±500 kV团林换流站金属回线转换开关转换失败原因分析

郑卫红，常聚忠，周建国，刘建国

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

2016年6月2日，团林换流站在进行极Ⅱ由单极大地回线转为单极金属回线运行方式的过程中，由于金属回线转换开关（Metallic Return Transfer Breaker，MRTB）在分闸过程中产生的过电压导致振荡回路的电抗器均压环对其支柱绝缘子放电，振荡回路无法产生过零点，MRTB振荡回路失效、分闸失败，MRTB开关保护动作，MRTB重合成功，极Ⅱ单极大地回线转单极金属回线不成功，随后遥控步进操作返回单极大地运行方式。

大地回线和金属回线之间的转换需要大地回路转换开关(Ground Return Transfer Switch，GRTS)和MRTB配合才能完成转换[1-2]。大地回线转为金属回线的过程为两个阶段，首先需要闭合GRTS，形成大地回线和金属回线并联运行的方式，然后拉开MRTB，完成由大地回线向金属回线的转换。由于直流输电系统中金属回线电阻要大于大地回线电阻，所以在转换过程中当大地回线和金属回线并联运行时，流过MRTB电流要远大于流过GRTS的电流[3-6]。据此可知，大地回线转金属回线断开MRTB的电流要远大于金属回线转大地回线断开GRTS的电流。本文针对直流开关振荡回路中因电抗器均压环设计缺陷导致振荡回路失效，金属回线转换失败的案例进行分析，并提出相关改进建议。

1 直流开关动作原理及功能

直流开关一般由3部分构成：一是由交流SF6断路器构成的转换开关B；二是以形成电流过零点为目的L、C振荡回路形成的转换电路；三是以吸收开断过程中产生能量为目的的非线性电阻R等耗能元件。直流开关一般多采用无源型叠加振荡电流方式，利用电弧电压随电流增大而下降的非线性负电阻效应在与电弧间隙并联的LC回路中产生自激振荡，当振荡电流的幅值超过流过断路器断口的直流电流时，流过断路器断口的总电流就会出现过零点，此时，SF6断路器断口间的电弧熄灭，其非线性电阻、电感线圈、电容器安装于绝缘平台上，详见图1。

图1 直流断路器原理图Fig.1 Schematic diagram of DC switch

2 MRTB转换失败及检查情况

极Ⅱ直流功率1 500 MW单极大地回线运行，极Ⅱ由大地回线转换至金属回线时，MRTB开关保护动作重合MRTB，MRTB开关重合成功，极Ⅱ大地回线转金属回线不成功。站内天气为大雨，MRTB开关生产厂家为ABB，型号为HPL245B1。

2.1 现场检查情况

对MRTB及其振荡回路元件外观进行了全面检查，检查发现振荡回路电抗器下方均压环及支柱绝缘子有放电痕迹，具体见图2。对有放电痕迹的绝缘子进行了更换，更换前对新绝缘子进行了耐压试验；对有放电痕迹的均压环进行了打磨处理；对振荡回路的绝缘平台进行了绝缘电阻测量，结果均正常。

图2 MRTB振荡回路电抗器支柱绝缘子闪络痕迹Fig.2 The flashover trace of the support insulator for MRTB oscillation circuit reactor

2.2 MRTB及其振荡回路元件试验

对MRTB及其振荡回路元件进行了试验，试验结果均正常，详见表1。

表1 MRTB及其振荡回路元件试验Tab.1 The test of MRTB and its oscillator circuit elements

2.3 MRTB保护原理及动作行为分析

MRTB开关保护原理为：MRTB开关分位时，如果检测到接地极电流|IDEL1+IDEL2|＞75 A，保护延时140 ms发指令重合MRTB开关。

图3 MRTB开关保护重合故障录波Fig.3 The transient fault record during reclosing of MRTB protection

从图3故障录波可以看出，开关分闸后IDEL1+IDEL2电流最小值约90 A，之后迅速增长，130 ms后保护动作，MRTB开关重合，保护动作正确。同时，从图3可以看出，此时极Ⅱ中性母线电压UDNmax=144.051 kV，MRTB开关振荡回路产生了较高的振荡电压。

3 故障原因分析

通过图纸以及现场检查测量，电抗器支柱绝缘子高度390 mm，均压环向下延伸长度320 mm，均压环与支柱绝缘子伞裙边缘最短空气绝缘间隙170 mm。因均压环向下延伸过长，使支柱绝缘子的有效绝缘距离减少，导致绝缘裕度不足。

图4 电抗器均压环及支柱绝缘子测量尺寸Fig.4 The measurements of reactor corona ring and post insulator

MRTB制造设计时，电抗器均压环设计不合理，均压环与支柱绝缘子伞裙边缘空气间隙设计裕度不足，MRTB操作时，产生的操作过电压使电抗器均压环对支柱绝缘子放电，转换操作不成功。

图5 MRTB振荡回路失效示意图Fig.5 Schematic diagram of MRTB oscillation loop failure

如图5所示，MRTB在断开的过程中，直流电流对电容器进行充电，进而逐步在电容器上产生一个较高振荡电压，此时转移直流电流较大且站内为大雨天气，在电容器与电抗器连接处电容器高压侧对电抗器支柱绝缘子底部放电，造成LC振荡回路中电容被短路，振荡回路失效，最终导致SF6断路器无法分开电流。

4 改进建议

（1）增加电抗器绝缘裕度，对电抗器均压环联结件进行改进

查阅图纸发现本次使用的均压环及其联结件为通用部件，由于此次线圈尺寸较小，联结件长度相对于电抗器本体尺寸过长。经过厂家计算及核验更改设计后的联结件与绝缘子底部最小空气间隙距离增加至321 mm，可以满足额定电流情况下大地回线转金属回线方式要求，改进后的联结件见图6。

图6 改进后的电抗器均压环联结件（单位：mm）Fig.6 Improved connector of reactor corona ring(unit：mm)

（2）提高MRTB振荡回路电抗器支柱绝缘子的电压等级

将目前采用的振荡回路电抗器60 kV支柱绝缘子更换为72.5 kV的支柱绝缘子，通过提高支柱绝缘子的电压等级解决绝缘裕度不足的问题。

（3）尽量避免在恶劣天气下进行大地回线转金属回线操作

在换流站遇有大雨及高湿度环境下，应尽量避免进行大地回线转金属回线操作，防止由于恶劣天气造成运行方式转换不成功。

5 结语

当前新建换流站直流开关均采用无源振荡回路，对于断开相同直流电流的有源振荡回路相比，对其振荡回路元件性能要求更高，但由于设计原因或元件故障导致直流开关无法断开直流电流的事件偶有发生。本文对直流开关振荡回路电抗器的均压环存在设计缺陷进行了深入研究，并根据实际运行情况提出了具体、可行的改进建议，这对于目前国内换流站具有此类结构的电抗器具有较高的参考价值和较强的借鉴意义。

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