斷路器作為電力系統(tǒng)的重要組成設(shè)備主要起兩個(gè)作用：①改變系統(tǒng)運(yùn)行方式；②在系統(tǒng)故障時(shí)通過(guò)與繼電保護(hù)裝置配合快速切除故障，避免事故擴(kuò)大。斷路器的穩(wěn)定可靠關(guān)系著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。直流輸電工程需要消耗大量的無(wú)功功率，交流濾波器（AC filter, ACF）作為直流輸電工程中最常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置，其進(jìn)線斷路器是否可靠，將直接影響直流系統(tǒng)的可靠性。小組濾波器進(jìn)線斷路器故障會(huì)導(dǎo)致大組濾波器不可用，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致直流系統(tǒng)功率回降甚至閉鎖。

1 故障基本情況

某特高壓換流站5組小組濾波器通過(guò)雙斷口罐式斷路器接于大組交流濾波器母線。大組濾波器母線通過(guò)3/2接線方式接于交流串內(nèi)，交流串內(nèi)斷路器采用氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）。故障前某特高壓整流站直流場(chǎng)雙極3 960MW大地回線平衡運(yùn)行。

500kV 1號(hào)母線、2號(hào)母線運(yùn)行，交流進(jìn)線均運(yùn)行正常，交流濾波器場(chǎng)5615交流濾波器運(yùn)行。2019年6月19日13:21:06，運(yùn)維人員工作站（operator work station, OWS）報(bào)第1大組濾波器保護(hù)第5小組BP11/13差流速斷保護(hù)A相跳閘動(dòng)作，第5小組BP11/13過(guò)電流保護(hù)A相跳閘動(dòng)作，大組母線差動(dòng)保護(hù)A相跳閘動(dòng)作。5615小組濾波器進(jìn)線斷路器5615跳開并鎖定，61母線進(jìn)線斷路器5142、5143跳開。現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)53小室第1大組濾波器保護(hù)裝置A、B套保護(hù)裝置均動(dòng)作。一次接線如圖1所示。

圖1 一次接線

?2 保護(hù)動(dòng)作分析

濾波器保護(hù)采用雙重化配置，保護(hù)采用“啟動(dòng)”+“動(dòng)作”出口邏輯，當(dāng)單套濾波器保護(hù)的“啟動(dòng)”+“動(dòng)作”均同時(shí)滿足條件時(shí)，保護(hù)動(dòng)作出口。圖2為濾波器CT分布，大組母線差動(dòng)保護(hù)范圍在5615斷路器T2至進(jìn)線5142、5143 CT之間，小組差動(dòng)保護(hù)及過(guò)電流保護(hù)范圍在5615斷路器T1至小組濾波器末端T22之間。濾波器保護(hù)范圍如圖2所示。

濾波器小組差動(dòng)保護(hù)反應(yīng)濾波器小組內(nèi)接地/相間故障，保護(hù)分相檢測(cè)流入保護(hù)區(qū)域內(nèi)的電流的矢量和，與設(shè)定值比較。該保護(hù)只對(duì)基波電流敏感。由于CT特性不一致，保護(hù)采用比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)，制動(dòng)電流以接地側(cè)電流為參考。通過(guò)查看故障錄波可知差動(dòng)電流，瞬時(shí)值58 265A，有效值41 205.79A＞差流速斷電流964.08A，小組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正確。

圖2 濾波器保護(hù)范圍

濾波器母線差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)對(duì)象為濾波器大組及母線區(qū)域內(nèi)的母線。保護(hù)分相檢測(cè)流入保護(hù)區(qū)域內(nèi)的電流的矢量和，與設(shè)定值比較。該保護(hù)使用差動(dòng)電流IDIFF和制動(dòng)電流ISTAB。當(dāng)IDIFF＞ISTAB時(shí)，保護(hù)出口。該保護(hù)只對(duì)基波電流敏感，對(duì)于穿越電流是穩(wěn)定的。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)故障錄波發(fā)現(xiàn)實(shí)際差動(dòng)電流為41 205.7A，實(shí)際差動(dòng)電流大于差動(dòng)定值，保護(hù)正確動(dòng)作。

