两起±500kV换流站交流滤波器开关爆裂原因分析与改造

王电处 周亚树 曹显武 刘百爽

（中国南方电网超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖 655000）



两起±500kV换流站交流滤波器开关爆裂原因分析与改造

王电处 周亚树 曹显武 刘百爽

（中国南方电网超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

介绍了近两年南方电网同塔双回±500kV牛寨换流站及±500kV侨乡换流站短期内接连发生两起交流滤波器容性开关爆裂事故，反应了高压直流系统中国产交流滤波器开关在故障中暴露出的不足以及运行中存在的缺陷，重点分析了事故过程中开关爆裂的现象与原因，并根据其他换流站以及事故中暴露的问题提出了一些应对措施，以达到降低开关爆裂的几率及爆裂时对工作人员的人身安全造成的风险的目的，目前大部分应对措施已在±500kV牛寨换流站及侨乡换流站得到有效实施并取得初步成果,验证了改造的有效性与实用性，同时也将事件中暴露出的问题反馈给西安西电开关等开关厂家，也为我国高压开关的生产、研究与发展提供了一些现实依据。

爆裂；开关；改造

近年来，我国国民经济持续高速发展，促进了电力工业向大机组、远距离、超/特高压及交直流并用的方向发展。根据多年运行经验，高压电网输送电功率变化大，为了控制线路的电压水平，提高传输能力与电能质量，必须按不同的有功状况对线路进行无功补偿。目前，对系统电压控制的有效手段为采用投切电容器组，这将导致电容器组开关频繁动作，日频可达3～4次，对电容器组开关开断性能提出了新的要求[1]。根据我国现场高压户外断路器的使用现状，一般采用的都是SF6或真空断路器。

在我国输配电系统中，20世纪 60年代使用多油断路器、空气断路器，技术较落后，1968年华光电子管厂研制出第一只运用于商品化的真空开关管，但由于各种原因与国外的产品质量相差甚远。20世纪70年代初，我国开始引进第一台SF6断路器。经过20多年的努力发展，现在我国的电力系统中高压开关设备几乎全部使用 SF6断路器和真空断路器[4]。为适应我国电力系统发展的需要，我国今年来加大科技投人，加大研制开发力度，同时大量收集变电站现场反馈的一些问题与缺陷，及时分析、研究、改进，以求尽快赶超国际先进水平。

本文结合南方电网±500kV 牛寨换流站及±500kV侨乡换流站近期接连发生两起交流滤波器容性开关（均采用 SF6断路器）爆裂事故，分析了高压直流系统中国产交流滤波器开关在故障中暴露出的不足以及运行中存在的缺陷，重点分析了事故过程中开关爆裂的现象与原因，并根据其他换流站以及事故中暴露的问题提出了一些应对措施，以达到降低开关爆裂几率及爆裂时对工作人员的人身安全造成的风险的目的，并且大部分措施已经在牛寨换流站及侨乡换流站得到有效实施，取得初步成果。

1　事故介绍

1.1592开关爆裂介绍

2014年10月27日01时35分牛寨换流站在降功率过程中，由于无功控制要求切除592交流滤波器，开关切除过程中592开关B相发生故障，故障电流达到 19369.9A（如图 1所示），交流滤波器母线保护及滤波器零序电流保护均动作。现场检查发现592开关B相发生爆裂（如图2所示），且对周围的电容器、开关等其他设备造成不同程度的损坏。

图1　故障波形图

图2　现场开关爆裂图

根据波形可以看出系统发出 592开关分闸命令，在 592开关断开瞬间，B相重燃出现了峰值19.36kA的尖峰电流，然后迅速降为0，60ms后电流变为 183A的额定负荷电流，由此可以判断此时开关B相完全击穿并处于导通状态，此时滤波器保护启动，判断为开关失灵，失灵保护动作跳开大组进线开关及所有小组滤波器开关。

1.2584开关爆裂介绍

2014年8月14日0时48分，根据调试需要，侨乡换流站将极1双阀组由解锁状态操作到闭锁状态过程中，系统发出分闸命令后，584开关三相正常断开，开关分位出现，三相电流消失，45ms后584开关 A相重新燃弧，经多次燃弧熄弧过程，768ms时大组开关5073、5072跳开，584开关A相电流消失，故障隔离。检查发现584开关A相靠滤波器侧灭弧室瓷瓶爆裂。经解体检查584开关A 相动主触头及喷口外表面有电弧烧蚀痕迹。

