500kV单断口断路器绝缘事故的过电压计算

(国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077)

500kV单断口断路器绝缘事故的过电压计算

孟毅

(国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077)

与双断口断路器相比，500kV单断口断路器技术关键在于提高断口间的耐受电压。针对某挂网试运行的500kV单断口断路器在热备用时发生断口间绝缘击穿的事故，利用实测数据，对事故过程中断口间电压进行了计算，并进行了仿真，排除了线路操作过电压原因，计算结果表明该断路器断口间绝缘水平偏低。

500kV单断口断路器；绝缘击穿事故；过电压；断口间绝缘水平

1 引言

我国各地各电压等级的断路器曾多次发生断口击穿事件。近几年，随着国内高压断路器技术的发展以及国外技术的引进，500kV电压等级单断口断路器开始大量应用于电力系统。500kV单断口断路器灭弧室对地电压与双断口断路器相同，其技术关键在于提高断口间的耐受电压[1]，在进行绝缘结构设计时，应使电场分布尽可能合理[2，3]。

500kV单断口断路器在合闸运行状态下，主要承受系统对地电压；而在分闸热备用状态下，不仅承受系统对地电压，而且要承受断口间电压，如果断路器在分闸位置的绝缘性能[4]偏低，则可能发生断口击穿事故。针对某基建工程送电过程中一起500kV单断口断路器断口击穿的事故，本文基于实测数据进行了计算，并进行了仿真，计算了事故过程中断口间过电压水平，结果表明该断路器断口间耐受水平偏低。

2 500kV单断口断路器事故基本情况

2.1事故背景及断路器基本情况

500kV X变电站(系统相关接线如图1所示)在扩建D1断路器(双断口断路器)间隔、XM线(全长196.116km)及X站侧高压并联电抗器(额定容量为3×50Mvar，以下简称高抗)送电期间，发生D2断路器断口间击穿的绝缘事故。D2断路器为单断口HGIS(Hybrid Gas Insulated Switchgear)断路器，挂网试运行已3年(签有挂网试运行协议)，试运行期间，未发生缺陷或故障(FX线路全长为65.879km)。

D2断路器配用气动操动机构，额定电压550kV，额定1min工频耐受电压为：680kV(对地)、680+318kV(断口间)；额定操作冲击耐受电压为1175kV(对地)、1175+450kV(断口间)。该断路器断口间并联了一定数量的电容器。

图1 系统接线示意图

2.2事故前已完成的调试及运行方式

事故发生前，扩建工程送电已完成以下调试步骤：

(1)D1断路器投切XM线各一次，试验过程中高抗投入，D2断路器冷备用；

(2)D1断路器对XM线三相充电，试验过程中高抗投入，D2断路器冷备用；

(3)执行D2断路器转热备用操作，下一步准备断开D1断路器切除XM线，当时X站系统电压534kV，FX线功率为425MW。

2.3事故现象及经过

断开D1断路器切除XM线，发现XM线A相电压仍维持；约20s后FX线线路保护动作，FX线A相跳闸，故障测距为离X站0.3km；检查发现，XM线与FX线的线路保护同时动作，同时XM线A相电压消失；FX线A相跳闸796ms后，FX线A相重合闸不成功，转为三跳。

3 500kV单断口断路器检查情况

根据事故现象综合判断，D1断路器切XM线时，D2断路器A相断口击穿，致使XM线A相电压维持；约20s后，D2断路器间隔A相某部位发生对地短路，致使XM线A相电压消失，同时FX线、XM线线路保护动作。

事故发生后，对该D2断路器间隔A相进行了解体检查，情况如下：

(1)检查断路器机构行程、灭弧室行程未发现异常；传动拐臂和绝缘拉杆检查未见异常。

(2)断路器动、静触头的屏蔽罩烧蚀，烧蚀轮廓呈圆弧形，表面沉积有黑色颗粒，分别如图2(a)和图2(b)所示，表明断口间击穿发生在动静触头屏蔽罩之间。

(3)断路器绝缘筒内部除有烧灼痕迹外，未见明显放电通道。

(4)检查发现一盆式绝缘子有明显对地闪络痕迹，如图2(c)所示。

(5)并联电容器外观未见异常，如图2(d)所示。并联电容器试验数据正常。

图2 500kV单断口断路器A相解体检查照片

4 500kV单断口断路器断口间电压计算

本次事故发生在基建工程送电阶段，试验人员对整个事故过程中高抗电压、电流波形进行了监控和记录。高压电容式套管是一个含有电位悬浮导体的电极系统，试验前在高抗高压侧套管末屏抽头处与地之间接入一电容器，如图3所示。接入电容器与套管组成了电容分压系统，具有很好的稳态和暂态响应特性[5]。因此，可从录波仪获取高抗电压,亦即XM线X站侧电压。

