换流站交流滤波器场断路器故障分析

王兴照，黄　锐，邢海文，周大洲，吕俊涛

（国网山东省电力公司，济南　250001）

换流站交流滤波器场断路器故障分析

王兴照，黄锐，邢海文，周大洲，吕俊涛

（国网山东省电力公司，济南250001）

分析换流站交流滤波器场断路器的一种典型故障。描述故障发生过程、断路器现场解体检查情况、断路器故障相和非故障相的返厂解体检查情况，并对灭弧室内的粉末和油迹进行分析比较。阐述故障发生的原理、故障开关灭弧室爆裂的起因和过程。为类似断路器的设备检修提供有效参考。

断路器；换流站；交流滤波器场；故障分析

0　引言

为了实现传统高压直流输电系统的无功电压控制和谐波控制，交流母线侧需要并联大容量的无源滤波器和电容器组，统一布置在交流滤波器场。为了实现电力滤波器和电容器组的投切，两者均与断路器相串联。同时，直流输电系统输送的有功功率一般按照日调度计划进行安排，其传输功率在70%～100%范围内波动，故其相应的无功补偿装置也要进行频繁地投切［1］。交流滤波器场断路器的投切频率远远大于普通换流站的投切频率，其运行状态直接决定了高压直流输电系统的电压幅值和波形质量，因此，有必要对交流滤波器场断路器的典型故障进行深入分析，以提高设备运行可靠性［2-5］。

以某换流站交流滤波器场断路器故障为例，首先，描述故障发生过程、现场检查和故障录波情况；然后，介绍故障开关三相的返厂解体检查情况，对比三相灭弧室内粉末与油迹情况，最后，分析故障发生的机理，并推理了灭弧室爆裂的起因及放电过程。

1　故障情况

1.1故障发生过程

2015年某日，换流站直流功率由100%额定功率（4 000MW）降至70%过程中，某一组滤波器自动切除时，C相开关熄弧后电弧复燃，导致小组零序过流保护动作，启动大组母线失灵，母线失灵保护动作，跳开相邻开关，切除第二大组交流滤波器。

故障断路器（型号LW15-550/Y4000-63）为常规瓷柱式高压SF6断路器，双断口结构，2010年投运，断路器负载为并联电容器，负载容性电流200 A，故障前该断路器已分合操作934次。产品说明书中提出断路器额定电流开断次数为2000次，超过时需全面检修，但是故障断路器操作次数未超过全面检修要求值。

1.2现场检查及故障录波情况

现场故障开关C相负荷侧灭弧室瓷套已完全爆裂，断路器本体处于分闸位置，动静触头裸露在空气中，静主触头上部与动主触头下部有明显的电弧烧蚀痕迹；瓷套碎片散落在周围20m范围内（最大瓷片300mm×400mm），除故障开关A相支柱的上瓷套伞裙被炸裂的瓷片有轻微碰损外，其余设备完好，如图1。

图1　断路器故障现场图片

通过故障录波图分析后发现，C相开关在成功开断后70ms电弧复燃（电流峰值5 700 A），72.8ms左右电流自然衰减消失；在79ms再次复燃（电流峰值3 000 A），84ms左右电流自然衰减消失；随后出现补气报警（400ms）及闭锁报警（600ms），在2 s左右（此时瓷套已炸裂）出现稳态电流200 A（并联电容器负载电流），9 s时保护动作并切除故障断路器。故障期间的时序如图2所示。

图2　故障时序

对A、B相开关进行均压电容值及介损测量，开关机械特性、SF6分解产物组分试验，试验结果正常。2012年故障开关例行试验时试验结果均正常。之后，现场更换了三相开关本体，拆除后的断路器返厂进行解体分析。

