雷 瀟，崔 濤，曾 宏

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

±800kV賓金直流接地極線路電流不平衡異常分析

雷 瀟，崔 濤，曾 宏

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

接地極線路是直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。然而，近年來國內(nèi)接地極線路多次發(fā)生故障，成為薄弱環(huán)節(jié)。2016年4月16日±800kV賓金直流輸電工程的極II線路遭受雷擊后絕緣擊穿。極II線路在直流控保的作用下全壓再啟動(dòng)兩次成功。在極II線路第2次再啟動(dòng)過程中，接地極引線不平衡保護(hù)動(dòng)作。通過故障錄波分析和登塔檢查，發(fā)現(xiàn)宜賓換流站接地極線路一側(cè)導(dǎo)線絕緣在極II線路接地故障后發(fā)生過電壓擊穿，在重啟過程中持續(xù)流過直流續(xù)流?；诖舜喂收?，詳細(xì)分析了目前接地極線路多次故障的原因，提出通過改進(jìn)接地極建立絕緣配合解決此類問題。

特高壓直流輸電；接地極線路；招弧角；絕緣配合

0 引 言

接地極線路是直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要[1-4]。然而，近年來接地極線路多次發(fā)生故障，引起關(guān)注。如國家電網(wǎng)公司2012年7月6日±500kV呼倫貝爾—遼寧直流輸電工程接地極線路絕緣子炸裂、導(dǎo)線脫落[5]，南方電網(wǎng)公司2012年12月15日±800kV云廣直流輸電工程接地極線路絕緣閃絡(luò)引起極II強(qiáng)制移相重啟[6]。

特高壓直流系統(tǒng)的直流套管與極線發(fā)生接地故障后，會(huì)在接地極線路引發(fā)過電壓而擊穿絕緣。由于擊穿點(diǎn)流過的是直流續(xù)流，電弧難以熄滅，絕緣子和金具在持續(xù)電弧的燒蝕下?lián)p毀，導(dǎo)致掉串和斷線等事故。單極大地運(yùn)行時(shí)發(fā)生雷擊接地極線路也會(huì)導(dǎo)致此類事故。接地極線路的典型設(shè)計(jì)為兩根雙分裂導(dǎo)線并列，絕緣擊穿通常只會(huì)發(fā)生在其中一根。根據(jù)此特征，國內(nèi)換流站對(duì)接地極線路設(shè)置了電流不平衡保護(hù)以監(jiān)測(cè)接地故障。該保護(hù)出口一般為極平衡控制或閉鎖，雖然在一定程度上可減少絕緣損傷的程度，但沒有從根本上解決問題。

下面對(duì)2016年4月16日±800kV賓金直流輸電工程的一起故障進(jìn)行詳細(xì)分析，闡明目前接地極線路多次故障的根本原因；提出通過改進(jìn)接地極建立絕緣配合解決此類問題。

1 故障與重啟過程

2016年4月16日3時(shí)49分，±800kV賓金直流輸電工程宜賓換流站站極II電壓突變量保護(hù)、行波保護(hù)動(dòng)作，極II直流線路全壓再啟動(dòng)兩次成功。在極II線路第二次再啟動(dòng)過程中，接地極引線不平衡保護(hù)動(dòng)作。整個(gè)過程保護(hù)動(dòng)作時(shí)序如表1所示。

表1 保護(hù)動(dòng)作時(shí)序

2 接地極線路電流不平衡原因分析

2.1 登塔檢查

故障發(fā)生后，四川公司對(duì)宜賓換流站接地極線路開展巡線，并對(duì)近區(qū)桿塔作登塔檢查。發(fā)現(xiàn)4號(hào)塔左側(cè)導(dǎo)線大號(hào)側(cè)招弧角有電弧燒蝕痕跡，如圖1所示。招弧角上電極和下電極中部的鍍鋅層被燒蝕，且燒蝕部分已經(jīng)起銹。

2.2 故障錄波分析

圖2為極Ⅱ直流線路發(fā)生接地故障后故障錄波記錄的宜賓換流站中性極母線電壓波形。電壓在起始階段持續(xù)上升，頻率約為75 Hz，峰值104kV。達(dá)到峰值后，電壓衰減振蕩，頻率約為530 Hz。由此可判斷，接地極線路的絕緣在峰值104kV時(shí)刻發(fā)生擊穿，導(dǎo)致頻率突變。

