±500 kV天生桥换流站中性母线避雷器故障分析及防护措施研究

卢文浩，黄大为

（中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广州510663）

0 事故概况

2016年4月6日17时02分，±500 kV天广直流输电工程天生桥换流站极1三套直流线路行波保护和电压突变量保护动作，直流系统经3次重启不成功后闭锁。闭锁前直流运行方式为极1单极金属回线运行，输送功率600 MW。19时48分，天广直流极1采用单极金属回线方式强送成功，恢复送电功率至300 MW。随后在20时04分执行功率由300 MW至600 MW调整时，天生桥站三套中性母线差动保护动作，极1转为闭锁。

故障后现场检查发现，天生桥换流站极1中性母线F2避雷器动作8次，红外测温为35.9℃，其余避雷器为30℃左右，绝缘电阻测试结果为0。在单极金属回线运行方式下，天生桥换流站极1中性母线共配置相同参数的避雷器6台。故障避雷器铭牌参数如表1所示。

±500 kV天广直流输电工程起点位于广西隆林县天生桥镇，直流落点为广东省广州市北郊，线路总长963 km，直流额定电压±500 kV，直流输电功率1800 MW，工程于2001年6年双极投运。

表1 故障避雷器铭牌参数Table 1 Nameplate parameters of the damaged surge arrester

1 解体分析

事故后，对发生故障的极1中性母线F2避雷器进行解体，解体情况如下：

1）避雷器两端压力释放装置（防爆膜）受冲击已鼓起，但未发生破裂，如图1所示。

图1 避雷器防爆膜示意图Fig.1 Diagram of pressure release plate of surge arrester

2）密封圈表面光洁，与压紧板的压痕均匀，无明显水渍痕迹；与密封圈接触的定位板、弹簧亦无明显水渍痕迹，未见锈斑，如图2所示。

3）避雷器芯体为4柱电阻片并联，每柱由18片电阻片串联组成。其中两柱电阻片和靠近这两柱的瓷套内壁有明显的电弧闪络痕迹，表明避雷器内部电阻片沿面产生贯穿性电弧，如图3所示。

4）所有电阻片表面存在不同程度的烧蚀痕迹，但无明显大面积崩裂、穿孔现象。对电阻片进行逐一检查发现，表面烧蚀严重的电阻片柱顶部第2片电阻片发生击穿开裂，如图3所示。

图2 避雷器密封装置示意图Fig.2 Diagram of sealing device of surge arrester

图3 避雷器内部电弧痕迹Fig.3 Internal arc trace of surge arrester

图4 电阻片发生击穿开裂Fig.4 Chip cracking of varistors

综合上述解体现象，可排除避雷器内部受潮，初步分析避雷器故障原因为：其中一个电阻片由于热崩溃发生击穿，随后该电阻片表面发生放电，产生电弧，电弧发展导致整柱电阻片表面闪络。闪络产生的能量致使避雷器压力释放装置动作，上下部防爆膜出现变形。

2 故障原因分析

2.1 故障过程

查看天生桥换流站极1中性母线电压录波图，可将本次故障分为两个阶段：

首先是直流线路遭受雷击，马窝站极1行波保护和电压突变量保护动作，经3次重启不成功后闭锁。极1中性母线电压如图5所示，中性母线在重启过程中存在4次明显过电压，在后两次重启均有电压突变，如图5红圈所示，放大见图6。从中性母线电压突变可知该阶段中性母线F2避雷器已经损坏或存在缺陷，但未完全击穿导通。该阶段中性母线避雷器有明显的能量累积，最大过电压91.8 kV，低于其操作保护水平99 kV。

图5 中性母线过电压录波图（阶段一）Fig.5 Overvoltage oscillograph of neutral bus（stage one）

图6 电压突变处放大图Fig.6 Zoom out of voltage mutation

第二阶段是天广直流以极1单极金属回线方式恢复送电后，在执行功率由300 MW至600 MW调整时，天生桥站三套中性母线差动保护动作，极1转为闭锁。由于上阶段中性母线F2避雷器内部已存在缺陷，在功率调整过程中击穿损坏，中性母线电压波形见图7。本阶段中性母线最大过电压46 kV，避雷器无明显能量累积。

图7 中性母线过电压录波图（阶段二）Fig.7 Overvoltage oscillograph of neutral bus（stage two）

2.2 避雷器能量校核

由故障过程分析可知，故障避雷器只在第一阶段有能量累积，可通过录波文件计算故障避雷器吸收能量，计算方法如下：

1）流过中性母线全部6台避雷器的电流Ie，可由极1阀组低压端中性母线电流传感器IdN电流录波与另一极母线线路侧电流传感器IdL_op电流录波相减可到，即Ie=IdN-IdL_op。IdN和IdL_op电流录波如图8所示。

图8 IdN和IdL_op电流录波图（阶段一）Fig.8 Current oscillograph of IdN and IdL_op(stage one)

2）将Ie与中性母线电压Udn（如图5所示）的乘积求积分，可计算故障过程全部6台避雷器吸收总能量，除以总台数6，可计算得到单台避雷器吸收能量E，即

以上计算结果基于每台避雷器吸收能量完全相同的假设，计算可得单台避雷器吸收能量为0.53 MJ。

2.3 避雷器特性差异分析

天生桥站在金属回线运行方式下共接入避雷器6台，每台内并联4柱电阻片，共24柱。对均流特性要求高，避雷器之间的伏安特性差异可能导致能量分配不均，使特性低的避雷器吸收过多能量老化加速，甚至发生热崩溃[1-12]。

