特高壓換流站交流濾波器鳥害故障跳閘原因分析及建議措施

趙文詩，劉天作，劉闖闖，王桂祥

（1.國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內蒙古 通遼028000；2.國網河南電力直流運檢分公司，鄭州450000）

0 引言

交流濾波器是特高壓換流站的重要設備之一，其主要作用是濾除交流母線上的諧波并補償換流器運行時的無功消耗[1]。國家電網公司近幾年對所轄換流站交流濾波器運行情況的分析結果表明，鳥害在換流站引起交流濾波器保護動作跳閘的次數不斷增加。經統計，2013—2017年，國家電網公司所轄換流站共發生48起鳥害導致的交流濾波器跳閘事件，內蒙古境內的3座±800 kV特高壓換流站（錫盟站、伊克昭站及扎魯特站）自投入運行后，近幾年也均多次發生鳥害故障跳閘情況。2017—2020年，其中一組交流濾波器發生的6次跳閘事件中，有4次為鳥害原因導致。雖然故障發生時，因直流系統輸送功率較小、備用交流濾波器投運及時，均未造成功率損失，但多次發生的鳥害事件威脅到特高壓換流站的安全穩定運行。本文針對某特高壓換流站鳥害導致交流濾波器電容器不平衡保護動作跳閘事件進行分析，查找故障原因并提出運維建議。

1 換流站交流濾波器概況

1.1 交流濾波器配置

該換流站是±800 kV特高壓直流輸電工程的送端站，直流額定電流6250 A，額定輸電容量10 000 MW。共配置4大組、20小組交流濾波器（含并聯電容器），配置情況見表1。

表1 某換流站交流濾波器配置

1.2 電容器組結構

該換流站發生4次鳥害跳閘的濾波器均為BP11/13型，以5642交流濾波器為例，電容器塔BP11塔高15.37 m，BP13塔高14.44 m。C11和C12高壓電容器組采用了H形橋接線方式，每相C11電容器塔由224只電容器組成，每相C12電容器塔共由208只電容組成，C11和C12電容器塔組成結構見圖1。正常運行時，4個橋臂的電容值相同，中間的全光纖電流互感器（OCT）上無電流通過。

圖1 C11和C12電容器塔電容器組成

2 電容器不平衡保護動作情況分析

2.1 保護原理

交流濾波器組均并聯在換流站500 kV交流母線上，濾波器中的電容器承受了大部分的母線電壓，當電容器塔中有電容器元件因受外力或自身原因發生故障時，將會導致其余電容器承受的電壓升高，可能引發雪崩擊穿，對整個電容器塔設備安全構成威脅[2]。交流濾波器保護中配置了三段式電容器不平衡保護，通過電流互感器測量橋臂間的不平衡電流大小，采用兩橋臂的不平衡電流與入地電流的比值作為動作判據，反映電容器元件的故障情況，以判斷電容器是否發生故障，必要時快速切除故障小組交流濾波器[3-4]。

2.2 不平衡保護邏輯

該換流站每大組濾波器各配置A/B兩套測量回路相互獨立的保護裝置，采用“啟動”+“保護”出口邏輯，當其中一套濾波器保護AFP的“啟動”+“保護”滿足條件時則保護動作。BP11/13交流濾波器電容器不平衡保護接線原理見圖2。

圖2 BP11/13交流濾波器不平衡保護接線原理

5642交流濾波器電容器不平衡保護的“啟動+動作”邏輯及保護定值設置方法如下。

2.2.1 啟動邏輯

不平衡保護啟動為三段式電流保護，判據為：

式中：Iqd為保護啟動電流；Iunb為不平衡電流；Iw為尾端電流。

報警段（Ⅰ段）：當Iqd>0.000 361時，延時10 s報警；

跳閘段（Ⅱ段）：當Iqd>0.000 668 8時，延時120 min跳閘；

速斷跳閘段（Ⅲ段）：當Iqd>0.000 884 45時，延時20 ms跳閘。

2.2.2 動作邏輯

不平衡保護動作同樣分三段式過流，判據為：

式中：Idz為保護動作電流。

報警段（Ⅰ段）：當Idz>0.000 38時，延時10 s報警；

跳閘段（Ⅱ段）：當Idz>0.000 704時，延時120 min跳閘；

速斷跳閘段（Ⅲ段）：當Idz>0.000 931時，延時20 ms跳閘。

3 交流濾波器故障跳閘事件分析

3.1 故障現象

2019-07-30T13：25：49，OWS報出：第4大組濾波器保護系統A/B報第4大組第2小組13分支電容器不平衡保護L1相跳閘動作；5642交流濾波器跳閘；5642開關跳開并鎖定；5632交流濾波器自動投入替換成功。故障跳閘事件記錄見表2。

