一起换流站直流滤波器干式电抗器过电压损坏分析

2022-08-30廖文龙任阿阳

电瓷避雷器 2022年4期

雷潇，廖文龙，白欢，任阿阳，曹文，黄宇

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院, 成都 610094; 2.国网四川省电力公司检修公司，成都 644000)

0 引言

直流滤波器是换流站直流场重要设备，其设备状态对整个直流输电系统的安全运行有重要影响。随着直流输电工程投运年限和数量的增加，滤波器场设备问题逐渐暴露[1-2]。±800 kV宜宾换流站极II直流滤波器场在2020年多次发生异响现象，经视频监控初步判断为干式电抗器放电，停电检修发现匝间绝缘损坏。

户外干式空心电抗器在交流系统中得到广泛应用，各地报道的故障实例较多[3-6]，其中绕组匝间绝缘击穿占总故障一半以上[7-9]。干式电抗器绝缘损坏与材料自身缺陷和运行工况密切相关，热老化和投切过电压是绝缘劣化的主要原因[10-14]。但对于换流站直流滤波器场的干式电抗器，其运行工况与交流系统中的并联电抗器和串联电抗器有明显差别，故障机理尚待研究。

本研究介绍了±800 kV宜宾换流站极II直流滤波器场干式电抗器故障概况，通过停电检查、故障录波、雷电定位系统、分布式行波测距装置等手段对故障原因进行综合分析。

1 故障概述

2020年1月至4月期间，±800 kV宜宾换流站极II直流滤波器区域共发生四次异响，利用站上视频监控，发现极II直流滤波器区域的滤波电抗器(P2-Z1-L1)和与其并联的避雷器区域出现明显放电现象(P2-Z1-F1)。±800 kV特高压直流工程直流滤波器一般在每极直流母线和中性线之间装设1组或2组并联双调谐滤波器[15]，宜宾换流站的直流滤波器场的电气结构如图1所示。同时OWS后台显示直流故障测距启动，外置故障录波装置启动报文(直流控保系统未有相关报文)。滤波器区域发生异响发生时均是在双极降压时，如表1所示。2020年年检期间对极II直流滤波器场区域进行现场分析，对放电区域附近的设备(电抗器、避雷器、电容器、电阻箱等)进行外观检查，均没有发现明显放电点位。常规试验结果表明，设备均无明显异常。

图1 直流滤波器场电气结构Fig.1 Electrical structure of DC filter field

表1 故障情况Table 1 Fault condition

根据视频监控，发现干式电抗器L1(P2-Z1-L1)为放电设备，附近区域布置如图2所示。对3月8日视频监控进行分析，放电过程如图3所示。放电起始于L1器身附近，放电产生的火光照亮直流滤波器电阻箱(P2-Z1-R1)，随后放电消失。1 s后L1器身下部出现燃烧滴落物，滴落至地上。通过3月22日视频监控，发现相同现象。通过对比白天视频监控，放电点位位于L1器身。

图2 干式电抗器L1(P2-Z1-L1)附近布置Fig.2 Arranged near dry-type reactor L1(P2-Z1-L1)

图3 干式电抗器L1(P2-Z1-L1)放电过程Fig.3 Discharge process of dry reactor L1(P2-Z1-L1)

对电抗器L1进行内窥镜检测，发现外层包封与第一层绕组之间的撑条有放电痕迹，如图4所示。判断电抗器匝间绝缘破损，直流滤波器场异响由此引起。

图4 干式电抗器L1(P2-Z1-L1)内部放电痕迹Fig.4 Internal discharge trace of dry-type reactor L1(P2-Z1-L1)

2 故障原因分析

2.1 雷电分析

根据雷电定位系统，在直流滤波器场4次异常现象时刻，直流输电线路通道均有雷电活动，如图5所示。分布式行波测距装置的监测结果与雷电定位系统一致。4次地闪的雷电流幅值分别为30 kA、17 kA、7.9 kA和9.4 kA，均为负极性且未导致线路绝缘闪络。

图5 输电通道雷电情况Fig.5 Lightning condition of transmission channel

2.2 录波分析

以3月22日异常时刻的录波为例进行分析。极I与极II直流母线电压波形如图6所示。极I电压由560 kV降至30 kV，极II电压由-560 kV升至-380 kV。极I电流由830 A提高到1 930 A，极II电流提高到1 670 A。由于雷电极性为负且极母线电流增加，极I母线电压变化更剧烈，可判断雷电击中极I导线。

图6 直流母线电压电流录波Fig.6 DC bus voltage and current recording

±800 kV宜宾换流站每极直流滤波器场有6支避雷器，如图1所示。安装于高压电容器C1与高压电抗器L1之间的对地避雷器F3的尾端接有互感器T5，可供避雷器动作情况分析。两极4支避雷器F3的电流录波如图7所示。

