基于±500kV同塔双回直流换流站交流滤波器开关爆裂隐患的研究

谢正波 杨晓维 王典浪

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司曲靖局）

0 引言

近年来，随着国民经济持续高速发展，高压直流输电在远距离大容量输电和电力系统联网方面的明显优势越发突出。高压直流换流站中的交流滤波器不仅要承担吸收交流侧系统谐波的任务，还要提供换流器消耗的无功容量。同塔双回±500kV牛寨换流站有4个大组共20个小组交流滤波器，站内安装有大量交流滤波器用断路器。交流滤波器用断路器与普通断路器相比，存在以下区别：1）交流滤波器断路器需切断容性负载，对暂态恢复电压TRV（TransientRecoverVoltage）有更高的技术要求；2）交流滤波器断路器根据功率调整要求自动频繁投切，运行工况恶劣；3）交流滤波器断路器需承受交直流混合电压作用；4）交流滤波器断路器需配置选相合闸装置，其对断路器时间参数的分散性要求非常严格，偏差一般要求在1～3ms以内。下面将从一起该换流站交流滤波器开关炸裂案例，分析其产生故障的原因，并研究提出改进方法。

1 故障情况

2018年6月21日22时38分，±500kV牛寨换流站调整牛从直流功率下降过程中，无功控制自动切除500kV575交流滤波器后，575开关三相正常断开，开关分位出现，三相电流消失，575开关A相分闸熄弧8.3ms后出现多次震荡的尖峰电流，震荡尖峰电流峰值最大为17000A，后续震荡尖峰电流发展为滤波器额定负载的持续异常电流 （约202A），530ms后报出500kV575开关三相不一致保护动作、740ms后575开关 SF6低气压异常报警、1019ms后575开关TWJ异常及控制回路断线 （SF6气压低闭锁控制回路所致），3059ms后575交流滤波器保护A、B套零序电流I段动作，575开关保护收到三跳开入且A相存在持续电流情况下经过200ms延时起动母线失灵保护，母线失灵保护经过30ms延时跳开交流进线开关和所有小组交流滤波器开关，整个故障电流持续时间约3318ms。保护动作时序图如下。

图1 575开关保护动作时序图

2 故障原因分析

2.1 现场检查情况

经现场检查，575开关A相靠母线侧灭弧室瓷套炸裂，母线侧均压电容瓷套受损，动静触头裸露在空气中，滤波器侧均压电容器及均压环表面存在放电痕迹。575开关A相机构储能正常，SF6压力为零，相邻B相靠近A相侧支柱绝缘子瓷套受损，灭弧室外瓷套轻微受损。

2.2 返厂解体情况

对母线侧灭弧室和均压电容进行解体发现，动静触头上存在明显烧蚀现象，喷口未发现异常，灭弧室两端法兰均存在电弧烧蚀点，均压电容外瓷套破损，如图2所示。

图2 母线侧灭弧室解体情况

对滤波器侧灭弧室及均压电容进行解体检查，发现灭弧室动静多处存在放电烧蚀痕迹，动主触头镀银层脱落，喷口外沿存在一处放电烧蚀痕迹，喷口内壁有多处放电穿孔，次套内有金属杂质，内壁附着白色粉末静主触头有电弧灼烧痕迹，灭弧室内部发现金属颗粒，如图3所示。

图3 滤波器侧灭弧室解体情况

对575开关A相均压电容的电容量及介质损耗进行测试，数据见表1所示，试验结果满足规程要求。

表1 575开关A相均压电容器测试数据

对575开关A相均压电容解体，未发现电容芯元件异常，见图4。

图4 均压电容解体情况

2.3 故障原因分析

查阅575开关A相故障录波，发现首开极A相熄弧8.3ms后，出现第一次尖峰电流，第一次尖峰电流息弧后约10ms出现第二次反向尖峰电流，第二次尖峰电流息弧后约3ms出现了第三个尖峰电流，此后尖峰电流持续震荡。

