放电点，如图5所示。

图5 T2侧套管内壁放电点、破损点及屏蔽罩内异物

3.2 GIS 5142断路器检查

对故障区域设备5142 A相断路器进行分解物检测，发现含有SO2、H2S及HF等异常分解物，并且分解物含量呈现下降趋势，22日检测结果显示A相气室内只含有少量SO2产物。其他两相气室SF6分解物检测正常，检测结果见表2。查看5142断路器历次修试试验数据未发现异常。经分析后设备厂家认为5142 A相断路器属于正常开断现象，不建议对其进行开盖处理，该断路器可继续正常运行。

表2 5142断路器三相分解物

3.3 罐式断路器5615解体检查

7月10日，对5615断路器进行厂内解体，发现T1侧导电杆根部上方1.2～1.9m区域外表面有明显烧蚀痕迹，因而可以确定此次放电区域位于屏蔽罩上部与T1侧导电杆相应的外表面，如图6所示。

图6 T1侧导电杆

T1侧套管内部发现大量散落的干燥剂颗粒和烧蚀残留的干燥剂包装袋，套管内与屏蔽罩上端对应的区域大面积环氧树脂层烧蚀发黑；套管根部屏蔽罩发生变形并且屏蔽罩头部高温烧蚀开裂；套管顶部屏蔽罩因高温气流造成屏蔽罩连接处变形。

检查两侧灭弧单元加热筒与表带的接触面完好，表带接触面及绝缘黄筒内表面完好，断口弧触指表面均正常，主导电回路主触头上端有部分烧蚀，铜基体可见。两侧主导电回路接触片上端有部分烧蚀，铜基体可见。

4 原因分析

综上分析，确定5615 A相断路器内部存在故障拉弧导致跳闸。5142 A相断路器气室气体成分异常是在故障分闸时刻通过大电流，导致SF6气体分解，为断路器正常开断产生。此次故障的根本原因是故障断路器T1侧套管运输用的干燥剂、扎带及气泡膜由于长途运输从套管根部滑入套管内部，导致现场安装阶段未发现，未能及时取出而留在套管内部，与当时断路器的安装记录中相应的“A套管未见干燥剂需厂内核查”记录信息吻合。在重力、断路器操作振动及气流的冲击下，干燥剂、扎带及气泡膜逐步滑到屏蔽罩与导电杆之间电场强度高的区域，与套管内壁（金属部分）绝缘距离不足产生放电引起T1侧导电杆对屏蔽罩及相应的套管内壁的放电，造成导电杆、屏蔽罩及套管内相应部位的烧蚀，进而发展成短路绝缘故障，最终导致断路器跳闸。

5 结论

针对故障采取处理措施如下：

1）对5615 A相断路器一次本体进行更换，对5142 A相断路器进行试验，所有试验合格后方可以投入运行。

2）5615 A相断路器发生内部故障，造成5142断路器跳闸，5142 A相断路器分解物产生的原因为正常切断短路电流（约41kA）产生，该台断路器的灭弧能力在年度检修期间已完成试验，结果正常，可以投入运行。

3）对同类设备现场安装记录进行全面排查。

4）加强设备安装阶段的现场旁站监督，严格安装阶段的作业管控，加强作业现场验收、试验等环节的全过程管控监督。

5）对站内罐式断路器安装记录进行全面排查，避免同类故障再次发生。

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Analysis and treatment of a 500kV circuit breaker breakdown fault in ultra high voltage converter station

ZHAO Qiang CAO Lixiong

(Maintenance Branch, State Grid Inner Mongolia East Power Co., Ltd, Tongliao, Inner Mongolia 028000)

In view of a 500kV AC filter incoming circuit breaker breakdown accident occurred in an UHV converter station, the cause of the accident is analyzed through protection action, field equipment inspection, relevant tests and subsequent failure equipment disassembly. The treatment process of the accident is described in detail, and the feasible preventive measures are put forward to avoid the recurrence of similar accidents.

tank circuit breaker; gas insulated switchgear (GIS); AC filter; arc extinguishing chamber; adsorbent

2020-12-11

2021-01-25

赵 强（1985—），男，内蒙古通辽人，本科，工程师，主要从事特高压直流输电及调相机运检技术相关工作。