表2 交流濾波器故障跳閘事件記錄表

3.2 現場檢查情況

保護動作跳閘后，運維人員立即到現場對5642小組濾波器電容器設備本體進行全面檢查，電容器塔支柱絕緣子無放電、變形現象，單只電容無滲油、鼓包現象，電容器接頭無斷股、放電、松動現象，設備本體未發現明顯異常。

檢查時發現5642濾波器BP13分支電容器下方有1只受傷的雀鷹，雀鷹右爪及右翅有輕微電弧燒傷痕跡，測量其體長約36 cm、展翅寬度約77 cm（見圖3）。初步分析為鳥害導致5642交流濾波L1相保護跳閘。

圖3 現場檢查發現的鳥類

3.3 保護動作分析

檢查分析5642小組交流濾波器不平衡保護內置故障錄波，發現BP13分支L1相電容器不平衡電流達0.173 A，尾端電流127 A，Iqd=0.001 36，大于動作定值（0.000 931）和啟動定值（0.000 884 45）。故障值大于啟動定值，同時大于動作定值，保護啟動、動作正確。

檢查分析5642小組交流濾波器不平衡保護外置故障錄波，發現5642小組濾波器BP13分支L1相在保護動作時刻的不平衡電流同樣達到0.217 A，與內置故障錄波值保持一致，確認AFP1A、AFP1B的5642小組濾波器BP13分支L1相不平衡保護啟動及動作邏輯均正確。外置故障錄波如圖4所示。

圖4 5642交流濾波器外置故障錄波波形

3.4 故障處理情況

將5642交流濾波器組轉至檢修狀態，使用接地線對BP13分支L1相電容器逐層逐個多次放電后，檢修人員現場對電容器的單體電容及4個橋臂電容進行全面測量，并與上次檢修試驗數據進行了對比，結果顯示單體電容數據均無異常，橋臂兩次測量的數值相差在±2%范圍內。測量結果表明，電容器電容值正常，排除了電容器內部故障擊穿放電的情況。橋臂電容值試驗數據見表3。

表3 電容器橋臂電容值測量結果

運維人員對5642交流濾波器進行全面檢查后，未發現設備存在故障，確認5642交流濾波器具備轉熱備用條件，當日即申請調度將5642交流濾波器轉為熱備用。

3.5 故障原因分析

根據現場一次設備檢查情況，電容量測量結果正常，排除了電容器設備本體故障的可能性，實際測量5642交流濾波器層間電容器之間的最小距離為49 cm，電容器上表面與上層間構架支撐最小距離為37 cm，見圖5。

圖5 電容器層間及電容器同構架間的距離

特高壓換流站交流濾波器小組較常規換流站容量大，數量多，約占全站建設面積的1/4~1/3，在滿足安全運行和經濟指標情況下，特高壓換流站建設既要做到節約用地，又要節約設備投資。濾波器場布置直接影響總平面布置面積，關系到工程投資、設備與人員安全、運行維護等要素，其中電容器數量多，電容器塔高度較高，在保證高度和運行安全的前提下，電容器層間距離被優化設計至較小數值。正常運行時，電容器層間電壓約30 kV，受傷雀鷹展翅寬度約77 cm，遠大于層間電容器的絕緣間距，可以確定飛鳥降落至5642交流濾波器BP13分支L1相電容器構架時，造成層間電容器絕緣擊穿放電，產生橋臂不平衡電流導致保護出口動作，造成5642交流濾波器跳閘。

4 換流站其他3起鳥害情況

2019—2020年，該換流站又發生3次交流濾波器不平衡保護動作跳閘事件，檢查結果均為鳥害導致。

（1）2019-09-12T05：18，5612交 流 濾 波 器BP13分支電容器不平衡保護L1相動作，5612交流濾波器跳閘。現場檢查發現1只長度約33 cm、展翅寬度約70 cm的雀鷹，此次事件未造成電容器故障。

（2）2020-08-12T11：06，5612交 流 濾 波 器BP11分支電容器不平衡保護L1相動作，5612交流濾波器跳閘。現場檢查在電容器塔上發現1只死亡雀鷹，在BP11分支第7層電容器頂部和第8層電容器底部發現放電痕跡，其中第7層的A3電容器頂部擊穿，有1個直徑3 mm左右的孔洞，電容器損壞。經更換新的備品電容器后，恢復5612交流濾波器熱備用。鳥害情況見圖6。

