一起同塔雙回直流輸電線路避雷器擊穿事故原因分析

陳慧，劉寧

（中國南方電網公司超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 前言

遠距離輸電采用高壓直流輸電技術具有線路造價低、運行電能損耗小、線路走廊窄的優點，通常架空線路超過600～800 km，直流輸電較交流輸電更為經濟。±500 kV 單回雙極直流輸電線路的最大輸送容量為300 萬 kW，如要輸送更大容量的功率，解決措施之一就是采用同塔架設的雙回四極輸電技術。由于雙回四極同塔架設，且輸電距離較遠、線路走廊地形復雜，該直流系統發生因山火等導致輸電線路共因故障、相繼跳閘的概率較高[1-3]。

在高壓直流輸電系統中，換流站內設備的主要保護裝置為金屬氧化鋅避雷器，直流側產生的過電壓由直流側的避雷器進行限制。直流輸電線路避雷器布置在12 脈動閥組低壓側及接地極線路側，用于保護中性母線設備的避雷器，被稱為“E”型避雷器。故障時，E 型避雷器會產生很大的能量，為了滿足避雷器能量要求，一般采用多只避雷器并聯方式。近年來，系統內發生過多起E 型避雷器故障，嚴重影響高壓直流輸電系統穩定運行[4]。國內對高壓直流輸電線路重啟邏輯的研究逐步深入，工程應用過程中發現的問題也多有分析[5-8]。

本文結合南方電網公司某±500 kV 同塔雙回直流輸電線路相繼跳閘事故，闡述了直流系統共因故障的發生經過，分析了造成直流輸電線路避雷器損毀的原因。

1 故障經過

2023 年4 月，南方電網公司某±500 kV直流工程發生了一起同塔雙回直流輸電線路避雷器擊穿事故。事故前運行方式為甲極1 冷備用，甲極2 金屬回線、乙回直流雙極大地回線方式。故障發生后，甲極2、乙回直流雙極相繼跳閘，導致整流站甲回直流接地極線路E 型避雷器F2-1 擊穿，甲極2、乙極1 線路重啟不成功，站內安全穩定控制裝置動作，切除送端電廠#15機組。

在該直流工程中，線路故障重啟判據設定為：當電壓達到0.9 倍重啟電壓，系統發線路重啟成功信號。根據本次故障波形分析，甲極2 建壓時間較乙極1 多，故SER 信息顯示甲極2 重啟成功時間較乙極1 晚100 ms 左右。故障簡要經過如圖1 所示。A 階段工作站報甲極2、乙極1 線路行波保護、線路突變量保護動作。B階段乙極1 降壓80% 重啟成功。C 階段甲極2降壓80%重啟成功。D 階段乙極2 線路低電壓保護動作。E 階段甲極2、乙極1 線路行波保護、線路突變量保護動作。F 階段乙極2 降壓80%重啟成功。G 階段甲極2 接地極母線差動保護動作，甲極2、乙極1 跳閘退至交流側熱備用。

圖1 故障時序圖

2 保護動作情況分析

高壓直流輸電線路發生故障導致系統閉鎖，在電力系統中屢見不鮮，故障原因也不盡相同[9]。本次跳閘事件，甲極2 及乙回直流雙極各發生3次故障，具體保護動作情況分析如下：

2.1 甲極2保護動作情況分析

1）第1 次故障

由錄波波形可知，故障時特征量差模幅值、共模幅值、共模突變量均大于定值，且輔助判據均滿足動作條件，故行波保護WFPDL 正確動作。

低電壓值小于定值0.25 p.u，電壓突變量值小于定值-1.16 p.u./ms（-580 kV/ms），且輔助判據均滿足動作條件，故線路突變量保護27 du/dt正確動作。

2）第2 次故障

甲極2 線路再次故障，行波保護WFPDL動作、線路突變量保護27 du/dt 正確動作，因兩次故障時間小于5 s（直流極控重啟動定值為5 s 內直流允許重啟1 次），甲極2 不執行重啟過程，轉為閉鎖。

3）第3 次故障

故障時刻接地極母線差動保護（87EB）差流超過定值，時間持續600 ms，滿足87EB 動作邏輯，保護正確動作。

2.2 乙回直流雙極保護動作情況分析

1）乙極1 第1 次故障

由錄波波形可知，故障時特征量差模幅值、共模幅值、共模突變量均大于定值，且輔助判據均滿足動作條件，故行波保護WFPDL 正確動作。

低電壓值小于定值0.25 p.u，電壓突變量值小于定值-1.16 p.u./ms（-580 kV/ms），且輔助判據均滿足動作條件，故線路突變量保護27 du/dt正確動作。

2）乙極1 第2 次故障

乙極1 線路再次故障，行波保護WFPDL動作、線路突變量保護27 du/dt 動作，極控重啟動次數達到上限跳閘，保護正確動作。因兩次故障時間小于5 s（極控重啟動定值為5 s 內直流允許重啟1 次），乙極1 不執行重啟過程，轉為閉鎖。

3）乙極2 故障

乙極2 線路低電壓保護（27DCL）動作，降壓80% 重啟動成功。線路電壓UdL故障期間小于250 kV，持續時間達到120 ms，故27DCL保護正確動作。

3 避雷器故障過程分析

本次跳閘事件導致甲回直流接地極線路E型避雷器F2-1 擊穿，事故經過分為五個階段（經直流控制保護實時仿真平臺驗證，故障發展經過基本吻合），分析如下：

第一階段，甲極2、乙極1 線路故障跳閘，重啟過程中，甲極2 接地極線路避雷器動作，系統故障回路如圖2 所示。此次故障期間，整流站及逆變站側兩極電壓、電流變化趨勢一致，且電壓、電流值大小相等、方向相反，甲極2、乙極1 直流線路發生極間線路短路故障。

