換流變油紙直流套管故障分析與建議

王安全，胡藝馨，李志龍，肖燁輝

（國網上海市電力公司檢修公司直流運檢中心，上海 201708）

0 引言

南橋換流站（以下簡稱南橋站）的換流變套管油中部分采用瓷套結構，自1989年投運至今，暴露出設計和制造工藝上存在諸多問題。為了徹底消除套管隱患，確保葛南直流的安全和穩定運行，經國家電網公司與組織多方專家論證，決定對所有套管進行更換，并列為國家電網公司重點關注的大型技改項目。

1 換流變與套管概況

南橋站共有7臺換流變，6臺運行，1臺備用。換流變為單相三繞組式，德國TU產品（后被西門子收購），1986年生產，1989年投運。每臺換流變有6支套管，如圖1所示。

圖1 換流變及套管

換流變1.1套管和1.2套管為F＆G（中國）電氣有限公司生產的裝于交流網側的充油式套管；2.1套管和2.2套管為閥側星形繞組套管，有F＆G（中國）電氣有限公司生產的裝于閥側的星形繞組油紙直流套管，也有德國HSP高壓電瓷設備公司生產的裝于閥側的油紙直流套管；3.1套管和3.2套管為F＆G（中國）電氣有限公司生產的裝于閥側的三角繞組油紙直流套管。2.1套管與2.2套管均為20世紀80年代產品，油紙直流套管的油中部分采用瓷套，有油、紙和瓷套三種絕緣介質。由于瓷套電阻率較大，所以承受沿面電場強度也較高，且瓷套自身的沿面耐受能力差，易積聚空間電荷，長期處在交、直流復合場強下，一旦介質劣化和衰變，容易造成沿面放電。

在20世紀90年代初，國外已對該類套管設計進行了改進，取消了油中瓷套，通過減少介質界面，提高套管可靠性。國內除葛南直流工程外，已經不再使用該類套管。近期該類套管發生多起故障，暴露出設計與制造工藝上存在諸多不足。

2 油紙直流套管故障分析

2.1 現場檢查

發生故障后現場檢查發現，極ⅠA相換流變本體頂蓋及左側底部出現漏油，閥側Y接上部套管（編號為2.1）頂部外罩鼓起。吊出套管后，發現套管根部均壓球（高壓端）、套管法蘭內側和升高座內側有明顯放電痕跡，如圖2所示，電容芯整體完好。

圖2 套管根部均壓球放電點

2.2 保護動作記錄與故障錄波分析

2013年1月31日5：34，極Ⅰ保護系統發“換流器差動保護Ⅱ段動作”、“Y橋差動保護Ⅲ段動作”、“比率差動”保護動作，A相換流變重瓦斯跳閘信號，極Ⅰ直流閉鎖。故障前直流系統雙極功率為460 MW，保護涉及到電氣量和非電量兩類，如圖3所示。

根據事件記錄（參見圖4）與故障錄波圖（參見圖5）可見，05：34：51：444發生故障，極ⅠA、B系統首先檢測到換相失敗，換流器差動保護的差動電流有效值達到1.791 k A，超過差動保護Ⅱ段定值240 A，保護動作，極Ⅰ閉鎖；在后續8 ms內，換流變Y橋差動電流約為7 k A，保護動作；換流變比率額定差動電流達到1.521，超過定值0.51，保護動作。結合保護動作狀況與故障錄波，初步認為極Ⅰ換流變A相閥星側繞組套管流變附近存在接地故障。

圖3 涉及保護及其TA配置

圖4 事件記錄

圖5 故障錄波

2.3 油色譜測試

故障發生后，對故障的極Ⅰ換流變A相和非故障的換流變B、C相本體取油樣分析，以及做其他電氣常規試驗。試驗結果表明極ⅠA相換流閥觸發導通試驗合格，B、C相換流變試驗合格，A相電氣試驗狀況顯示繞組絕緣電阻明顯下降，鐵心夾件絕緣正常。

油化性能檢測方面，異常發生后油色譜測試數據如表1所示。

表1 極Ⅰ換流變油色譜測試數據 μL／L

從表1數據可以看出，極Ⅰ換流變A相相關氣體含量均已嚴重超標，乙炔達到297.5μL／L，表明極Ⅰ換流變A相出現內部放電故障，極ⅠB、C相氣體含量均在正常范圍。極Ⅰ所有閥側套管（除故障套管外）進行油色譜分析試驗結果正常。極Ⅰ換流變套管B、C相末屏對地介損試驗結果正常。

3 故障原因分析

通過檢查故障換流變及分析故障波形，認為造成換流變差動動作的主要原因是2.1套管發生故障，1.791 k A短路電流引發相關保護動作，保護動作正確。

通過檢查故障套管與技術分析，找到了放電點。放電通道從瓷套下部的高壓端部內表面處，向套管接地法蘭處放電，形成貫穿性通道，造成下瓷套爆裂，導致套管升高座部位絕緣喪失，繼而發展為套管均壓球對套管TA升高座部位擊穿。套管實物放電示意圖，如圖6所示。

圖6 套管實物放電示意

對造成閥側2.1套管的故障原因，進行了逐一排查和分析。

1）通過對故障換流變進行試驗與檢查，除受污染外，未發現其他異常，排除了換流變老化或者異常引發套管故障，而是套管自身發生了故障。

2）電容芯外觀良好，故障后測試電容量數據正常，排除了電容芯異常引發故障的可能性。

3）套管運行中油壓力指示正常。如果套管漏油，應該上瓷套部位先發生故障，現為下瓷套部位發生故障，排除了套管內部漏油引發故障的可能性。

4）套管運行在戶內，進水可能性極小，而且故障后介損試驗正常，可排除受潮而引起故障的可能性。

綜上分析，并從套管放電發生的部位是套管底部沉淀物易集中區來看，初步判斷本次套管故障原因，可能是長期運行中產生的衍生物、分解物、溶解物等導致了介質劣化，進而造成了場強畸變，導致套管故障。

4 調換方案建議

從這次故障可以看出，油紙直流套管在結構設計上存在缺陷，建議整體更換為油紙SF6氣體套管（ABB公司技術）或者膠紙SF6氣體套管（HSP公司技術），這兩種套管目前使用量大，而且運行業績良好。

為此，建議先對南橋站極Ⅰ換流變C相閥星側套管、閥角側套管以及網側套管，共計5支，進行調換，整個調換過程包括換流變拖出、新套管現場試驗、換流變帶老套管做局放試驗、油處理、新舊套管調換拆裝、常規電氣試驗、換流變帶新套管做局放試驗、二次配合工作和閥廳墻體封堵等八大項內容。

若采用SF6氣體套管，根據《國家電網公司防止直流換流站單、雙極強迫停運二十一項反事故措施》的要求，應對套管的SF6密度繼電器配置三副獨立的跳閘接點，按照“三取二”原則出口，3個開入回路要獨立，不允許多副跳閘接點并聯上送，“三取二”出口判斷邏輯裝置及電源應冗余配置。

5 結語

油紙直流套管由于其本身的結構設計缺陷，當前在高壓直流輸電中的在運數量已非常少，通過對它在實際應用中發生的故障分析，證實了油紙直流套管自身存在介質容易劣化、衰變等問題，嚴重影響換流站的安全和穩定運行，因此對具備更換條件的套管一定要進行調換，對暫時無法調換的套管，應采取相應的安全措施，加強紅外測溫和超聲波放電檢測，避免事故再次發生。