换流站500 kV串补阻尼回路故障分析及处理方案

苏云东

（云南电网有限责任公司文山供电局，云南 文山 663000）

1 换流站串补阻尼回路应用现状

高压串联补偿装置在当今电网有着广泛的应用，它可以缩短输电线路的电气距离，提高线路输送功率，改善电力系统的稳定性。2016年，南网境内首座受端富宁换流站内安装了两套容量分别为468 MVar和443 MVar的固定串补，很好地解决了受端弱系统输送容量的问题，进一步提高受端直流系统运行的稳定性，其串补主接线如图1所示。但如果串补发生故障退出运行，将使直流输送功率受到限制。

图1 单组串补主接线图

经过近几年的运行来看，串补设备易发生故障的部位主要有电容器、MOV、火花间隙、阻尼回路，而阻尼回路故障是最常见，且发生故障后由于备品等原因导致处理时间也是最长的。同时，在串联补偿装置的保护中，现有标准或应用只提及了MOV、电容器火花间隙保护，而另一个重要设备阻尼回路的故障检测和保护还没有相应的规定。在已知的串补站安装的所有高压串补装置中均没有配置阻尼回路的故障检测和相应保护，同样换流站串补也没有配置阻尼回路的故障检测和保护。因此，当阻尼回路发生故障初期，运行人员很难及时发现故障并隔离，直到发展成严重故障甚至烧毁后才发现[1]。阻尼回路损坏后，如果没有及时发现并进行处理，那么遇到间隙触发的情况，将会损害电容器组和旁路开关，严重还会导致电容器单元群爆。本文就换流站串补阻尼回路故障原因进行分析，提出可靠处理方案，为串补下一步的改进完善提供参考意见。

2 换流站串补故障基本情况

2019年9月16日20：36，换流站运行人员线路串补开展日常测温，最高温度为20.8 ℃，如图2（a）所示，温度正常，串补在运行状态，直流双极功率为3 000 MW。23：08时，运行人员测温，此时直流功率因00102刀闸发热已申请降至2000 MW，串补自动旁路，旁路后现场于23：40开展测温，线路A相最高温度大于160 ℃，如图2（b）所示，其他两相温度为24 ℃左右。

图2 串补故障时测量图

9月17日00：20，检修人员发现线路A相串补阻尼回路干式空心阻尼电抗器上部冒烟，现场申请紧急停运，对串补进行检查后发现阻尼回路有1只阻尼用MOV和4只阻尼电阻烧坏。

3 阻尼回路设备基本情况及作用

换流站阻尼装置型号为ZKK-7，由干式空心阻尼电抗器和阻尼电阻器（阻尼用MOV+阻尼电阻）组成。阻尼电抗器电感值为0.496 mH，允许偏差为±5%，75 ℃时额定电流下损耗不得超过5%，雷电冲击耐受电压为325 kV。阻尼电阻器每相包含MOV和线性电阻两部分，MOV和线性电阻串联连接，MOV由10只并联构成，每只额定电压为7.5 kV，吸收能量1.5 MJ。线性电阻由4只并联构成，每只电阻值为14×（1±5%） Ω，冲击能量为1.4 MJ。

阻尼电阻回路的作用是限制电容器组放电的电流幅值及频率，防止电容器组放电的电流造成电容器内熔丝、火花间隙、旁路开关的损坏，并能够快速释放电容器中残余的电荷，避免电容器残余的电荷对线路开关电压恢复和线路潜供电流等产生不利影响。正常运行状态时，MOV阻止电流流过阻尼电阻器。当触发火花间隙导通或旁路开关合上时，阻尼回路接入，电容器的放电电流流经阻尼电抗器，从而限制电容器组放电电流的幅值和频率[2]。电抗器两端产生的过电压使MOV阀片导通，从而使电流流过整个阻尼电阻，阻尼电阻用来吸收电容器组的放电能量，使电流进行一定的衰减。电容器组放电完毕后，MOV阀片截止，可以避免线路电流长期流过线性电阻引起损坏。

4 阻尼回路设备故障原因分析

4.1 故障时串补录波分析

对串补旁路时刻三相电流波形进行对比分析，旁路开关合闸时刻，电流流过电容器和旁路开关的三相电流如图3、图4、图5所示。

图3 A相串补旁路时刻电流波形

图4 B相串补旁路时刻电流波形

图5 乙线C相串补旁路时刻电流波形

从A相串补旁路时刻电流波形图可以看出，在串补旁路开关合闸前，流过串补电容器的电流为1 500 A，流过旁路开关的电流为0 A。当旁路开关合闸后，流过串补电容器的电流没有逐渐衰减，直接由12 500 A突降为0 A，流过旁路开关的电流为1 500 A。从B相和C相串补旁路时刻电流波形图可以看出，在串补旁路开关合闸前，流过串补电容器的电流为1 500 A，流过旁路开关的电流为0 A。当旁路开关合闸后，流过串补电容器的电流由10 000 A经过约1.5 s逐渐衰减为0 A，流过旁路开关的电流为1 500 A。

