一起直流融冰裝置過電壓故障分析

莫嚴君，蘇文艷，黃潤清，吳振，朱遠

(1.國網湖南省電力有限公司超高壓變電公司，湖南 長沙410004；2.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南 長沙410004；3.長沙電力職業技術學院，湖南 長沙410000；4.國網湖南省電力有限公司防災減災中心，湖南長沙410129)

0 引言

冬季覆冰對架空輸電線路安全運行造成了嚴重影響[1]，直流融冰裝置以其融冰容量小、停電范圍小、操作簡單等優勢，近年來得到了廣泛應用，有效避免了冬季線路因覆冰出現的倒塔斷線[2－3]。據不完全統計，目前湖南省區域內有各種類型的直流融冰裝置86套，江西省內有23套、浙江省內有14套[4－5]。2019年國家電網有限公司組織編制了三年融冰規劃，多套直流融冰裝置將陸續投入運行[6]。

隨著越來越多的直流融冰裝置投入運行，裝置現場運行維護工作量逐漸增大[4，7]，但目前多數變電站現場運行人員對直流融冰裝置運維知識點掌握不足，導致誤操作事故[8]。本文以一起直流融冰裝置誤操作故障作為案例進行分析。

1 直流融冰裝置介紹

直流融冰原理是利用變電站低壓交流電壓作為電源，通過整流變壓器調壓和換流器整流，輸出直流電壓施加于待融冰線路之上，在線路末端三相短接，形成融冰回路，通過電流的熱效應融化覆冰[9－10]。融冰時，融冰電流，采用直流融冰時電抗分量將不起作用，即X＝0。一般情況下，線路電抗分量X較電阻分量R大得多[11]，在同樣的融冰電流條件下，采用直流融冰所施加的電壓明顯小于交流融冰電壓，從而直流融冰電源容量明顯小于交流融冰。

直流融冰一方面減少了融冰所需要的系統容量，另一方面避免了交流融冰時需要進行線路阻抗匹配和繁雜的倒閘操作[12]。因此220 kV及以上線路優先采用直流方式進行融冰[13]。直流融冰裝置除了可對線路開展融冰，還可對其改造，達到無功補償的目的[14－15]。

2 故障經過

某220 kV變電站直流融冰裝置型號為HZRG25/12.5，由兩臺整流變壓器、不控型二極管12脈波整流器、串并聯刀閘、感應電壓抑制部件、組合刀閘等構成。采用變電站35 kV電源作為輸入電源，通過整流變壓器將35 kV電壓降壓引入不控型二極管12脈波整流器后，通過整流將交流變成直流，再經組合刀閘將12脈波整流器輸出的正負極轉化為A、B、C三相后輸出到輸電線路，在輸電線路末端三相短接形成回路，進行融冰。可對該站內的3回220 kV線路和6回110 kV線路進行融冰。

2020年1月13日，某變電站運行人員對站內35 kV交流融冰回路進行空載沖擊，沖擊過程中發現合上454斷路器后后臺監測35 kVⅣ母B相電壓降低至約13 kV，運行人員立即拉開454斷路器。

次日，檢修人員對交流融冰電纜進行絕緣電阻測試時發現電纜絕緣電阻低，約2 MΩ。檢查后發現，直流融冰室內組合刀閘B相其中一副刀閘處于合位，拉開刀閘后復測，電纜絕緣電阻正常。檢修人員接著對直流融冰裝置本體進行檢查。該220 kV變電站融冰裝置一次接線如圖1所示，圖中加粗線條為交流充電沖擊通道，交流輸出與直流輸出在環網柜匯總，再通過兩組刀閘分別輸出至220 kV線路和110 kV線路，輸出部分通過組合刀閘與直流融冰部分隔離。現場發現組合刀閘B相2022B處于合閘狀態，其他相以及串并聯刀閘均處于拉開狀態。

圖1 某220 kV變電站融冰拓撲結構

3 故障分析

3.1 故障影響

故障造成B相母線電壓通過組合刀閘2022B直接接入到直流融冰裝置感應電壓抑制部件負極和整流器負極，感應電壓抑制部件內部負極與正極通過阻容性元件連接，正極輸出后接至整流器正極；融冰裝置從內部切換刀閘至組合刀閘部分全部帶電，454間隔線電壓為35 kV，B相對地電壓為20.2 kV，即電壓抑制部件和整流器承受了對地20.2 kV的交流電壓；感應電壓抑制部件和整流器額定電壓按照10 kV絕緣設計，20.2 kV電壓施加時可能對整流器整流和測量回路造成影響。

