一起±800 kV换流站投切交流滤波器用断路器故障原因分析

阳少军，石延辉，夏谷林

(南方电网超高压输电公司，广州市 510620)



一起±800 kV换流站投切交流滤波器用断路器故障原因分析

阳少军，石延辉，夏谷林

(南方电网超高压输电公司，广州市 510620)

在超、特高压直流输电系统中，换流站投切交流滤波器用断路器在多个工程中出现内绝缘击穿、外绝缘闪络等故障，中国南方电网有限责任公司首次使用国内厂家供货的此类型断路器，在开断过程中也出现了1次断路器开断过程中灭弧室内部击穿导致瓷套爆裂的故障。对此次故障的故障过程、现场解体检查和故障原因分析进行了介绍，并提出了针对该批次断路器的反事故措施，并对后续滤波器用断路器的选型提出了建议。

断路器；交流滤波器；高压直流

0 引 言

根据成套设计的要求，在满足常规交流断路器一般要求的基础上，对高压直流输电系统中用于换流站投切滤波器的断路器，提出了容性电流开断试验、提高断路器断口恢复电压(transient recover voltage，TRV)和为抑制电容器合闸涌流配置选相合闸装置的特殊要求[1-4]。实际工程中使用的滤波器用断路器，都是各断路器供货商在常规产品的基础上，进行补充试验，以满足用户技术规范的要求[3]。在开断滤波器的工况下，由于滤波器侧开断后为一个衰减缓慢的直流电压，断口上承受的恢复电压更高，持续时间更长，运行工况更恶劣，导致此种工况下的断路器绝缘裕度远小于常规工况的[5-17]。本文通过对一起±800 kV换流站投切交流滤波器用断路器故障进行深入剖析，提出对该类型断路器在设计选型、试验验证和生产制造、运行维护等方面的措施建议。

1 故障情况简述

2014年8月14日，某±800 kV换流站在调试过程中发出584断路器分闸命令，584断路器跳开45 ms后A相出现重燃，经多次燃弧熄弧过程，由大组断路器隔离故障，保护动作时序见图1，检查发现584断路器A相靠滤波器侧灭弧室瓷瓶爆裂，如图2、3所示。

2 故障检查

故障后现场检查发现：(1)584断路器A相动主触头及喷口外表面有电弧烧蚀痕迹，如图4所示；(2)静主触头未发现异常烧蚀痕迹，瓷套内壁发现闪络痕迹；(3)测量三联箱拐臂变位情况，584断路器A相故障断口开距约为162 mm，在厂家规定的161 mm± 2 mm范围内。

图1 保护动作时序

图2 584断路器A相受损情况

图3 瓷套碎片上有电弧烧蚀痕迹

图4 相滤波器侧动触头喷口

厂内解体发现：(1)拆除滤波器侧静触头端盖螺栓，发现静触头端盖处存在落弧点，对应瓷套部分有高温灼伤痕迹，如图5所示；(2)拆除滤波器侧静触头均压罩，发现静主触头根部存在黑色粉末，经化学分析，为开断过程中弧触头烧蚀后的分解物，如图6所示；(3)检查母线侧灭弧室，动静触头均未发现异常；内部光洁，未见放电现象。母线侧灭弧室瓷套发现贯穿性闪络痕迹；(4)分别拆除母线侧、滤波器侧动触头喷口和辅助喷口，发现滤波器侧比母线侧动弧触头烧蚀更加严重。

图5 静触头端盖落弧点

图6 静主触头根部黑色粉末

结合现场和厂内解体分析，初步判断故障放电路径为动主触头与瓷套内壁击穿放电，并沿瓷套内壁闪络，落弧点在静触头端盖，如图7所示。

图7 电弧可能的燃弧路径

3 故障原因分析

3.1 584 B相断路器特殊试验情况

为深入分析原因，2014年9月24日至2014年10月23日，在昆明特高压基地对换流站交流滤波器584 B相断路器开展了导电回路电阻测试、分合闸时间测试、断路器并联电容介损及电容量测试、短时工频耐压试验，试验结果未发现异常。对断路器进一步开展了直流泄漏测试、交直流叠加耐压试验、单断口交直流叠加直流耐压裕度试验。

(1)对交流滤波器584 B相断路器进行直流泄漏测试。在两断口公共点施加直流电压250 kV，测量两断口的直流泄漏电流，第1和第2次测试结果如表1所示，为排除测量误差，每次试验测量3组。从测量结果分析，断口2的直流泄漏电流为断口1的2倍左右。