分析A相、B相以及C相串补旁路时刻电流波形图，B、C两相旁路后流过串补电容器的阻尼回路电流波形为正常波形，均为逐渐衰减的波形，如图6所示。而A相旁路后流过串补电容器的阻尼电流波形不正常，为阻尼回路故障电流波形，如图7所示。

图6 阻尼回路放电电流波形

图7 阻尼回路故障电流波形

经过波形对比可以判断，在线路串补旁路时刻，A相串补阻尼回路故障。

4.2 串补电流回路分析

串补电流回路图如图8所示，串补旁路前，线路电流经过电容器流过I1回路，当串补旁路后，线路电流经过阻尼回路旁路开关流过I2回路。

图8 串补电流回路图

通过对串补故障设备进行检查和波形分析，A相串补阻尼回路故障形成的原因是串补旁路时串补电容器组两端的电压全部加在阻尼电抗器和阻尼电阻器上，导致一支阻尼用MOV被击穿，线路电路长期经过阻尼电阻，使得阻尼电阻长期流过线路电流发热而烧毁[3-5]。

4.3 A相串补阻尼电阻烧坏原因分析

当发现串补发热冒烟后，运行人员于9月17日00：38将串补隔离，其串补隔离时刻的电流波形如图9所示。

从串补旁路时刻9月16日23：08至发现串补发热时刻23：40，时差T1=32 min；至串补冒烟时刻9月17日00：20，时差T2=72 min；至串补隔离时刻9月17日00：38，时差T3=90 min。根据电阻发热计算公式W=I42RT及《换流站串联补偿基础设计报告》，阻尼电阻值为3.5 Ω，阻尼电阻能承受的累计能量为5.6 MJ，即当阻尼电阻的发热量大于5.6 MJ时，电阻将烧坏，则可计算出电阻烧坏的极限时间为：

当线路电流为1 500 A，持续流过阻尼电阻时间超过42 min时，阻尼电阻将烧坏。当发现阻尼电抗器上部冒烟时已过了72 min，超过电阻持续过极限时间。

当线路输送功率为满负荷时，即线路电流为3 000 A时电阻烧坏的极限时间为：

根据上述原因分析可以得出，线路A相串补阻尼电阻发热并烧坏的原因为串补旁路时，串补阻尼回路MOV被击穿，阻尼电阻长时间流过线路电流而烧坏。当串补旁路时，若阻尼MOV击穿，线路电流长时间（超过42 min）流过阻尼电阻，则阻尼电阻将被烧坏。

5 预防串补阻尼回路故障的建议及处理方案

由于阻尼回路任一个MOV被击穿时，如未能及时时发现，阻尼电阻必定会被烧坏，因此必须采取预防串补回路故障的措施。针对串补没有配置阻尼回路的故障检测及保护，提出如下建议及处理方案。

一是当串补旁路时，运行人员立即对串补MOV、阻尼电抗器、阻尼MOV等设备进行测温，发现温度明显升高时，应在30 min内将串补隔离，若是满负荷时应在10 min内将串补隔离。二是在阻尼电阻支路上安装一个CT，用于测量流过阻尼电阻的电流，若此电流持续时间较长（如大于5 s），则说明阻尼回路故障，应采取措施及时隔离串补。同时，可将此条件作为串补保护的补充，进一步完善串补保护，即当串补旁路后并监测到串补阻尼回路故障时，自动将串补隔离，避免由于各方面原因导致阻尼回路长期流过电流而烧坏电阻。三是在阻尼电阻上安装温度传感器，当温度异常时（如大于65 ℃），发出告警信号，当温度过高时（如大于160 ℃）及时隔离串补。四是由于阻尼电阻烧坏后串补不能继续运行，将影响直流功率的输送，鉴于阻尼电阻烧坏的机率较大，应配置一套阻尼电阻备品。

6 结 论

串补旁路时串补两端的电压全部加在阻尼回路上，电容器组的电流通过阻尼回路快速释放，若此时阻尼用MOV被击穿阀片不能恢复阻断能力，则线路负荷电流将长期流过阻尼电阻，导致阻尼电阻发热烧坏。而串补没有配置阻尼回路的故障检测及保护，当阻尼回路故障时，运行人员不能及时发现阻尼回路的设备故障，直到设备发热烧坏冒烟，甚至引起相邻设备故障扩大故障范围导致串补保护动作后才将串补隔离。本文通过对一起串补故障原因进行分析，提出了预防阻尼回路故障的建议及处理方案，为防止类似故障的发生提供了参考意见。