一起直流融冰装置过电压故障分析

莫严君，苏文艳，黄润清，吴振，朱远

(1.国网湖南省电力有限公司超高压变电公司，湖南 长沙410004；2.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南 长沙410004；3.长沙电力职业技术学院，湖南 长沙410000；4.国网湖南省电力有限公司防灾减灾中心，湖南长沙410129)

0 引言

冬季覆冰对架空输电线路安全运行造成了严重影响[1]，直流融冰装置以其融冰容量小、停电范围小、操作简单等优势，近年来得到了广泛应用，有效避免了冬季线路因覆冰出现的倒塔断线[2－3]。据不完全统计，目前湖南省区域内有各种类型的直流融冰装置86套，江西省内有23套、浙江省内有14套[4－5]。2019年国家电网有限公司组织编制了三年融冰规划，多套直流融冰装置将陆续投入运行[6]。

随着越来越多的直流融冰装置投入运行，装置现场运行维护工作量逐渐增大[4，7]，但目前多数变电站现场运行人员对直流融冰装置运维知识点掌握不足，导致误操作事故[8]。本文以一起直流融冰装置误操作故障作为案例进行分析。

1 直流融冰装置介绍

直流融冰原理是利用变电站低压交流电压作为电源，通过整流变压器调压和换流器整流，输出直流电压施加于待融冰线路之上，在线路末端三相短接，形成融冰回路，通过电流的热效应融化覆冰[9－10]。融冰时，融冰电流，采用直流融冰时电抗分量将不起作用，即X＝0。一般情况下，线路电抗分量X较电阻分量R大得多[11]，在同样的融冰电流条件下，采用直流融冰所施加的电压明显小于交流融冰电压，从而直流融冰电源容量明显小于交流融冰。

直流融冰一方面减少了融冰所需要的系统容量，另一方面避免了交流融冰时需要进行线路阻抗匹配和繁杂的倒闸操作[12]。因此220 kV及以上线路优先采用直流方式进行融冰[13]。直流融冰装置除了可对线路开展融冰，还可对其改造，达到无功补偿的目的[14－15]。

2 故障经过

某220 kV变电站直流融冰装置型号为HZRG25/12.5，由两台整流变压器、不控型二极管12脉波整流器、串并联刀闸、感应电压抑制部件、组合刀闸等构成。采用变电站35 kV电源作为输入电源，通过整流变压器将35 kV电压降压引入不控型二极管12脉波整流器后，通过整流将交流变成直流，再经组合刀闸将12脉波整流器输出的正负极转化为A、B、C三相后输出到输电线路，在输电线路末端三相短接形成回路，进行融冰。可对该站内的3回220 kV线路和6回110 kV线路进行融冰。

2020年1月13日，某变电站运行人员对站内35 kV交流融冰回路进行空载冲击，冲击过程中发现合上454断路器后后台监测35 kVⅣ母B相电压降低至约13 kV，运行人员立即拉开454断路器。

次日，检修人员对交流融冰电缆进行绝缘电阻测试时发现电缆绝缘电阻低，约2 MΩ。检查后发现，直流融冰室内组合刀闸B相其中一副刀闸处于合位，拉开刀闸后复测，电缆绝缘电阻正常。检修人员接着对直流融冰装置本体进行检查。该220 kV变电站融冰装置一次接线如图1所示，图中加粗线条为交流充电冲击通道，交流输出与直流输出在环网柜汇总，再通过两组刀闸分别输出至220 kV线路和110 kV线路，输出部分通过组合刀闸与直流融冰部分隔离。现场发现组合刀闸B相2022B处于合闸状态，其他相以及串并联刀闸均处于拉开状态。

图1 某220 kV变电站融冰拓扑结构

3 故障分析

3.1 故障影响

故障造成B相母线电压通过组合刀闸2022B直接接入到直流融冰装置感应电压抑制部件负极和整流器负极，感应电压抑制部件内部负极与正极通过阻容性元件连接，正极输出后接至整流器正极；融冰装置从内部切换刀闸至组合刀闸部分全部带电，454间隔线电压为35 kV，B相对地电压为20.2 kV，即电压抑制部件和整流器承受了对地20.2 kV的交流电压；感应电压抑制部件和整流器额定电压按照10 kV绝缘设计，20.2 kV电压施加时可能对整流器整流和测量回路造成影响。