图3　现场开关爆裂图

2　故障原因

2.1开关重燃及重燃原因

根据上文对两起开关故障介绍，可以得出都是滤波器开关在分闸过程中，开断容性电流后在交直流混合电压作用下，电容器与灭弧室间空气间隙放电，电容器内外壁电位差较大，复合外套许用场强低，电容器发生径向击穿，引发静触头对灭弧室瓷套内壁放电，灭弧室瓷套发生径向击穿，导致瓷套爆，其中开关断开后燃弧熄弧现象即为开关重燃现象，这也是容性开关在分合闸过程中常见的现象，特别是刚投入运行的开关。

重燃现象简单解释就是弧隙在弧隙电压的作用下，弧隙仍有电流通过，电源仍向弧隙输入能量，若输入能量大于散出能量，即弧隙中游离过程大于去游离过程，电弧将重燃[2-3]。

导致开关重燃现象的原因为：真空灭弧室在制造过程中电极表面会粘附有一些小质点，零件会有一些毛刺，灭弧室会带进一些油污、汗渍、棉纱纤维等[4]。这些微粒在电场的作用下会附着电荷，在开关动作过程具有一定的动能，若电场足够强，微粒在穿过间隙到达另一电极时已经具有很大的动能，在与另一电极碰撞时，动能转变为热能，使微粒本身变成蒸汽扩散，使局部的粒子密度迅速变大，这些粒子又与场致发射的电子产生碰撞游离，最终导致间隙的放电击穿[5]。

2.2故障分析

根据以往直流运行经验，当容性开关发生爆裂时，其灭弧气室的电弧燃烧路径如图4所示[7]。

图4　燃弧路径

根据两个站的故障设备解体以及相关试验,可以描绘出开关在发生爆裂前形成的燃弧路径（放电通道），基本上与开关燃弧路径相似，如图5所示。

图5　放电通道

现以牛寨换流站为例来验证放电通道的正确性：放电通道高频电流峰值按照公式进行计算：

式中，f=2000Hz（高频电流脉冲时间 0.3ms）；C=1.839μF（该爆裂的滤波器的电容量）；Up=450kV（相电压峰值）。

带入可得到理论高频电流峰值ic=20.788kA，与故障波形图中峰值电流19.369kA接近，证明了放电通道的正确性。

为对比同类产品下，国外开关与国内开关在交直流混合耐压情况，特将开关送昆明特高压基地试验工况及试验结果表明：侨乡站584开关B相在叠加升压至直流+520kV、交流366kVrms 7s后，开关发生放电且有明显异响，而ABB开关则在叠加升压至直流+600kV，交流425kVrms 35s后才发生放电现象，证明侨乡站584开关B相绝缘裕度比ABB开关绝缘裕度低，侨乡站584开关绝缘裕度试验表见表1。

表1　侨乡站584开关试验结果表

2.3故障原因

经过上文开关故障过程分析，以及故障设备相关试验，并结合容性开关重燃故障的技术特点，可初步得出导致开关爆裂的主要原因如下。

1）在潮湿凝露天气和污秽作用，开断容性电流后在交直流混合电压作用下，电容器与灭弧室间空气间隙放电，电容器内外壁电位差较大，复合外套许用场强低，电容器发生径向击穿，引发静触头对灭弧室瓷套内壁放电，灭弧室瓷套发生径向击穿。

2）开关的装配质量控制不严，内部残存金属异物。

3）根据开关内外绝缘设计及配合原则，开关内绝缘应远高于外绝缘，由于开关内部存在的金属异物导致内部绝缘降低，该开关先发生内部放电[9]。

4）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。

5）换流站一般选址远离市区，多在深山中，运行环境非常恶劣，污秽对直流电压分布的影响和高海拔因素。

6）相比国外同类开关，国内开关内部绝缘设计裕度偏小。

7）交流滤波器断路器投切频繁，工况较恶劣，需承受交直流混合电压。

3　改造

3.1技术措施

截止2015年8月份，牛寨换流站同类开关产品已发生4次径向击穿故障，对开关安全稳定运行造成威胁。依据上文的主要故障原因，结合以往直流运行经验以及高压开关技术特点对交流滤波器开关提出的技术措施，以降低开关故障的几率：