表1 直流泄漏电流结果

Table 1 Measurement results of DC leakage current

针对昆明特高压试验基地特殊试验中发现小组滤波器用断路器断口间直流泄漏电流比值较大的异常情况，选取换流站第4大组交流滤波器小组断路器591、592、593共9相进行现场实测，测得断路器母线侧断口泄漏电流为滤波器侧断口的2至7倍，清洁断路器灭弧室外表面及外表面屏蔽后测试结果无明显变化。测试数据见表2，从实测情况分析，由于直流电压按照电阻比例进行分压，两个断口在实际开断过程中恢复电压分布极不均匀。

(2)对交流滤波器584 B相断路器进行直流负极性交直流叠加耐压试验，在断口2施加交流电压，在断口1施加直流正极性电压，每组电压耐压60 s，试验结果如表3所示。

(3)对故障断路器B相开展正极性交直流叠加耐压试验。在叠加升压至直流+520 kV、交流rms366 kV 7 s后，断路器内部发生放电且有明显异响。解体检查后发现,静触头均压罩内侧发现有铜黄色碎屑;在断路器静触头均压罩外侧、对应瓷套内壁发现有电弧烧蚀痕迹，瓷套放电位置与原故障相位置类似，内部残存金属异物。经分析发现，由于断路器内部存在金属异物，导致内部绝缘降低，且在交直流混合电压作用下，该断路器先发生内部放电。

表2 现场实测直流泄漏电流结果

Table 2 Field measurement results of DC leakage current

表3 交直流叠加耐压试验结果

3.2 喷口和弧触头材质检测

为查明喷口和弧触头2个核心部件是否满足要求，组织对其进行测试[13-17]：喷口主要由聚四氟乙烯和填料三氧化二铝组成，喷口为自制件，经组织第3方进行复测，喷口填料比例满足其内控要求；触头为国内采购件，从故障产品供货商提供的入厂检测报告未见异常；由第3方进行的静弧触头材质测试结果(CuW70)，与弧触头材质(CuW80)要求不一致。

3.3 选相合闸动作分析

该换流站交流滤波器用断路器间隔配置了南京南端继保电气有限公司生产的PCS-9830选相分合闸装置。目前在装置中仅受控合闸控制字投入，受控分闸控制字未投入，即只控断路器的合闸过程。滤波器间隔的选相分合闸装置投入还设置了基于模拟量回采的自适应功能，即根据本次断路器的动作采集时间修正下次断路器的预期动作时间，以提高下一次的选相控制精度。

滤波器间隔的选相分合闸装置的合闸控制策略如下：当其收到测控装置的三相合闸命令后，选相分合闸装置在检测到参考电压(大组母线电压)最近的过零点时发出此相的合闸命令，然后陆续检测其他两相最近的过零点发出合闸命令，并分别开出到对应的分相操作箱，然后送到断路器本体的合闸线圈，完成合闸过程。调取584断路器故障前其多次合闸时的电压电流波形进行分析，选相合闸装置动作基本正确，未出现大的合闸涌流，排除了由于关合涌流过大导致触头烧损严重的可能。

3.4 金属异物来源分析

装配记录检查，按照2014年版本《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》13.1.5要求：断路器、隔离开关和接地开关出厂试验时应进行不少于200次的机械操作试验，以保证触头充分磨合[18]。200次操作完成后应彻底清洁壳体内部，再进行其他出厂试验。根据厂家提供的检查记录，其供货所有断路器都按照要求进行了检查。从触头烧蚀情况分析，并根据金属异物化学分析报告，可以判断黑色发亮有金属光泽的异物为弧触头在开断电弧后产生的分解物，其中还存在部分装配过程中未清理干净的金属异物。

3.5 不同厂家滤波器小组断路器开断后的弧触头烧蚀对比

为便于对断路器灭弧触头烧蚀情况进行对比研究，对部分已返厂检修的滤波器用断路器的灭弧触头检修检查情况进行了对比，发现故障相断路器在动作次数为153次的情况下，与同样用于滤波器组开断的进口产品相比，在操作次数达到2 000次以后，此次故障的国产产品弧触头的烧蚀情况更为严重。

为查清其触头、喷口及灭弧室是否存在共性问题，选取该换流站第4大组交流滤波器小组断路器共9相进行现场实测，开展断口直流泄漏电流测试，选取动作次数较多的592 C相和测试值较大的593 B相断路器解体进行检查和测试，发现弧触头均烧蚀严重。