3.2 故障排查

首先對感應電壓抑制部件進行外觀檢查和直流電阻、絕緣電阻測量，感應電壓抑制部件外觀正常，絕緣電阻為50.7 GΩ，感應電壓抑制部件正常。

之后對整流器進行檢查，整流器內部元器件(二極管、均壓電阻、阻容吸收回路、TV、TA)參數正常，整體對地絕緣電阻為326 MΩ。采用電壓電流發生器對TV和TA進行了校核，TV校核最高電壓15 kV，測量及顯示正常，TA校核最大電流1 800 A，總電流和分電流測量和顯示均正常，整流器主體部分和二次部分正常。

故障時融冰裝置原理如圖2所示。圖中加粗線條為454斷路器合上后直接帶電的部位，454斷路器合上后電壓通過4543隔離開關、環網柜匯流母線組合刀閘2022B隔離開關、負極銅排接入整流器負極套管，再通過整流器內部均壓電阻等原件接至整流器交流側，在內部切換刀閘2202和2102處被隔離。圖中虛線部分線條為454斷路器合上后通過感應電壓抑制部件內部元件連接而帶電的部位，即整流器正極與負極等電位。整流器本體對地采用環氧樹脂材料絕緣，但整流器輸入側每個整流橋對地接有一組避雷器，整流器TV采用差分電路接線，兩個測量臂中間接地，整流器中有避雷器和TV的測量電阻(主要為高壓臂)兩個較大功率接地點。其中高壓臂電阻值為3 MΩ，功率200 W，根據P＝U2/R計算可知，對地電壓為20 kV時電阻消耗功率為133W，在其額定功率之內。檢查TV外觀及內部電阻，不存在放電痕跡，且故障后測量電壓功能正常，初步排除高壓臂電阻接地導致電壓下降。

圖2 故障時融冰裝置原理圖

B相對地電壓約20 kV，整流器輸入側避雷器額定電壓5 kV，動作電壓15～18 kV，動作后殘壓值12 kV，估算泄漏電流約數百毫安，導致合閘后B相電壓由20 kV下降至殘壓，但因電流不大，未跳開斷路器。根據合閘時B相電壓下降現象，初步判斷原因為交流電壓加在整流器上時，整流器內部避雷器動作，導致電壓降低。

因融冰裝置整體輸入側和輸出側均有避雷器保護，1月16日拆除整流器內部避雷器對融冰裝置進行整體空載試驗，融冰裝置輸出電壓13.4 kV，運行20 min，裝置正常，融冰裝置可正常輸出融冰電壓。

3.3 結論

經過現場核實，完成檢修后裝置正常，后期對組合刀閘B相2022B隔離開關更換了驅動電機，但刀閘最后處于合閘狀態未拉開。本次對交流回路進行沖擊時，未對融冰室內刀閘狀態進行核實即送電，導致交流沖擊電壓通過2022B隔離開關施加于直流融冰裝置輸出側，且電壓約20 kV，對于額定電壓僅10 kV的融冰裝置來說，屬于典型的過電壓。融冰裝置在該電壓下持續數秒，如持續時間進一步加長，避雷器將可能因承受電流過大而發生爆炸。后期對避雷器進行了拆除檢測，發現避雷器閥片有燒蝕痕跡。

因取掉內部避雷器暫不影響融冰功能，本次故障后對避雷器進行了更換，同時提醒運行人員嚴格防范類似誤操作。

4 建議

為防止這種誤操作導致直流融冰裝置輸出側帶交流電的風險，運行人員應加強對融冰裝置內部結構的培訓和學習。

送電前仔細檢查裝置狀態，同時建議對直流融冰裝置采用以下方式進行改造:

1)對于已建融冰裝置，在組合刀閘和交流融冰隔離開關之間設置電氣閉鎖，在組合刀閘任意一相處于合閘狀態時，交流融冰隔離開關不能合上。

2)對于新建融冰裝置，輸出側由目前的一進兩出環網柜改為兩進兩出的環網柜，將交流和直流分開接入融冰母線，并將環網柜內的交流開關和直流開關設置閉鎖，兩個開關不能同時合閘。

3)將組合刀閘位置信號、串并聯刀閘位置信號接入后臺輔控系統，便于觀察刀閘位置狀態。