图5 575开关故障录波图

综合575开关解体和故障录波情况，575开关息弧后8.3ms灭弧室内部发生了重击穿，导致断口间电压持续抬升，同时随着开关开距持续抬升，灭弧室内绝缘持续增强，故障前现场为持续阴雨天气，导致开关外绝缘性能降低，断口间抬升的电压在滤波器侧均压电容与母线侧灭弧室外绝缘表面构成放电电通道，如图6所示。

图6 击穿故障放电路径

由于母线侧灭弧室外表面放电造成瓷套损伤，在灭弧室内部压力 （0.62MPa）的持续作用下，灭弧室发生爆裂。

在母线侧灭弧室爆裂后，两侧动静触头暴露在空气中发生多次放电，造成动静触头表面存在多处放电痕迹，放电通道如下图。

图7 炸裂后放电路径

滤波器侧灭弧室内腔暴露在空气中后，由于持续阴雨天气造成内表面凝露，形成圆形小斑点。

3 改进研究

牛寨换流站交流滤波器开关已发生过多次灭弧室重击穿起故障，针对该型号开关存在的问题也已经组织厂家进行了多次整改。第一次改进是将开关均压电容复合外套榫接工艺改进为铸模工艺，第二次改进将开关复合外套绝缘均压电容更换为瓷外套均压电容，第三次是在灭弧室绝缘外套喷涂RTV涂料，并更换均压环结构，增加均压电容与灭弧室距离。但每次整改后，还是发生灭弧重燃现象。

根据此次开关爆裂问题，结合以往整改经验及滤波器开关性能技术要求特点进行研究，提出以下新的改进措施，以降低其故障几率。

3.1 加强开关外绝缘能力

牛寨换流站天气潮湿多雨，且每次灭弧重燃都发生在雨后或空气比较潮湿的晚上，此时灭弧室外表面绝缘电阻降低，可能导致外绝缘击穿，所以需加强其外绝缘能力。根据实际情况，确定以下改进方法：1）加长灭弧室外瓷套和均压电容外瓷套各200mm，以增加爬电比距；2）将电容器位置由垂直布置更改为水平布置，防止雨水通道在电容器瓷套和灭弧室瓷套之间形成放电回路。

图8 灭弧室改造前后外形图

3.2 提高容性电流开断能力

将开关 SF6气体额定压力从0.6MPa提高到0.7MPa，内部绝缘可以提高约10%，从而可提高断口容性电流开断能力，优化喷口螺纹结构，可以改善喷口电场分布。

图9 灭弧室内部结构

3.3 改进中间触指结构

对动触头原结构中与压气缸接触的中间触指进行改进，原来的压接触片为3片1组，共6组，单片接触压力为88.8N；改进后的触片为30片为一个部件，单片接触压力为41.5N，单片接触压力降低，可减少气缸表面磨损，但整体通流能力不变，并且将原分片安装改为整体安装，保证同轴度要求，减少人为安装因素，提高装配质量。如图10所示。

图10 中间触指结构改进

3.4 调整机构速度

为降低开关重燃几率，将开关分闸速度由原速度9.5m／s调整到速度上限10.5m／s左右。开关分闸速度提高后，在相同时刻，开距将增大，可以降低断口间电场强度，提高断口绝缘。

此外，完善交流滤波器开关选项合闸功能，开展选项分闸功能可行性研究，使触头刚分点在电流峰值附近，避免出现极短燃弧时触头开距不足导致重击穿的现象。

4 结束语

交流滤波器在直流输电系统中具有非常重要的作用，交流滤波器开关由于其严苛的运行工况，它的故障将影响直流系统对滤波的要求，降低系统无功容量，限制直流功率，严重危害电力系统主网架安全运行，因此需要系统的研究分析交流滤波器开关安稳技术性能要求，为交流滤波器开关选型及设计提供可靠依据。