檢查61母線交流濾波器外置錄波圖3可以看出，故障開始階段，高壓電容器對(duì)地放電，維持故障點(diǎn)對(duì)地電位保持不變，通過(guò)5615高壓側(cè)斷路器電流變大；電容器初步放電完成，交流濾波器母線電壓跌落，故障電流維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值；故障切除階段，5143斷路器經(jīng)電流過(guò)零點(diǎn)斷開并熄弧成功，5142斷路器經(jīng)電流過(guò)零點(diǎn)后熄弧未成功，故障點(diǎn)未發(fā)生改變，短路電流由原來(lái)的邊、中斷路器各貢獻(xiàn)一部分轉(zhuǎn)換為由5142斷路器所連接的Ⅰ母單獨(dú)提供。

?3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢查

3.1 罐式斷路器5615檢查

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)5615斷路器、5142斷路器、5143斷路器及61分支母線設(shè)備進(jìn)行檢查，設(shè)備外觀未發(fā)現(xiàn)明顯異常。對(duì)5615A相斷路器開展分解物檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在異常分解產(chǎn)物，其他氣室分解物檢測(cè)正常，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

6月22日，對(duì)5615 A相斷路器進(jìn)行開蓋檢查，并用內(nèi)窺鏡檢查罐體內(nèi)套管根部、導(dǎo)線連接、殼體、合閘電阻及分級(jí)電容等位置，未發(fā)現(xiàn)異常放電痕跡。檢查T1側(cè)斷路器罐體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)表面附著有白色粉塵，T2側(cè)斷路器罐體內(nèi)部表面附著白色粉塵并有大量吸附劑顆粒、燒斷的塑料扎帶和塑料薄膜殘留物，如圖4所示。設(shè)備安裝的帶吸附劑的擋板外觀正常，吸附劑無(wú)破裂脫落情況。

圖3 61母線交流濾波器外置錄波

表1 5615斷路器三相分解物

圖4 T2側(cè)斷路器罐體內(nèi)部斷裂塑料扎帶

6月23日，對(duì)5615A相斷路器進(jìn)行拆除工作，發(fā)現(xiàn)T2側(cè)斷路器套管根部屏蔽罩受放電瞬間應(yīng)力作用而嚴(yán)重變形損壞，套管內(nèi)壁有一處破損痕跡，屏蔽罩腔體內(nèi)有疑似吸附劑顆粒和外包裝等異物，并在T2側(cè)斷路器套管內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)放電點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 T2側(cè)套管內(nèi)壁放電點(diǎn)、破損點(diǎn)

3.2 GIS 5142斷路器檢查

對(duì)故障區(qū)域設(shè)備5142 A相斷路器進(jìn)行分解物檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)含有SO2、H2S及HF等異常分解物，并且分解物含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，22日檢測(cè)結(jié)果顯示A相氣室內(nèi)只含有少量SO2產(chǎn)物。其他兩相氣室SF6分解物檢測(cè)正常，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。查看5142斷路器歷次修試試驗(yàn)數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)分析后設(shè)備廠家認(rèn)為5142 A相斷路器屬于正常開斷現(xiàn)象，不建議對(duì)其進(jìn)行開蓋處理，該斷路器可繼續(xù)正常運(yùn)行。

表2 5142斷路器三相分解物

3.3 罐式斷路器5615解體檢查

7月10日，對(duì)5615斷路器進(jìn)行廠內(nèi)解體，發(fā)現(xiàn)T1側(cè)導(dǎo)電桿根部上方1.2～1.9m區(qū)域外表面有明顯燒蝕痕跡，因而可以確定此次放電區(qū)域位于屏蔽罩上部與T1側(cè)導(dǎo)電桿相應(yīng)的外表面，如圖6所示。