梳理故障前天生桥站中性母线避雷器直流参考电压测试数据，如表2所示。

表2 避雷器直流参考电压测试数据Table 2 Test results of DC reference voltage

由表2可以看出，本次避雷器故障前1 mA直流参考电压明显低于该极其它避雷器，最大偏差达2.5 kV，而极2中性母线避雷器1 mA直流参考电压最大偏差为0.3 kV。

结合解体现象，初步分析避雷器故障前直流参考电压偏低的原因为其中一个电阻片存在缺陷或者已经失效。

2.4 仿真分析

为验证避雷器的吸收能量和特性差异对均流特性的影响，利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMT⁃DC，仿真分析中性母线避雷器能量和放电电流。

2.4.1 避雷器吸收能量

仿真计算直流线路首端、中点和末端处发生人工接地故障时，中性母线避雷器单台吸收的能量。运行方式为单极金属回线，直流输送功率分别考虑600MW、900MW，仿真结果如表3所示。仿真波形见图9。

表3 直流线路不同位置发生接地故障时中性母线避雷器吸收能量Table 3 Energy absorption of arrester in line fault happened indifferent parts of DC transmission line

图9 避雷器能量与放电电流仿真波形Fig.9 Simulation waveform of energy and discharge current

从表3的计算结果可以看出，直流线路接地故障不是考核中性母线避雷器的最严苛工况，避雷器的电压和能量应力较小，均低于其额定参数。当直流线路发生接地故障时，中性母线避雷器吸收能量随着故障点与整流站距离的增大而减小，随着输送功率的增大而增大。

当输送功率为600 MW、接地故障点位于整流站线路出口处和中点处时，避雷器吸收能量分别为0.60 MJ、0.31MJ，中性母线过电压幅值为92.49 kV、89.18 kV，与避雷器能量校核结果0.53 MJ比较接近，远低于其额定吸收能量2.6 MJ。极1中性母线F2避雷器故障原因可排除系统能量过载导致。输送功率为600 MW、接地故障点位于整流站线路出口处时。

2.4.2 避雷器特性差异影响

仿真计算了直流线路首端处发生人工接地故障时，其中一台参考电压在降低2.5 kV、1 kV、0.8 kV、0.5 kV、0.3 kV情况下，避雷器的放电电流和电流分布不均匀系数β。电流分布不均匀系数β计算公式参照GB/T 22389-2008《高压直流换流站无间隙金属氧化物避雷器导则》，其要求值为不大于10%[4-16]。运行方式为单极金属回线，直流输送功率分别选择300 MW、600 MW和900 MW，仿真结果如表4所示，其中I1和I2分别为参考电压正常和降低后的避雷器的放电电流。

表4 参考电压偏差对避雷器不均匀分布系数影响仿真结果Table 4 Simulation of effect of reference voltage deviation on uneven distribution coefficient

从表4和图10可以看出，不同输送功率对避雷器电流不均匀分布系数随参考电压偏差的增大而急剧增大。参考电压偏差大于0.5 kV时，电流不均匀分布系数均大于标准要求的10%，当参考电压偏差2.5 kV时，电流不均匀分布系数达50%以上，能量在并联避雷器之间分配极不均匀。

综合以上分析结果，本次中性母线避雷器故障的原因为：避雷器其中一个电阻片存在缺陷或者已经失效，导致该避雷器伏安特性低于同极其它避雷器，在故障工况中承担了大部分的能量耐受，发生击穿故障。

图10 参考电压偏差对避雷器不均匀分布系数影响Fig.10 Effect of reference voltage deviation on uneven distribution coefficient

3 事故对策及结论

1）故障避雷器解体现象表明：①避雷器密封装置完好，内部未见明显受潮痕迹；②其中两柱电阻片和瓷套内壁有明显的电弧闪络痕迹，表明避雷器内部电阻片沿面产生贯穿性电弧；③表面烧蚀严重的电阻片柱顶部第2片电阻片发生击穿开裂。

2）梳理了避雷器故障过程的两个阶段，利用故障录波和暂态仿真，校核了避雷器吸收的能量，校核结果表明单台避雷器吸收能量约为0.53 MJ，小于其额定吸收能量2.6 MJ，避雷器故障原因可排除能量过载导致。

3）分析避雷器故障前的直流参考电压试验结果发现：避雷器故障前1 mA直流参考电压明显低于同极其它避雷器，最大偏差达2.5 kV；仿真分析直流参考电压偏差对避雷器电流分布不均匀系数影响可知，当参考电压偏差2.5 kV时，电流不均匀分布系数达50%以上，能量在并联避雷器之间分配极不均匀。

4）综合解体现象、能量校核和仿真结果，可得避雷器损坏原因为：避雷器其中一个电阻片存在缺陷或者已经失效，导致该避雷器伏安特性低于同极其它避雷器，在故障工况中承担了大部分的能量耐受，发生击穿故障。

5）事故对策：①安装在同一极的中性母线避雷器，开展直流参考电压预防性试验时，应对试验结果进行横向比较，最大偏差不应超过0.5 kV；②为及时发现隐患，对于运行年限超过10年以上的中性母线避雷器，预防性试验周期建议由3年缩短为1年。

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