3.6 不同厂家提供的滤波器小组断路器的绝缘裕度分析

应用在交流场及交流滤波器组的故障断路器均为相同的电气参数及结构设计，故障断路器灭弧室与其他厂家用于500 kV交流滤波器组的断路器的参数对比如表4所示。

表4 国内交流滤波器断路器参数对比

Table 4 Parameter comparison of domestic AC filter CB

由表4可知，500 kV故障断路器的电气参数(工频、雷电、操作)与另2个厂家供货的断路器相似，均符合相关标准要求，但存在以下几点不同。

(1)干弧距离(4 240 mm)偏小，动主触头屏蔽外径(136 mm)在同类产品中最小，由于曲率半径与电荷密度呈反比，在相同运行工况下，场强分布要比其他厂家断路器更加集中；

(2)在气体压力相同的情况下，单个断口，另一国内供货产品的开距(195 mm)远大于故障产品开距(160 mm)，两个断口的开距相差达70 mm；

(3)在开距较为接近的情况下，故障产品的气体压力(0.6 MPa)远小于某进口供货商产品的 (0.8 MPa)。瓷套内径也小10%左右。

通过对比分析，该故障产品内绝缘设计裕度和同类产品相比偏小。

综上分析，此次故障的原因为该型号断路器的绝缘裕度偏低，且由于该断路器弧触头材质、制造工艺不佳，开断过程中弧触头烧蚀产生的杂质及装配过程中遗留的金属异物引起内部电场畸变，承受不了开断后的交、直流混合电压而发生内部绝缘击穿闪络，导致滤波器侧断口爆裂，母线侧断口外绝缘闪络。

针对此次故障，对该批次断路器采取了如下措施进行整改：

(1)该批次铜钨触头存在较大质量隐患，严重威胁断路器的安全运行，采取更换该批次开关内部弧触头的措施，更换后的铜钨触头采用钨骨架预烧结工艺，并加强对修理质量的监督，督促厂家加强装配质量的管控，以满足现场安全运行的要求。

(2)将额定气压由0.6 MPa增加到0.7 MPa，提高灭弧室内绝缘裕度。

(3)由于断口表面污秽分布对直流电压的分布较大，对交流滤波器用断路器喷涂RTV，改善断口间直流电压的分布。

4 断路器选型分析及建议

目前国际上没有专门针对直流输电用滤波器开关的技术标准，交流滤波器用断路器与普通断路器主要存在以下区别[1，19]：

(1)交流滤波器用断路器需切断容性负载，暂态恢复电压TRV有更高技术要求。

(2)交流滤波器用断路器投切频繁，工况较恶劣。

(3)交流滤波器用断路器需承受交直流混合电压。

(4)关合涌流对触头烧蚀有较大影响，为控制关合，交流滤波器用断路器需采用合闸选相装置。

对于滤波器开关在常规交流断路器选型要求的基础上，应对系统进行充分研究，针对交流滤波器开关所特有的工况，提出有针对性的技术要求。根据南方电网科学研究院提供的研究报告，该换流站针对此断路器的技术规范要求如下[3]：

(1)提高断路器断口恢复电压,根据仿真计算结果，并考虑一定裕度，TRV要求值为1 470 kV。

(2)提出容性电流开断试验的要求，并提供容性电流开合试验报告，具体要求如表5所示。

表5 容性电流开合试验要求

Table 5 Capacitive current switching test requirements

(3)为抑制电容器合闸涌流，配置选相合闸装置的特殊要求，要求投入选相合闸功能。

组织对故障型号断路器的型式试验报告进行了审查，满足技术规范书提出的特殊要求。在对型式试验报告审查过程中，结合技术规范书的要求、实际工况和此次故障原因分析，技术规范书可以进一步优化，并对一些考核试验的要求进行明确，以提高此类断路器的运行可靠性：

(1)目前规范书中确定的TRV为1 470 kV的型式试验要求，不能完全满足现场实际运行要求，现行标准中《GB 1984—2003 交流高压断路器》关于交流滤波器用断路器的C2级开断试验规定的考核时间为300 ms，不能覆盖现有运行工况。经过对南方电网超高压输电公司发生过的故障进行回顾分析，大部分在实际运行中发生的闪络，都是在开断后500 ms到11 s(30 s内)发生闪络，实际开断后恢复电压持续时间超过20 s。建议在后续交流滤波器用断路器采购技术规范书中结合实际运行工况，适当延长C2级开断试验TRV考核时间，具体要求建议由系统研究方提出，以覆盖现有的运行工况，并留有一定裕度。