2　解体检查

2.1故障相解体情况

对故障开关C相拆除并进行检查，测量中间触头在气缸上的行程，断路器分、合闸行程尺寸正常（229mm），分、合闸到位，详细解体情况如图3。滤波器侧灭弧室内的动、静触头有大片的电弧烧蚀痕迹，该侧灭弧室瓷瓶已经爆裂。母线侧灭弧室瓷瓶完好，动触头侧法兰上有明显的电弧烧蚀痕迹，并在该侧灭弧室内发现粉末和点状油迹，在瓷套下方内壁有发散性沿面放电痕迹。

图3　故障开关C相解体检查情况

2.2非故障相解体情况

对A相进行解体检查，两侧灭弧室触头烧蚀正常，没有发现放电痕迹，在瓷套管内部有少量粉末和油迹，如图4。

图4　A相解体检查情况

对B相复装后进行工频耐压试验，试验电压为592 kV（型式试验电压740 kV的80%），试验期间未发生放电现象。试验后对B相进行解体检查，在右侧灭弧室瓷套内发现少量粉末，左侧未发现异物。对触头检查，烧蚀情况正常，磨损也正常。

图5　B相解体检查情况

2.3灭弧室内粉末和油迹比较与分析

通过解体，发现不同断路器灭弧室内的金属屑的多少有差异，A相左侧灭弧室瓷瓶内有粉尘、右侧有少量油迹；B相左侧无粉尘、右侧有粉尘；C相左侧有放电痕迹，右侧瓷瓶已爆裂。

对灭弧室内的粉尘进行了成分化验，粉末主要由Si、Fe、Cr、Mn、Al、Ag构成，根据断路器灭弧室结构，Si主要来源为瓷套表面的釉和断路器内部的润滑脂；Fe主要来源为灭弧室内活塞和拉杆的摩擦物；Cr主要来源为触头材料，触头为Cu和Cr合金；Al主要来源为灭弧室内气缸的摩擦物；Ag主要来源为灭弧室内导电材料表面的镀银层，其他微量元素为杂材料，综上分析灭弧室内的粉末主要为灭弧室内零部件经过长期操作后的摩擦物。

3　故障原因分析

3.1机理分析

由于断路器负载为并联电容器，按最严酷的情况分析断路器的分闸过程，当断路器在母线峰值电压时分闸，电容器上的残余电压为母线电压的峰值，断路器两端承受电压为母线交流电压和电容器直流电压之差。

电流切断后70ms时，第一次击穿重燃，断口间恢复电压达到最大值；最大值为相电压峰值的2倍，对于550 kV产品约为900 kV。不考虑衰减，79ms时，第二次击穿重燃，断口间恢复电压达到最大值。

3.2灭弧室爆裂原因分析

灭弧室爆裂起因。一般情况下在正常操作时会产生金属屑，由于故障断路器经过长期操作（操作次数为934次），随着金属屑积累到一定程度，断路器分闸运动过程中，在高压气流及电磁场作用下，金属屑的位置会随之变化，特别是断路器刚分闸后10～100ms，主要集中在断口下方瓷套表面，类似存在尖端毛刺，引起电场畸变，使母线侧灭弧室套管从静主触头起沿瓷壁发生贯穿性击穿，滤波器侧灭弧室承受两倍的电压 （一个断口承受两个断口的电压），引起静触头对瓷壁的击穿，进而导致瓷套炸裂。

放电过程。故障开关接到分闸命令后，正常分闸并开断负载电流，电弧熄灭，假定电流熄灭时刻为0ms，根据现场故障录波分析，故障开关在电弧熄灭后70ms，母线电压接近峰值，同时由于电容器上存在残余电荷，电容器侧的电压和母线侧相反。两者电压叠加，在高电压作用下，由于存在金属粉末，母线侧灭弧室发生沿瓷壁放电，该侧导通，断路器两端电压全部施加在滤波器侧（瓷瓶爆炸侧）灭弧室断口，该侧断口电压过高，造成断口击穿的同时对瓷壁放电（断口击穿点在灭弧室动测左上方，瓷壁击穿点为母线侧静端主触头上部瓷壁），短路电流5 700 A，持续时间2.8ms。断路器内部发生贯穿性击穿后，电容器侧充电，并且电压方向和母线侧电压接近。

