一起特高壓換流變壓器閥側操作沖擊擊穿試驗故障分析

曾磊磊，李宇捷，王 鵬，萬 華，童 濤

（1.國網江西省電力有限公司電力科學研究院， 江西 南昌 330096，2.南昌工程學院， 江西 南昌 330000）

0 引言

特高壓直流輸電具有輸送容量大、線路損耗小、線路造價低等特點，是促進全國能源資源優化布局的重要措施[1-2]。特高壓換流變壓器作為直流輸電系統的核心設備，其設備質量關乎大電網的安全穩定運行。特高壓換流變壓器作為交流和直流系統的連接樞紐，其網側繞組連接交流系統，閥側繞組經整流裝置與直流輸電系統相連，在整流和逆變側實現直流和交流的轉換，與常規交流變壓器不同，換流變壓器需同時承受交流和直流電壓[3]。因此，換流變壓器絕緣結構與電場分布更為復雜，也必須經過更為嚴格出廠試驗考核。

文中對一起特高壓換流變在出廠試驗中的閥側操作沖擊試驗發生擊穿故障進行分析，通過油中溶解氣體氣相色譜分析，結合排油內檢與解體檢查，判斷故障原因為閥側成型引線端部均壓銅管存在凸起尖端，在操作沖擊電壓下發生放電擊穿，并提出針對性的防范措施及建議，提升了特高壓換流變的質量管控水平。

1 故障情況

1.1 故障前情況

在閥側操作試驗前，該臺換流變已經完成了表1中的出廠試驗。

表1 故障前已完成的試驗項目

1.2 閥側操作沖擊試驗方法

閥側操作沖擊試驗接線如圖1所示。

圖1 閥側操作沖擊試驗接線

由圖1可知，閥側操作沖擊試驗是使用沖擊電壓發生器對短接后的閥側繞組施加沖擊電壓，所加電壓波形需滿足以下條件：

電壓峰值：1 050 kV（負極性）；

波前時間Tp：250±20%μs；

波尾時間T2：2 500±60%μs。

利用電容分壓器檢測沖擊電壓波形，網側繞組短接后通過示傷電阻接地。

加壓順序為：1）一次或幾次降低電壓的操作沖擊（取60%全電壓）；2）三次100%全電壓的操作沖擊。

1.3 故障過程

首先進行一次60%全電壓的操作沖擊，試驗未見異常，然后進行100%全電壓的操作沖擊，電壓波形發生跌落，同時換流變發出異響，兩次試驗的波形如圖2所示。

圖2 閥側操作沖擊電壓波形

兩次閥側操作沖擊試驗數據如表2所示。

表2 閥側操作沖擊試驗數據

2 故障分析

2.1 油色譜分析

操作沖擊試驗后，取變壓器進行油色譜分析，結果如表3所示。

表3 油色譜分析結果μL/L

根據文獻[4]中三比值編碼規則，計算氣體比值得到編碼為102，對應故障類型為電弧放電，典型故障為線圈匝間、層間放電，相間閃絡；分接引線間油隙閃絡，選擇開關拉弧；引線對箱殼或其他接地體放電。

2.2 解體檢查

對該換流變壓器排油后打開油箱兩側人孔進入油箱內檢，發現柱2上部閥側引線出頭及對應位置的角環有明顯的放電痕跡如圖3所示，其他位置未見異常。

圖3 放電痕跡

對該換流變進行解體檢查，拆除柱2上部閥側出線位置的絕緣紙板及防護角環，發現閥側出線首層角環爬電至鐵芯屏蔽筒，如圖4所示。

圖4 爬電痕跡

拆除上部閥側成型引線，對應柱2的閥側出頭均壓管端部有明顯的爬電痕跡，沿均壓管引線約300 mm的爬電路徑；引線均壓管端部絕緣紙漿擊穿露銅，剝離絕緣紙漿后在均壓銅管對應位置發現一個凸起尖端，如圖5所示。

圖5 閥側引線均壓管放電痕跡

同時，對成型引線端部絕緣紙漿進行檢查，發現成型引線端部R角位置內側紙漿端面形狀不規整，如圖6所示。

圖6 內側紙漿端面形狀不規整（左為正常情況）

2.3 故障原因分析

結合油色譜分析、解體檢查情況與有限元仿真分析，該次試驗擊穿故障的原因為閥側成型引線端部均壓銅管存在質量缺陷，凸起尖端在操作沖擊電壓下誘發放電，并經成型引線表面、最外層出線角環、鐵心柱屏蔽筒外層絕緣紙板形成貫穿性放電通道，最終對鐵心地屏及拉板放電擊穿，放電路徑如圖7所示。

圖7 放電路徑

放電由閥側成型引線端部位置（位置1）起始，通過引線表面的絕緣皺紋紙爬電至位置2處，到達閥線圈最外層角環端面，沿角環外表面爬電至靠近鐵心屏蔽筒的最近點，最終到達鐵心柱拉板終止（位置3）。

3 結語

文中通過油色譜分析、排油內檢與解體檢查，分析了一起特高壓換流變壓器閥側操作沖擊擊穿試驗故障，判斷故障原因為閥側成型引線端部均壓銅管存在質量缺陷，凸起尖端在操作沖擊電壓下誘發放電，并經成型引線表面、最外層出線角環、鐵心柱屏蔽筒外層絕緣紙板形成貫穿性放電通道，最終對鐵心地屏及拉板放電擊穿。針對該次故障提出如下防范措施與建議：

1）換流變廠家應加強對外購件的質量管控，絕緣成型件、層壓紙板和螺桿螺母進廠時應逐個進行X光檢測。

2）廠家對該換流變柱2線圈進一步拆解，對各個線圈進行徹底檢查及清理。更換受損及受污染的所有絕緣件，后續按照工廠產品工藝要求回裝并進行全部出廠試驗。

3）在后續進行施加100%沖擊試驗電壓前增加一次80%試驗電壓的沖擊試驗，并對試驗波形進行比對分析。