圖2 中性極母線電壓波形

極Ⅱ線路接地故障后約10 ms，極Ⅱ線路執(zhí)行3次再啟動(dòng)邏輯，并在第2次重啟成功。第1次重啟等待時(shí)間為150 ms，重啟過程150 ms；第2次重啟等待時(shí)間200 ms。整個(gè)重啟過程中，接地極線路左、右導(dǎo)線的電流波形如圖3所示。

圖3 接地極線路電流波形

接地極線路左右兩側(cè)電流波形分為4個(gè)階段：

1)在第1次重啟等待時(shí)間內(nèi)，接地極線路左右兩導(dǎo)線的電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程后，出現(xiàn)明顯不平衡。在觀測(cè)時(shí)刻1，左側(cè)導(dǎo)線電流1 910 A，右側(cè)導(dǎo)線電流7.3 A。

2)在第1次重啟時(shí)間內(nèi)，極Ⅱ直流線路電流開始恢復(fù)，接地極線路總電流減小。在觀測(cè)時(shí)刻2，左側(cè)導(dǎo)線電流331 A，右側(cè)導(dǎo)線電流112 A。

3)在第2次重啟等待時(shí)間內(nèi)，極Ⅱ直流線路電流為0，接地極線路總電流重新增大。在觀測(cè)時(shí)刻3，左側(cè)導(dǎo)線電流1 445 A，右側(cè)導(dǎo)線電流359 A。

4)在第2次重啟時(shí)間內(nèi)，極Ⅱ直流線路電流逐漸恢復(fù)，接地極線路左右兩導(dǎo)線電流逐漸減小，最終為0。在觀測(cè)時(shí)刻4，左側(cè)導(dǎo)線電流249 A，右側(cè)導(dǎo)線電流249 A。

根據(jù)上述的接地極線路左右導(dǎo)線電流變化情況，可以判斷在兩次重啟過程中，接地極線路擊穿點(diǎn)電弧未熄滅。

接地極線路不平衡保護(hù)的邏輯為：不平衡保護(hù)動(dòng)作值679 A，在雙極運(yùn)行時(shí)延時(shí)200 ms進(jìn)行極平衡。從進(jìn)入第2次重啟等待時(shí)間算起，不平衡電流超過679 A后200 ms，不平衡保護(hù)動(dòng)作，進(jìn)行了極平衡操作。極平衡操作過程發(fā)生在第2次重啟過程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前電流刷新參考值，使極線電流值存在一定擾動(dòng)，如圖4所示。

圖4 接地極線路電流擾動(dòng)波形

3 接地極線路絕緣配合分析

為論證極線故障后產(chǎn)生的接地極線路過電壓是否能導(dǎo)致宜賓側(cè)接地極線路桿塔絕緣閃絡(luò)，對(duì)帶招弧角的絕緣子串開展了操作沖擊和工頻耐受試驗(yàn)，如圖5所示。試品的絕緣結(jié)構(gòu)與賓金直流接地極線路的桿塔一致，招弧角的上電極與下電極之間的空氣間隙為200 mm，絕緣子為U160BP/170H型陶瓷絕緣子，結(jié)構(gòu)高度為170 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，工頻、操作沖擊的擊穿電壓分別為109kV、149.4(+)/150.0(-)kV，閃絡(luò)路徑為招弧角空氣間隙。

圖5 招弧角擊穿試驗(yàn)形

故障過電壓為104kV，主頻為75 Hz左右，與招弧角工頻擊穿電壓接近，考慮到試驗(yàn)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的差異、招弧角的安裝偏差以及高壓試驗(yàn)本身的離散性，招弧角在此故障過電壓下?lián)舸儆谡，F(xiàn)象。

接地極線路絕緣擊穿后，因流過的是直流續(xù)流，電弧難以熄滅。本次故障中，直流電弧在第2次重啟時(shí)熄滅，持續(xù)時(shí)間超過600 ms，因系統(tǒng)并未滿功率運(yùn)行，最大電流為2 000 A。若系統(tǒng)滿功率運(yùn)行，電弧更難以熄滅，考慮到電弧對(duì)招弧角燒蝕作用，很可能發(fā)生招弧角燒斷、絕緣子串掉串的嚴(yán)重后果。通過提高接地極線路的絕緣強(qiáng)度以避免在過電壓下?lián)舸┦悄壳敖鉀Q該問題的主要方法。為此，可通過調(diào)整招弧角間隙距離以配合過電壓。