图7 两极直流滤波器场避雷器F3尾端电流故障录波Fig.7 Fault recording of tail current of two pole DC filter field arrester F3

极I避雷器电流波形为单一脉冲形式且幅值较高，其中HP 2/39 Z1-F3幅值821 A，HP 12/24 Z2-F3幅值11.77 kA。极II避雷器电流波形为周期脉冲形式且幅值较小，其中HP 2/39 Z1-F3最大值100 A，HP 12/24 Z2-F3幅值317 A。

极I的F3避雷器电流明显高于极II，从侧面佐证了雷电击中极I导线的判定。极II避雷器尾端电流的周期为6.8 ms，约等于雷电波在线路上来回折反射的周期，反推雷击点在距离宜宾换流站630 km处，与雷电定位系统数据较为一致。

每个直流滤波器支路的中性母线侧连接有互感器T2，如图1所示。两极4个互感器的电流录波如图8所示。滤波器支路均出现周期性脉冲电流。HP 2/39支路的电流波形较陡、幅值更高，其中极I最大值为2.1 kA，极II最大值为960 A。HP 12/24支路的电流波形较缓、幅值较低。由此可见，部分雷电流从滤波器支路、中性母线电容器入地。各极两滤波器支路的电流波形幅值差距源自于电容、电感参数的差异。因雷电直击极I导线，滤波器电流幅值更高。极II导线雷电流为感应生成，故滤波器电流幅值较低。

图8 两极直流滤波器场滤波器支路电流故障录波Fig.8 Two pole DC filter field filter branch current fault recording

2.3 故障原因

干式电抗器L1两端并联避雷器F2，在过电压下L1承受电压应小于F2残压。发生放电的HP 2/39滤波器电抗器L1(P2-Z1-L1)主要参数如表2所示，两端雷电耐受水平为1 000 kV。而F2在标称放电电压10 kA下的残压低于800 kV，可有效保护L1。对F2进行直流1 mA参考电压和0.75倍参考电压下泄漏电流试验，结果正常。在设备完好的情况下，L1不会在雷电侵入过电压下绝缘闪络。

表2 干式电抗器L1参数Table 2 L1 Parameters of dry-type reactor

现场检查并未发现异物，排除异物短接导致电抗器匝间绝缘损坏的可能性。直流输电线路长约1 650 km，通道雷电活动较为频繁。特高压输电线路杆塔较高，绕击导线的概率较大，而任一位置导线遭受雷击均会导致换流站雷电侵入过电压[16]。滤波器干式电抗器在运行中频繁承受雷电过电压。虽然过电压幅值低，但在长期运行中的累计效应会加速绝缘劣化过程，最终导致击穿放电。

3 讨论与建议

3.1 电抗器电压应力仿真分析

采用EMTP电磁暂态仿真软件对雷电入侵时设备工况进行仿真。由于雷电波持续时间为μs级，直流控制保护系统尚来不及响应，故用理想直流电压源模拟系统电源。直流场设备、直流输电线路和接地极线路参数参考±800 kV宾金直流系统参数。雷电流波形采用标准雷电波。

为验证仿真结果，以上节中3月22日雷电流幅值和雷击位置进行仿真，即7.9 kA的负极性雷在距离宜宾换流站620 km处击中极I导线。极I与极II母线的母线电压和电流情况如图9所示。短时间内，两极电压幅值均降低，其中极I降低更明显；两极电流幅值均大幅升高。此特征与故障录波一致。

图9 极母线电压电流仿真波形Fig.9 Simulation waveform of pole bus voltage and current

极I、极II的电抗器L1、L2承受电压最大值如表3所示。由于电抗器并联有避雷器，电抗器承受电压不超过避雷器残压。雷电流泄放后，滤波器内部发生谐振，但过电压幅值较低。

表3 直流滤波器场电抗器电压最大值Table 3 Maximum voltage of DC filter field reactor

3.2 匝间绝缘劣化分析

交流系统中的干式电抗器故障原因以绝缘劣化和异物短接为主，绝缘劣化的外部因素主要是谐波和开关投切过电压。换流站运维强度大、水平高，可基本排除异物导致的匝间故障。直流滤波器干式电抗器的绝缘材料与交流系统用串联、并联电抗器相同，但运行工况有明显差别。首先，直流滤波器干式电抗器不承受开关投切过电压，但却承受频繁的雷电侵入过电压。而交流系统干式电抗器因电气位置或线路长度的原因承受雷电入侵过电压的频次较少。其次，直流滤波器电抗器承受的谐波与交流系统用串联、并联电抗器不同，热老化速率不同。对此，交流系统干式电抗器的劣化机理不完全适用于直流滤波器干式电抗器。关于聚酯薄膜绝缘性能在直流滤波器干式电抗器运行工况下的老化研究鲜见报道，建议下一步开展此项研究。