500kV固定式串联补偿装置故障分析及防范措施的研究

邓洁清，郭雅娟，邵 邵，刘 阳

（1.江苏省电力公司检修分公司，南京 211102；2.江苏省电力公司电力科学研究院，南京 213003）

线路阻抗是限制长距离输电容量的重要因数，输电线路加装固定式串联补偿电容器装置（简称串补装置）可以减小线路电抗，是提高输电容量的有效措施［1］。串补装置由补偿电容器、氧化锌避雷器（简称MOV）、保护间隙（简称GAP）、旁路断路器、阻尼阻抗、保护装置以及测量元件构成，组成元件较多，相互之间的配合较为复杂，增加了串补装置的故障概率［2］。本文以500kV三堡变电站东三II线串补装置在区外短路时避雷器发生故障为例，对故障波形及保护动作情况的分析、相关组成设备的试验进行详细说明，以此提高专业人员对串补装置故障的分析和处理能力，同时结合三堡变串补装置历次故障情况，给出相关运维防范措施。

1 串补装置结构分析

500kV三堡变和东明变之间通过三条线路连接，承担阳城电厂260万kW电能的送出。东三线3条线路全长大约260km，在三堡变侧各装设1组（3相）串补装置。串补装置的主要元件有：电容器、MOV、保护间隙、旁路断路器、阻尼电抗、保护装置以及电流互感器，具体如图1所示。

图1 串补装置结构示意图

（1）电容器起到补偿输电电感的作用，每相电容器容抗为29.92Ω，对应电容值为106.4μF，由288只电容单元按两组并联方式组成［3］。

（2）MOV分为两个支路和电容器并联，防止电容器承受过电压而损坏。每相MOV数量为14只（其中2只备用），额定吸能能力为61MJ，伏安特性如表1所示。

表1 MOV伏安特性表

（3）GAP、旁路断路器和电容器及 MOV并联。当线路区内故障，电容器和MOV流过大电流时，保护装置触发导通间隙和发令闭合旁路断路器，避免电容器和MOV承受大电流而损坏，或者当电容器、MOV故障时，保护装置触发导通间隙和发令闭合旁路断路器，将电容器、MOV安全退出。GAP的结构如图2所示，串补保护发出高压脉冲触发点火间隙，电容器C4通过阻尼电阻放电，放电电流通过触发变压器的一次线圈触发精密间隙，电容器C3通过阻尼电阻放电。C3和C4放电后，由于C1和C2所分担电压升高造成上部主间隙击穿燃弧，上部主间隙击穿燃弧后C1和C2通过主间隙放电，进一步造成C3、C4上分担电压升高造成下部主间隙击穿燃弧，至此整个间隙击穿导通［4］。

图2 GAP结构示意图

（4）阻尼电抗用于阻尼间隙和旁路断路器导通时电容器反充电的暂态大电流。

（5）保护装置由电容器保护、MOV保护、GAP触发保护、平台保护以及重投保护等模块构成，具体功能见表2［5］：

2 串补装置故障分析

2.1 故障概述

18：46：54.440，500kV阳东I线在东明变出口处发生C相瞬时接地故障，两侧断路器跳开后重合成功。18：46：57.574，500kV阳东I线在东明变出口处再次发生C相接地故障，线路两侧断路器跳开不重合（重合闸充电时间未到），同时阳东III线在东明变出口处发生AB相间接地短路故障，两侧断路器跳开后不重合。18：46：57.574，三堡变东三II线串补B相MOV大电流保护动作、MOV不平衡保护动作、GAP拒触发保护动作，东三II线串补旁路断路器三相合闸，串补退出运行且永久闭锁。串补装置区外故障时，MOV大电流保护、不平衡保护和GAP拒触发保护都不应该动作，这说明串补装置有故障发生如图3所示。

表2 串补保护装置功能说明

图3 故障时系统接线图

2.2 故障波形及保护动作情况分析

18：46：57.574阳东I线发生C相接地故障、阳东II线发生AB相接地故障，对于三堡变的东三II线串补装置而言是线路区外三相短路故障，故障电流波形如图4所示。

图4 故障电流波形图及放大图

从东三II线串补保护故障波形图中可以看出：

（1）故障发生时，线路故障电流呈现三相短路的特征，有效值为2 050A，此时B相电容电流和B相线路电流完全相同。B相MOV支路1和支路2、GAP都没有电流流过，说明此时MOV未动作、GAP未导通。