3.2 故障排查

首先对感应电压抑制部件进行外观检查和直流电阻、绝缘电阻测量，感应电压抑制部件外观正常，绝缘电阻为50.7 GΩ，感应电压抑制部件正常。

之后对整流器进行检查，整流器内部元器件(二极管、均压电阻、阻容吸收回路、TV、TA)参数正常，整体对地绝缘电阻为326 MΩ。采用电压电流发生器对TV和TA进行了校核，TV校核最高电压15 kV，测量及显示正常，TA校核最大电流1 800 A，总电流和分电流测量和显示均正常，整流器主体部分和二次部分正常。

故障时融冰装置原理如图2所示。图中加粗线条为454断路器合上后直接带电的部位，454断路器合上后电压通过4543隔离开关、环网柜汇流母线组合刀闸2022B隔离开关、负极铜排接入整流器负极套管，再通过整流器内部均压电阻等原件接至整流器交流侧，在内部切换刀闸2202和2102处被隔离。图中虚线部分线条为454断路器合上后通过感应电压抑制部件内部元件连接而带电的部位，即整流器正极与负极等电位。整流器本体对地采用环氧树脂材料绝缘，但整流器输入侧每个整流桥对地接有一组避雷器，整流器TV采用差分电路接线，两个测量臂中间接地，整流器中有避雷器和TV的测量电阻(主要为高压臂)两个较大功率接地点。其中高压臂电阻值为3 MΩ，功率200 W，根据P＝U2/R计算可知，对地电压为20 kV时电阻消耗功率为133W，在其额定功率之内。检查TV外观及内部电阻，不存在放电痕迹，且故障后测量电压功能正常，初步排除高压臂电阻接地导致电压下降。

图2 故障时融冰装置原理图

B相对地电压约20 kV，整流器输入侧避雷器额定电压5 kV，动作电压15～18 kV，动作后残压值12 kV，估算泄漏电流约数百毫安，导致合闸后B相电压由20 kV下降至残压，但因电流不大，未跳开断路器。根据合闸时B相电压下降现象，初步判断原因为交流电压加在整流器上时，整流器内部避雷器动作，导致电压降低。

因融冰装置整体输入侧和输出侧均有避雷器保护，1月16日拆除整流器内部避雷器对融冰装置进行整体空载试验，融冰装置输出电压13.4 kV，运行20 min，装置正常，融冰装置可正常输出融冰电压。

3.3 结论

经过现场核实，完成检修后装置正常，后期对组合刀闸B相2022B隔离开关更换了驱动电机，但刀闸最后处于合闸状态未拉开。本次对交流回路进行冲击时，未对融冰室内刀闸状态进行核实即送电，导致交流冲击电压通过2022B隔离开关施加于直流融冰装置输出侧，且电压约20 kV，对于额定电压仅10 kV的融冰装置来说，属于典型的过电压。融冰装置在该电压下持续数秒，如持续时间进一步加长，避雷器将可能因承受电流过大而发生爆炸。后期对避雷器进行了拆除检测，发现避雷器阀片有烧蚀痕迹。

因取掉内部避雷器暂不影响融冰功能，本次故障后对避雷器进行了更换，同时提醒运行人员严格防范类似误操作。

4 建议

为防止这种误操作导致直流融冰装置输出侧带交流电的风险，运行人员应加强对融冰装置内部结构的培训和学习。

送电前仔细检查装置状态，同时建议对直流融冰装置采用以下方式进行改造:

1)对于已建融冰装置，在组合刀闸和交流融冰隔离开关之间设置电气闭锁，在组合刀闸任意一相处于合闸状态时，交流融冰隔离开关不能合上。

2)对于新建融冰装置，输出侧由目前的一进两出环网柜改为两进两出的环网柜，将交流和直流分开接入融冰母线，并将环网柜内的交流开关和直流开关设置闭锁，两个开关不能同时合闸。

3)将组合刀闸位置信号、串并联刀闸位置信号接入后台辅控系统，便于观察刀闸位置状态。