可建立仿真模型計(jì)算直流輸電系統(tǒng)的過電壓。根據(jù)±800kV賓金直流接地極線避雷器的參數(shù)，接地極線路出現(xiàn)的最大過電壓為275kV，頻率約為75 Hz。圖6為招弧角間隙距離與工頻擊穿電壓的關(guān)系。當(dāng)間隙距離為550 mm時(shí)，招弧角在275kV下不會(huì)發(fā)生擊穿?？紤]各種因素的影響，在10%的誤差范圍內(nèi)，招弧角在最大故障過電壓275kV不發(fā)生擊穿的間隙距離至少為560 mm。

圖6 招弧角的工頻擊穿電壓(峰值)與間隙距離的關(guān)系

4 結(jié) 論

針對(duì)2016年4月16日±800kV賓金直流發(fā)生的接地極線路不平衡保護(hù)動(dòng)作事件，分析了接地極線路絕緣設(shè)計(jì)問題，得出以下結(jié)論和建議：

1)賓金直流接地極線路絕緣強(qiáng)度較低，直線塔的招弧角工頻50%擊穿電壓為109kV。中性極母線的故障錄波顯示過電壓幅值為104kV，主頻為75 Hz?？紤]到試驗(yàn)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的差異、招弧角的安裝偏差以及高壓試驗(yàn)本身的離散性，招弧角在此過電壓下?lián)舸儆谡，F(xiàn)象。

2)極Ⅱ線路重啟成功前，接地極線路的擊穿點(diǎn)電弧一直未熄滅，導(dǎo)致左右導(dǎo)線分流不平衡，不平衡電流最大值約2 000 A。由于線路重啟成功，接地極線路電流減小至0，燃弧時(shí)間約600 ms。因電流小、續(xù)流時(shí)間短，因此未出現(xiàn)招弧角燒斷、絕緣子掉串的嚴(yán)重后果。

3)接地極線路不平衡保護(hù)在第2次重啟中正確動(dòng)作。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前電流刷新參考值，使極線電流在重啟過程中存在一定擾動(dòng)。

4)為保證接地極線路在故障過電壓下不發(fā)生閃絡(luò)，建議招弧角間隙距離應(yīng)至少增大到560 mm。

[1] 趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2004．

[2] 王彪，王渝紅，丁理杰．高壓直流輸電接地電極及相關(guān)問題綜述[J]．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，24(1)：66-72．

[3] 趙杰，何金良．特高壓和高壓直流輸電系統(tǒng)共用接地極模式分析[J]．中國電力，2007，40(10)：45-47．

[4] 張勁松．高壓直流輸電共用接地極主要設(shè)計(jì)原則[J]．中國電力，2007，40(6)：48-50．

[5] 張馮碩，吳高波，李健，等．特高壓直流接地極線路絕緣配合研究[J]．電力建設(shè)，2015，36(2)：86-90．

[6] 陳燦旭，劉茂濤，宋述波．±800kV云廣直流“12.15”事故原因分析及防范措施[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(23)：125-129．

Safe and stable operation of electrode line is important to the reliability of UHVDC transmission system. However, electrode line fails repeatedly in recent years, which made it a weak part. On April 16, 2016, the pole II line of ±800kV UHVDC Binjin transmission project failed because of lightning stroke. Under the control of protection system, pole II restarted successfully in the second time. During the restart procedure, unbalanced protection of electrode line was triggered. Fault records were analyzed and fault tower was checked. It is found that one of the two electrode lines was breakdown under overvoltage. DC on the fault place continued during the whole restart procedure. Based on this fault analysis, the causes of most electrode line faults are analyzed in detail, and solutions based on insulation coordination are presented.

UHVDC transmission; earthed electrode line; arcing horn; insulation coordination

TM721

B

1003-6954(2017)02-0016-03

2016-12-03)

雷 瀟(1988)，博士、工程師，主要從事電力系統(tǒng)過電壓與接地技術(shù)研究工作。