(2)目前的试验方法中，对TRV的考核试验和电容电流开断试验都是采用单断口试验来等效。从现场实测的断路器断口泄漏电流分析，由于滤波器侧开断后为直流电压，直流电压分布的不均匀系数远大于1.05。由于瓷瓶在运行中积污，并且受开断过程中产生的分解物影响，直流电压由电阻分压，比由电容器均压的不均匀系数(1.05)高，采用单断口进行试验等效性不足。应提出明确的型式试验要求，结合交直流混合耐压试验实测在各种污秽情况下的电压分布，确定合理的不均匀系数，以确保单断口试验的等效性。

(3)从各次发现的外绝缘闪络情况分析，敞开瓷柱式断路器断口间的电压分布受外部环境影响较大，为降低直流电压分布不均匀对断路器安全运行的威胁，应在断路器出厂时采取喷RTV的措施来提高运行可靠性。

(4)此类开关内部绝缘裕度相对较低，开断工况相当于反相开断，恢复电压高且持续时间长，开断性能要求更高，比常规断路器对异物的影响更为敏感，某进口厂家断路器和此次的故障断路器各出现1次由于内部存在异物导致的击穿，该进口厂商开展的开断试验也证实了这一点。应督促厂家加强厂内装配质量的控制，在规范书中明确执行200次操作试验，及试验后的内部清洁工作，确保内部清洁，并将其作为监造的关键点，以确保质量。

(5)交流滤波器开关断口间承受的电压为电源侧交流电压与滤波器侧的直流残压，由于开关断口间要承受来自于滤波器侧的直流电压作用，按直流电压下的爬电比距要求(一般不小于50 mm/ kV)，故障开关断口间爬电比距不满足运行要求，建议提高滤波器开关断口间的爬电比距要求。

5 结 论

(1)此次断路器灭弧室故障的原因为该型号断路器的绝缘裕度偏低，断路器弧触头材质、制造工艺不佳，开断过程中弧触头烧蚀产生的杂质及装配过程中遗留的金属异物引起内部电场畸变，承受不了开断后的交、直流混合电压而发生内部绝缘击穿闪络，导致滤波器侧断口爆裂，母线侧断口外绝缘闪络。对该批次断路器实施更换弧触头、增加气压、喷涂RTV等。

(2)此类开关内部绝缘裕度相对较低，比常规断路器对异物的影响更为敏感，应督促厂家加强厂内装配质量的控制，在规范书中明确执行200次操作试验，及试验后的内部清洁工作，确保内部清洁，并将其作为监造的关键点，以确保质量。在经济技术比较可行的情况下，为提高运行可靠性，宜采用更高电压等级的断路器产品进行替代。

(3)目前规范书中确定的TRV为1 470 kV的型式试验要求，由于目前国际和国内标准对此类断路器型式试验的具体实施未作明确要求，在技术规范书中也未进行明确，导致试验持续时间及试验中选用的不均匀系数不能覆盖现场实际运行工况，建议系统研究方在确定技术规范书时充分考虑，进一步优化完善技术规范，明确型式试验的具体要求，以提高产品运行可靠性。

(4)制订开关技术规范时，应对开关断口间的爬电距离进行明确规定，并严格验收。为消除和降低滤波器用断路器由于外部环境影响导致的直流电压分布不均匀，提高断路器安全运行可靠性，此类开关宜选用罐式断路器；如果选用敞开瓷柱式断路器，应在断路器断口干弧距离、爬距等参数的选取上充分考虑交、直流混合电压作用的影响，并应在断路器出厂时采取喷RTV的措施来提高运行可靠性。

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(编辑：张小飞)

Analysis of Converter Stations AC Filter Circuit Breaker Fault

YANG Shaojun, SHI Yanhui, XIA Gulin

(CSG EHV Power Transmission Company, Guangzhou 510620, China)

In EHV/UHVDC transmission systems, several AC filter circuit breakers (CB) were found broken due to internal insulation breakdown fault or external insulation flashover fault in several projects. The CBs supplied by domestic manufacturers were put into operation in China Southern Power Grid for the first time, and a CB fault occurred in a switching process because of porcelain bushing bursting caused by interrupter internal breakdown. This paper introduced the fault process, on-site disintegration inspection and failure analysis of this fault, and proposed the anti-accident measures for this batch of the circuit breakers, as well as the subsequent selection proposals of the filter CB.

circuit breaker; AC filter; HVDC

TM 561

A

1000-7229(2015)09-0129-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.021

2015-05-22

2015-06-28

阳少军(1977)，男，硕士，高级工程师，主要从事超高压设备技术管理方面的工作;

石延辉(1981)，男，硕士，高级工程师，主要从事超高压直流设备技术管理方面的工作;

夏谷林(1978)，男，学士，高级工程师，主要从事电气一次设备技术监督和高压试验方面的工作。