由于已经形成了放电通道，在上次放电9ms后，母线电压翻转接近峰值，同时由于上次击穿放电，电容器侧电压又和母线侧电压相反，断路器两端电压再次叠加，在79ms断路器两端电压又接近最大值，在高电压作用下发生第二次击穿，短路电流3 000 A，持续时间5ms。

由于断路器滤波器侧瓷套在两次重燃过程中受大电流电弧灼伤，且高强瓷材料本身具有脆硬性，开始出现裂纹、漏气导致低压最终滤波器侧瓷套粉碎性炸裂，断路器两端的电压为母线电压和滤波电容器上的电压叠加，故障开关C相滤波器侧触头裸露在空气中，母线侧灭弧室内仅有少量的SF6气体，两个断口绝缘性能已经降到很低的程度。2 s时，触头间出现电弧击穿，断路器两个断口击穿，通过持续电流约200 A，形成断路器爆裂后持续的放电通道，由于放电时间较长，在滤波器侧灭弧室静触头上部和动触头下部出现大片的烧蚀痕迹，在母线侧灭弧室静触头和动触头也出现大片的烧蚀痕迹，瓷壁也有烧蚀痕迹及大量放电通道，9 s时大组滤波器保护动作切除故障断路器。

故障开关C相灭弧室瓷套炸裂的主要原因为灭弧室中存在异物，使电场分布发生畸变，导致母线侧灭弧室瓷套内壁从静端主触头至动端法兰发生贯穿性沿面放电，最终导致滤波器侧断口电压过高（是原来的两倍），灭弧室静端主触头对瓷套上部放电，致使具有脆硬性的灭弧室瓷瓶发生爆裂。

4　结语

详细地分析了某直流换流站550 kV HGIS母线气室爆裂故障，利用现场检查、故障录波情况和返厂解体检查等手段，分析了母线气室故障的起因及放电过程。

为防止类似事故的发生，可采取的措施有：加强对断路器气室的带电检测，进行SF6气体分解物检测；对操作次数较多的换流站交流滤波器场断路器进行定期抽检，现场解体检查，检查内部是否有粉末并评估断路器运行状态；必要时对所有交流场断路器进行解体检查，评估断路器运行状态。

［1］聂定珍，曹燕明.HVDC换流站投切交流滤波器用断路器特殊性能要求［J］.电网技术，2008，32（23）：86-90.

［2］汤铭华.GIS组合电器典型故障分析及改进［D］.广州：华南理工大学，2013.

［3］胡红红，钟建灵，郑亚君.运行中SF6全封闭组合电器的故障检测［J］.中国电力，2012，43（12）：19-22.

［4］张宇娇，庄曰平，程炯.SF6气体绝缘全封闭组合电器故障分析［J］.高电压技术，2011，31（7）：1 719-1 727.

［5］齐波，李成榕，耿弼博，等.GIS设备绝缘子高压电极故障局部放电严重程度的诊断与评估［J］.高电压技术，2005，31（1）：89-90.

Fault Analysis of Circuit Breaker in the AC Filter Field of Converter Stations

WANG Xingzhao，HUANG Rui，XING Haiwen，ZHOU Dazhou，LV Juntao
（State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

A type of circuit breaker（CB）faultof AC filter field is analyzed in the converter station.First，the failure process and local strip inspection are outlined.Then，the strip inspection of the CB fault phase and healthy phases returned to the factory are introduced，while the metal powder and oil in arc interrupters of different phases are analyzed and compared. Finally，the failuremechanism is analyzed when the reason and process of the CB arc interrupter explosion are given in detail. Hopefully thiswill prove to be of reference value for operation andmaintenance of similar equipment.

circuitbreaker；converter station；AC filter field；faultanalysis

TM595

B

1007-9904（2016）03-0061-03

2015-10-13

王兴照（1970），男，高级工程师，从事电力设备的运维检修等工作。