（2）故障发生后约20ms左右，B相电容器电流突然增加，峰值为70 700A，同时B相MOV支路1电流也突然增加。如图4所示。B相电容电流和MOV支路1的电流大小相等、方向相反。此时B相MOV支路2、GAP电流几乎为0。

（3）东三II线串补装置近区人工短路试验数据为：最大短路电流峰值为39.61kA，电容器两端的最大电压值约为210kV，流过MOV的最大电流峰值为7.65kA［7］。而本次故障电流最大峰值3 550A，推算电容器两端最大电压值21kV左右，根据 MOV伏安特性，MOV不应动作，流过电流很小，所以进而判断，MOV支路2不动作属于正常，MOV支路1因为故障击穿，电容通过MOV支路1放电产生大电流。

从东三II线串补保护动作信号序列如表3所示，可以看出：

（1）东三II线区外故障发生后的20ms左右，由于 MOV支路1流过大电流（70 700A），且连续三个采样点值都大于定值（10 000A），所以MOV大电流保护瞬时动作；MOV支路1流过大电流，而MOV支路2无电流流过，所以MOV不平衡保护保护也同时动作。

（2）MOV大电流保护、MOV不平衡保护的动作策略都是触发GAP和合旁路断路器。由于MOV支路1故障击穿，GAP两端没有电压，所以当串补保护发出GAP触发命令时，GAP无法导通，这一点由GAP的触发原理可知，因此GAP拒触发保护动作。

表3 东三II线串补保护装置动作信号表

2.3 串补装置试验分析

通过串补装置组成元件的检查发现：B相MOV支路1的一只避雷器上下防爆膜都被顶开，如图5所示。检查结果证明了前文分析的正确性。

（1）对B相所有避雷器开展诊断性试验，并和上次例行试验数据进行比对，故障避雷器数据见表4。从试验数据可以看出：故障避雷器的直流参考电压和正常避雷器相比，和上次试验数据相比，略有下降，这说明故障避雷器应该是阀片沿面闪络，并非阀片本体击穿。

图5 故障避雷器防爆口

表4 避雷器试验数据表

（2）对故障避雷器进行解体检查发现：故障避雷器隔弧筒及电阻片结构完整，但四周已熏黑，为沿柱面闪络造成；大部分电阻片边缘存在受潮痕迹，中间部位未见异常，如图6所示。

图6 故障避雷器解体

（3）为进一步确认避雷器故障是否由阀片劣化引起，对阀片开展大电流冲击试验［8］。试验分别选取故障避雷器和正常避雷器氧化锌阀片各3片，分别施加幅值为10kA的8／20μS冲击电流，残压均在6kV左右，结果未见明显异常，典型波形见图7。进一步证明故障避雷器是由于受潮导致沿面闪络，并非阀片劣化导致击穿。

图7 避雷器电阻片波形图对比

3 结论及防范措施

东三II线串补装置B相避雷器组的一支由于密封不严导致内部阀片受潮。线路正常运行时，串补装置流过负荷电流，受潮避雷器承受电压较低，尚可运行［9］；线路故障时，串补装置流过短路电流，受潮避雷器突然承受高电压冲击，内部阀片沿面闪络，造成MOV相关保护动作，串补装置永久退出，造成线路输送容量下降。500kV三堡变三组串补装置从投运以来发生过多次缺陷（故障），主要缺陷见表5。

表5 三堡变串补装置缺陷（故障）汇总

根据本次串补装置故障的原因分析，同时结合历年缺陷（故障）情况，对防止固定式串补装置故障，提出以下运维措施：

（1）定期对串补装置进行精确红外检测，重点检查电容器组引线接头、电容器外壳、MOV端部以及串补平台上电流流过的主要设备。

（2）密切关注电容器组不平衡电流值，当确认该值发生突变或越限告警时，应尽早安排串补装置检修［10］。

（3）结合停电检修工作，对每相的两组电容器参数进行测试，对于参数不平衡的电容组进行调整以保证两组电容器参数基本一致；对每支避雷器进行直流参考电压和直流泄露电流试验，特别注意测试数据的一致性。

（4）结合停电检修工作，对多次动作的保护间隙进行必要的处理和更换，例如打磨、清洁。

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