1）将复合外套均压电容更换为瓷外套均压电容，并在躯壳侧加装均压环改善电场分布。

2）支柱和灭弧气室瓷套喷涂 RTV涂料（喷完后颜色为梅红色），提高设备外绝缘防污闪能力。

图6　喷完RTV涂料后的开关

3）增加开关额定SF6压力，提高开关灭弧气室绝缘水平，该条正在与西安开关厂研究处进行论证并试验，待验证合格后进行实施。

4）现行规范及标准中关于交流滤波器开关关于C2级开断试验的TVR考核时间为0.3s，根据现有的运行经验，发现该时间不能覆盖所有的运行工况，因此建议在后续的换流站中应结合自身运行情况，适当调整C2级开端试验TVR考核时间[8]。

5）重新优化了选相分合闸装置里的参数值设定，将分闸设置为负峰值开断，以提高绝缘裕度[13-15]。

6）厂家在开展相关试验后，应做好内部清洁工作，确保内部清洁，同时换流站方将其作为监造过程中的关键点，以确保质量。

3.2管理措施

根据目前，交流滤波器场存在的设备以及人身风险，切实履行“保人身、保电网、保设备”的安全生产要求，结合现场实际情况，特建议实施的如下的管理措施。

1）任何工作人员不得私自进入交流滤波器场区域，进入交流滤波器场区域前必须向主控室值班人员申请，值班人员电话或现场许可后方能进入交流滤波器场，人员离开时，应及时告知值班人员。

2）进入滤波器区域的人员应主动接受值班员许可前的安全交底，交底应包括功率调整时间、将要投、切的滤波器等内容。工作人员应尽量避免靠近将要投、切的滤波器开关。

3）功率调整期间不得进入交流滤波器场。若有临时功率调整或其他临时操作时，工作人员应按照值班员的通知迅速撤离滤波器场或与投、切的滤波器开关保持100m以上距离。

4）在滤波器通道口，制作安装了风险提示及撤离路线图。若发生滤波器开关跳闸，现场人员应立即按照推荐撤离路线图进行撤离，撤离路线图如图7所示。

图7　撤离路线图

5）适当延长交流滤波器设备的日常巡视及特巡特维周期，降低人身伤亡风险。

4　结论

通过对近两年南方电网同塔双回±500kV牛寨换流站及±500kV侨乡换流站短期内发生两起交流滤波器容性开关爆裂的事故，分析了高压直流系统中交流滤波器开关在故障中暴露出的不足以及运行中存在的缺陷，重点分析了事故过程中开关爆裂的现象与原因，并提出了相应的技术措施以及管理措施，其中绝大部分技术、管理措施已经在±500kV牛寨换流站和±500kV侨乡换流站得到了应用，并取得一定的成果。但是由于缺乏大量的运行经验及有效数据支撑，防止开关爆裂措施的制定、实施十分复杂，只有积累大量的直流运行经验，才能逐步完善相应的技术、管理措施，提高直流运行水平，弥补厂家在开关等设备设计以及型号选取时考虑不全的不足。

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王电处（1982-），工程师，毕业于清华大学，现任中国南方电网超高压输电公司曲靖局牛寨换流站站长。

Two ±500kV Converter Station AC Filter Switch Crack Analysis and Transform

Wang Dianchu Zhou Yashu Cao Xianwu Liu Baishuang
(Qujing Bureau, CSG EHV Transmission Company, Qujing, Yunnan 655000)

Introduced nearly two years with China Southern Power Grid ±500kV Niu Zhai Converter Station and ±500kV QiaoXiang converter station two converter stations AC filter capacitive switch burst accidents in the short term, It reflects the lack of HVDC systems AC filter switch failures exposed flaws and run, analyzes the phenomenon and cause of the accident during the burst switch, and proposed some measures in accordance with other converter station and the problems exposed in the accident, to achieve reduce the chance of switching burst bursting risk to personal safety of staff and resulting purposes.Currently, most responses have been implemented in ±500kV Niuzhai Converter Station and ±500kV Qiaoxiang converter station And achieved initial results，Verify the effectiveness and practicality of transformation.The incident also exposed the issue to Xi’an electrical switches and other switch manufacturers But also for production, research and development of high-voltage switch provides some realistic basis.

crack; switch; transform