关于特高压换流站直流分压器闪络故障探讨

关于特高压换流站直流分压器闪络故障探讨

齐建伟贾英袁凯琪郭兴刘旸郭冬青

1直流分压器工作原理与主要参数分析

1.1直流分压器内部结构

800kV换流站用分压器高压臂内部结构采用9节阻容单元串联，电容器位于内部，电阻器安装在电容器两端法兰外部的3个环氧板上。每节电阻器由3串电阻并联，每串由26个电阻元件串联；每节电容器由154个电容元件串联。两节阻容单元之间采用通过电容器法兰连接，法兰之间填有两块环氧板和一块橡胶板，两法兰之间带有等电位连接线。

1.2直流分压器参数提取

换流站工作在强的电磁环境中，工频电流、雷电侵袭等干扰信号可通过杂散参数对电路干扰导致不正常动作，因此对杂散电感的分析十分重要。

根据场电路等效的概念，分频器可以用等效电路模拟。假设Mij，Cij和Rij是第i和第j个物体之间的互感，互电容和互电阻;并且Cii和Rii是物体对地的自电容和自身电阻。通常，电阻远大于杂散电容的阻抗，因此这些分支可以作为开路处理。

2直流分压器内部闪络故障分析

某年4月，±800kV换流站高压母线差动保护、阀组高电压、直流滤波器过电压保护动作，极1双阀组退至闭锁状态。经检查，分压器内部发生了明显放电，绝缘筒内部SF6指针满偏，2小时后出现多处的破损漏气。

2.1保护动作情况分析

1）极母线差动保护(87HV)保护动作

根据故障时刻SER数据故障录波数据可知，08:14:35.853时刻极1双套直流保护发出87HV预告警，监测到直流线路电流IDLH突然升高，而极1高端阀组电流IDCH由1700A突降为零。IDLH与IDCH差值远大于极母线差动保护(87HV)保护动作定值（938A），且持续时间超过10ms，故极1双套直流保护出口动作，发出闭锁换流器命令。

2）直流线路低电压保护(27du/dt)保护动作

由故障时刻波形可知，08:14:35.853时刻，保护检测到d(UdL)/dt约为248kV/0.15ms，且直流线路电压UDH小于480V，持续时间超过100ms，故极1直流保护屏2直流线路低电压保护(27du/dt)动作，发出重启动命令。由于极1直流保护屏1检测到的UDH小于480V时间不超过100ms，不满足直流线路低电压保护(27du/dt)动作条件，故极1直流保护屏1没有出口。

3）直流滤波器过压保护(49/59DF)保护动作

由故障时刻波形可知，08:14:35.853时刻至08:14:365.638时刻，UDH电压一直在波动，满足直流滤波器过压保护保护动作条件，故两套直流保护发EOSF命令。

4）极1高端阀组保护动作分析

根据故障时刻阀组保护模拟量及开关量波形，并结合SER数据可知，极1闭锁后，UDH电压一直在波动，波动过程中出现了电压值达-1500kV的情况，而UDM在极1闭锁后基本降低为0，故UDH与UDM差值较大。当差值大于620kV且持续时间超过40ms时，极1高端双套阀组直流保护出口动作，发出EOSF命令；由于两套阀组保护UDH测量的偏差，导致两套保护动作时间出现差异。

2.2一次设备检查

跳闸后运行人员立即至现场检查极1高压直流分压器SF6表计满偏（超出绿色范围），约2个小时后套管底部开始漏气，且有白色烟雾喷出，表计开始逐渐回落至红区；检修人员抵达现场后，检查高压臂外观发现存在多处大小不一漏气点，最严重的位于从下往上数第18-19伞之间，且漏气点内充满白色粉末。

3解体分析与仿真

3.1解体检查情况

①外绝缘检查发现自下而上第8、19、25、27片绝缘子大伞裙处和自上而下第42～43片绝缘子大伞裙处绝缘筒存在漏气点。②直流分压器内部从高压端到低压端出现严重放电现象，存在大量的烧黑痕迹。③发现位于分压器顶端的吸附剂包装已破裂，吸附剂颗粒散落于分压器内部各节硅橡胶隔板。④直流分压器自下而上第一块、第二块硅橡胶隔板严重烧蚀。⑤分压器内部多节电阻支路环氧板烧蚀，其中自下而上第四节电容的绝缘筒已有烧蚀的孔洞，解体该电容发现内部元件已严重变形，且电容量和介损已发生严重变化。⑥进行绝缘筒分段解体发现绝缘筒内壁靠近直流母线侧存在约70cm的放电通道，靠近分压器低压侧存在约50cm的放电通道，中部位置存在局部鼓包的现象。

3.2解体测试情况

为了分析该分压器故障后阻容单元的性能变化情况，对电容器进行了测试，得出分压器自下而上第二节、第四节的电容量和介损的测量结果。第二节外观未见异常，测量结果与出厂值无明显变化。第四节电容绝缘筒已有烧蚀的孔洞，拔出电容芯子后发现明显的膨胀和鼓包，测量结果与出厂值对比已超出预防性试验规程的阈值。测试结果表明分压器内部放电会致使阻容单元的电容器损坏。

4故障原因分析方法

1）引起直流分压器电压波动异常的内部放电波形仿真计算

针对电压异常的问题，应搭建分压器内部等值电阻、电容集中参数模型，通过设置局放电源模拟直流分压器内部橡胶隔板放电场景，将测试结果与直流分压器电压异常波形进行对比，查明引起直流电压异常的内部局放（或爬电）波形。

2）分析高压直流分压器内外结构径向电位分布

针对分压器内部径向电场分布裕度不足的问题，通过基于恒定电场的MAXwell仿真计算物理模型，建立直流分压器三维计算的几何模型，结合提取的，和参数对电位分布情况分析，判断是否由于外部干扰因素导致杂散参数的变化引发闪络故障。

3）分析冲击电压下直流分压器内部阻容单元连接线部位的电位差

针对冲击电压下直流分压器内部阻容单元连接线部位的电位差导致的炭黑问题，考虑阻容单元对分压器环氧筒分布电容、阻容单元连接引线及螺丝的分布电阻和电感效应，建立分压器内部结构的分布参数模型，仿真计算不同冲击电压下阻容单元的电压降，结合SF6气隙的放电电压特性，获得内部阻容单元各节连接部位的异常气隙情况。

4）分析直流分压器内部阻容单元绝缘橡胶隔板、环氧板放电碳化后的气体分解物特性

针对分压器近几次电压异常波动后，主要放电点是固体绝缘材料碳化，检测常规SO2等组分无法反应该缺陷。通过搭建SF6气体放电装置，改变内部放电电极形式，模拟分压器内部绝缘橡胶隔板、环氧板放电，通过测量C2H2等气体成分，找到表征分压器内部固体绝缘材料放电的特征气体，并分析吸附剂对特征气体的吸附效果影响分析，可用于后续分压器故障预警。

结论

综上，通过分压器解体检查发现分压器外绝缘伞裙存在漏气点、分压器内部有大量烧黑痕迹、硅橡胶隔板严重烧蚀、电阻支路环氧板烧蚀等现象，通过解体测试数据可知部分阻容单元的电容量和介损已发生严重变化，推断该类型直流分压器可能存在结构设计缺陷。

参考文献

[1]黄玮峰,刘峰.500kV换流站直流分压器外绝缘闪络故障研究[J].通讯世界,2015.

[2]梁旭明,常勇,吴巾克,等.高压直流输电直流分压器内部故障分析及反措[J].电力系统自动化,2012.