图3 高抗测试回路

在调试过程中，录波仪记录了整个故障过程中试验波形。基于录波仪实测数据，对A相对地短路前D2断路器断口电压进行了计算。计算依据如下：

(1)D1断路器分闸前，系统处于正常稳态，XM线X站侧电压即为X站500kV系统电压。

(2)D2断路器间隔A相对地短路前，认为X站系统电压不变，且因D3断路器处于合位，FX线X站侧电压等于X站系统电压。

(3)利用FX线X站侧电压(即X站系统电压)减去XM线X站侧电压，即可得出D2断路器断口电压。

计算结果如图4、图5所示。由图4(a)、图5可见，D2断路器A相断口电压出现后31ms，断口电压达到最大值819kV。在D2断路器A相断口电压达到最大值0.8ms后，出现突降，突降时间为μs级，为明显击穿现象。在断口电压最大值远低于其耐受电压情况下发生了击穿，表明断路器在分闸位置的绝缘性能偏低。

图4 D1断路器分闸后D2断路器断口间电压

图5 D1断路器分闸后D2断路器A相断口间电压(局部放大)

由XM线故障录波装置记录(如图6所示)可知，XM线A相电流在消失约32ms后突然出现，这个无电流时间恰好与D2断路器A相断口电压从开始出现至突降所经历的时间(31.8ms)基本吻合。

图6 XM线X站侧A相电流波形图片(故障录波装置采集)

在线路投切过程中，正常情况下，首端过电压水平一般较低。由图7可见，从D1断路器A相断开至D2断路器A相断口击穿前，XM线X站侧A相未出现明显过电压；在D2断路器A相断口间击穿后，XM线X站侧A相电压出现了三个较大的峰值：第一个为516.8kV(1.15p.u.)，第二个为610.3kV(1.36p.u.)，第三个为554.7kV(1.24p.u.)。线路过电压出现在断口击穿后，表明D2断路器A相断口击穿原因并非线路过电压，而线路产生过电压是由于D2断路器A相断口击穿造成的。

图7 D1断路器分闸后XM线X站侧A相电压(录波仪采集)

5 仿真计算

仿真系统电路如图8所示，线路高抗参数采用出厂试验数据，线路参数采用交接试验数据，根据现场录波数据，确定分闸时刻。利用ATP-EMTP软件模拟了D2断路器A相断口击穿前(0～1.04s)的断口电压，如图9所示，这与基于实测数据的计算波形吻合(注：模拟计算断口最大电压值为769kV，原因为模拟系统电压选取500kV，当时实际系统电压为534kV，故存在差异)。

图8 仿真系统接线图

图9 D2断路器A相断口电压

6 结语

本文针对500kV单断口断路器断口击穿事故，基于实测数据计算了事故过程中断口间过电压水平，并进行了仿真计算，二者计算结果一致。事故过程中断口间电压远低于额定耐受电压，表明该断路器断口间绝缘耐受水平偏低。作为国内挂网试运行的500kV单断口断路器，还需要进一步改善断口间绝缘结构设计，提升断口间耐受水平，才能更好满足电力系统实际运行需要。

[1] 王建西，张雅林，陈国平，等.550kV/50kA单断口断路器的开发[J].高压电器，2004，40(5)：378-381.

[2] 曹云东，王尔智，刘晓明.SF6断路器灭弧室内三维电场数值模拟[J].中国电机工程学报，2001，21(1)：92-96.

[3] 刘志刚，林莘，耿英三.SF6罐式高压断路器三维电场计算与分析[J].高电压技术，2003，29(3)：27-30.

[4] 孙永恒，张铎，赵云学，等.800kV罐式SF6断路器的研制开发[J].高压电器，2009，45(6)：1-4.

[5] 司马文霞，兰海涛，杜林，等.套管末屏电压传感器响应特性研究[J].中国电机工程学报，2006，26(21)：172-176.

Over-VoltageCalculationofElectricInsulationBreakdownAccidentof500kVSingle-BreakCircuitBreaker

MENGYi

(Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan 430077,China)

Compared with the double break circuit breaker,the key technology of 500kV single break circuit breaker is to increase the withstand voltage of the fracture.In this paper,an electric insulation breakdown accident of a 500kV single-break circuit breaker was introduced.The voltage of the fracture was calculated and simulated based on the measured data during the accident.The results showed that the breakdown was not caused by the switching over-voltage of the transmission line,which indicated low insulation level of the single-break circuit breaker.

500kV single-break circuit breaker;electric insulation breakdown accident;over-voltage;insulation level of fracture

1004-289X(2013)06-0097-04

TM56

B

2013-08-23

孟毅(1982-)，男，湖南益阳人，硕士，工程师，从事电网调试与技术监督工作。