圖6 5612交流濾波器鳥害情況

（3）2020-08-31T23：19，5642小組交流濾波器BP13分支電容器不平衡保護L1相動作，5642開關跳開。檢查發現在BP13分支電容器從下向上第9層B8電容器的支撐鋼構架的正下方橫梁上、第8層B8電容器器身上部外殼均發現1處電弧燒灼痕跡，但現場未發現受傷或死亡鳥類。經查看視頻錄像，發現故障時刻該點位存在瞬時的電弧放電，分析確定為飛鳥降落時導致故障，此次故障未造成電容器故障。鳥害情況見圖7。

圖7 5642交流濾波器鳥害情況

該特高壓換流站交流濾波器電容器接線頭設計加裝了防鳥帽，同時在交流濾波器場加裝了20臺超聲波噪音驅鳥器，但結合運行情況來看，防鳥效果欠佳。特高壓換流站比常規換流站的額定輸送功率更多，交流濾波器小組容量更大，一旦發生故障跳閘，容易引起交流電壓較大波動，嚴重時還可能造成直流功率回降甚至直流閉鎖[5]，所以防鳥害工作非常重要。

5 鳥害原因分析及建議措施

5.1 原因分析

由于內蒙古地區多為大草原，地勢空曠，每年的7—9月為草木茂盛季節，鳥類不論白天、夜晚均活動頻繁，其中不乏雀鷹、夜鷺等中大型鳥類。該換流站4次交流濾波器跳閘事件均發生在夏季，且均為中型鳥類導致。結合特高壓換流站設備情況，鳥害發生的主要原因有以下幾個方面。

（1）鳥類筑巢。特高壓換流站占地面積大，構架設備多，地勢平坦，能夠吸引鳥類筑巢，而筑巢的樹枝、鐵絲、雜草等則容易引起設備短路放電。

（2）鳥類飛行停靠。由于特高壓換流站周圍草原缺少高大樹木，而站內構筑物較高，有利于鳥類停靠或起飛，體型較大的鳥類在換流站附近飛行的過程中更傾向于停歇在站內構筑物上，造成帶電設備故障。

（3）鳥類進食。大型鳥類捕到獵物后會在高處進行進食，其停留在電容器塔等設備進食時，可能會造成設備間短路或對其放電。

（4）鳥糞影響。鳥的糞便較稀，導電性能良好，在鳥類經常停靠的地方，鳥糞滴落在絕緣子等設備上積累到一定程度后，在一定濕度條件下可能會引發閃絡放電[6]。

5.2 建議措施

目前，內蒙古地區換流站、變電站和輸電線路采取的防鳥措施主要有主動驅鳥裝置和被動防鳥裝置兩大類[7-16]，主動驅鳥裝置主要有超聲波驅鳥器、紅外對射驅鳥器等；被動防鳥裝置有防鳥針、防鳥板等。為降低鳥害發生率，根據換流站特點，建議采取以下防鳥措施。

（1）在桿塔合適位置安裝防鳥刺，在桿塔頂端安裝風力驅鳥器等裝置，阻止鳥類停靠；在構架、構筑物上安裝反光器、三維立體牌、鳥型反光裝置等驅鳥裝置，達到驚嚇鳥類的目的；在交流濾波器圍欄和圍墻四周安裝太陽能供電的超聲波驅鳥器，采用超聲波干擾方式驅鳥。

（2）在交流濾波器塔每層電容器四周設計加裝可拆卸的硬質絕緣防護網，阻斷鳥類降落電容器塔的路徑。

（3）對站內設備進行排查，對鳥類容易筑巢的構架、孔洞等地方進行封堵，降低鳥類筑巢機會，減少站內鳥類數量。

（4）部分換流站采用具有良好絕緣、憎水、阻燃、散熱等性能的氟硅橡膠材料對交流濾波器進行絕緣化改造后，防鳥害效果明顯。建議工程建設階段即對交流濾波器開展絕緣化工作，在電容器外殼、構架、等電位排和均壓環等金屬裸露部分進行噴涂氟硅橡膠材料等絕緣材料，最大限度地增加交流濾波器電容器組絕緣強度。

（5）鳥類活動頻繁的季節，在夜間關閉帶電設備場區的照明燈具，降低鳥類降落帶電設備的概率。

（6）根據實際情況，采用高音喇叭、電子鞭炮等方式適時開展人工驅鳥。