圖6 T1側(cè)導(dǎo)電桿

T1側(cè)套管內(nèi)部發(fā)現(xiàn)大量散落的干燥劑顆粒和燒蝕殘留的干燥劑包裝袋，套管內(nèi)與屏蔽罩上端對(duì)應(yīng)的區(qū)域大面積環(huán)氧樹脂層燒蝕發(fā)黑；套管根部屏蔽罩發(fā)生變形并且屏蔽罩頭部高溫?zé)g開裂；套管頂部屏蔽罩因高溫氣流造成屏蔽罩連接處變形。

檢查兩側(cè)滅弧單元加熱筒與表帶的接觸面完好，表帶接觸面及絕緣黃筒內(nèi)表面完好，斷口弧觸指表面均正常，主導(dǎo)電回路主觸頭上端有部分燒蝕，銅基體可見(jiàn)。兩側(cè)主導(dǎo)電回路接觸片上端有部分燒蝕，銅基體可見(jiàn)。

?4 原因分析

綜上分析，確定5615 A相斷路器內(nèi)部存在故障拉弧導(dǎo)致跳閘。5142 A相斷路器氣室氣體成分異常是在故障分閘時(shí)刻通過(guò)大電流，導(dǎo)致SF6氣體分解，為斷路器正常開斷產(chǎn)生。

此次故障的根本原因是故障斷路器T1側(cè)套管運(yùn)輸用的干燥劑、扎帶及氣泡膜由于長(zhǎng)途運(yùn)輸從套管根部滑入套管內(nèi)部，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)安裝階段未發(fā)現(xiàn)，未能及時(shí)取出而留在套管內(nèi)部，與當(dāng)時(shí)斷路器的安裝記錄中相應(yīng)的“A套管未見(jiàn)干燥劑需廠內(nèi)核查”記錄信息吻合。

在重力、斷路器操作振動(dòng)及氣流的沖擊下，干燥劑、扎帶及氣泡膜逐步滑到屏蔽罩與導(dǎo)電桿之間電場(chǎng)強(qiáng)度高的區(qū)域，與套管內(nèi)壁（金屬部分）絕緣距離不足產(chǎn)生放電引起T1側(cè)導(dǎo)電桿對(duì)屏蔽罩及相應(yīng)的套管內(nèi)壁的放電，造成導(dǎo)電桿、屏蔽罩及套管內(nèi)相應(yīng)部位的燒蝕，進(jìn)而發(fā)展成短路絕緣故障，最終導(dǎo)致斷路器跳閘。

?5 結(jié)論

針對(duì)故障采取處理措施如下：

1）對(duì)5615 A相斷路器一次本體進(jìn)行更換，對(duì)5142 A相斷路器進(jìn)行試驗(yàn)，所有試驗(yàn)合格后方可以投入運(yùn)行。

2）5615 A相斷路器發(fā)生內(nèi)部故障，造成5142斷路器跳閘，5142 A相斷路器分解物產(chǎn)生的原因?yàn)檎Ｇ袛喽搪冯娏鳎s41kA）產(chǎn)生，該臺(tái)斷路器的滅弧能力在年度檢修期間已完成試驗(yàn)，結(jié)果正常，可以投入運(yùn)行。

3）對(duì)同類設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝記錄進(jìn)行全面排查。

4）加強(qiáng)設(shè)備安裝階段的現(xiàn)場(chǎng)旁站監(jiān)督，嚴(yán)格安裝階段的作業(yè)管控，加強(qiáng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)的全過(guò)程管控監(jiān)督。

5）對(duì)站內(nèi)罐式斷路器安裝記錄進(jìn)行全面排查，避免同類故障再次發(fā)生。

本文編自2021年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一起特高壓換流站500kV斷路器擊穿故障分析與處理”，作者為趙強(qiáng)、曹力雄。