圖2 系統故障回路圖（第一階段）

甲極2 第一次線路故障重啟期間，接地極線路避雷器已動作，避雷器動作后將中性母線電壓限制在105 kV 左右。甲極2 線路去游離、重啟期間，中性母線過電壓值小于避雷器動作值，避雷器未動作。且線路重啟過程中，避雷器能正常承受系統電壓，故可判斷甲極2 第一次故障重啟過程中，避雷器未發生擊穿。

第二階段，甲極2 第二次故障、乙極2 第一次故障，甲回接地極線路避雷器發生第二次過電壓沖擊，系統故障回路如圖3 所示。

圖3 系統故障回路圖（第二階段）

15 時17 分04 秒239 ms，甲極2、乙極2同時呈現故障特征，變化趨勢相同。且比對故障期間的前10 ms 左右，兩個極的電流大小相等，判斷乙極2（-480 kV）對甲極1（7 kV）線路發生高阻放電，導致甲極1 直流線路電壓突變，整流側站內甲極2 中性母線電壓快速抬高，接地極線路避雷器動作。中性母線電壓被限制至104 kV 左右，約10 ms 后避雷器發生貫穿性故障，系統出現接地故障點。

第三階段，甲極2 單極金屬、甲回直流接地極線路避雷器已擊穿，乙極2 線路故障后正歷經去游離過程、乙極1 單極大地回線方式運行，系統故障回路如圖4 所示。此時故障回路為甲極2 線路、甲極1 線路、整流站側甲回直流接地極線路故障避雷器，逆變站側甲回直流站內接地開關IdSG、乙極1 線路、大地、乙回直流接地極，整流站甲極2 中性母線電壓UdN為正值（1～2 kV）、逆變站甲極2 中性母線電壓UdN 為0 電位，故導致甲極1 線路電流反向、整流站側線路電流小于逆變站側（乙極1 電流激勵作用）。

圖4 系統故障回路圖（第三階段）

第四階段，甲極2 單極金屬、甲回直流接地極線路避雷器已擊穿，乙極1 單極大地、乙極2 線路故障后正歷經去游離過程，乙極1、甲極2 第二次同時故障。此時，第三階段故障回路仍然存在，系統故障回路如圖5 所示。

圖5 系統故障回路圖（第四階段）

甲極2、乙極1 同時故障，整流站、逆變站兩極電壓、電流變化趨勢一致，且大小相等、方向相反，判斷甲極2、乙極1 線路再次發生極間短路故障，迫使甲極1 線路電流再次反向增加。

第五階段，甲極2、乙極1 故障閉鎖，乙極2 單極大地運行。此時第三階段故障回路仍然存在，系統故障回路如圖6 所示。

圖6 系統故障回路圖（第五階段）

期間，甲極1 線路仍有約800 A 電流。結合系統運行工況，判斷甲極1 線路故障電流為乙極2 的分流，故障回路為乙回直流接地極線路—接地極—整流站甲回直流接地極線路故障避雷器—甲極1 線路—逆變站側甲回直流站內接地開關。因乙極2 的激勵作用，甲極1 線路電流再次由負轉為正。

4 避雷器故障原因分析

電力系統中避雷器故障，多由過電壓引起[10-11]。同塔雙回直流輸電系統中，單極故障可能引起過電壓[12]，如避雷器絕緣裕度不足，易導致避雷器的熱崩潰擊穿。本次事件中，故障避雷器伏安特性如圖7 所示。

圖7 避雷器伏安特性

殘壓kV

第一次線路故障時，錄波數據顯示故障避雷器承受的主要沖擊共2 次，分別讀取各段沖擊電壓的平均峰值與持續時間，再根據故障避雷器的伏安特性取得對應電壓下電流值，估算吸能計算如下：

此時，故障避雷器所吸收總能量約為3.71 MJ。

第二次線路故障時，錄波數據顯示故障避雷器承受的主要沖擊共1 次，估算吸能計算如下：

此次，吸收總能量約為0.43 MJ。

綜上，直流線路兩次跳閘后，故障避雷器累計吸收能量已達4.14 MJ，遠超避雷器額定1.8 MJ 的能量吸收能力，最終避雷器內部發生熱崩潰，進而造成避雷器壓力釋放。

5 結束語

本起避雷器故障的原因為同塔雙回直流輸電線路通道發生大面積山火，導致甲極2、乙回直流雙極線路相繼跳閘，甲極2 金屬回線運行方式下，短時間內出現暫態過電壓，避雷器吸收能量過高，造成甲回直流接地極線路E 型避雷器F2-1 擊穿損毀。經后期解體檢查發現，該避雷器下端防爆膜動作，內部共四柱閥片整體表面有碳化現象，部分柱體閥片（共8 片）破裂，熱崩潰特征明顯。

總結本次事件過程，建議：

1）做好同類型避雷器狀態監控，在直流帶電轉換、系統故障后，及時開展動態巡維，通過紅外測溫及故障錄波數據分析等措施，研判避雷器狀態。

2）運用在線監測技術，監測在運E 型避雷器動作過程的暫態電流、均流及能量耐受情況。

3）在滿足雷電和操作保護水平要求的前提下，盡可能增加E 型避雷器直流參考電壓。

4）控制各臺E 型避雷器之間單柱5 mA 下的直流參考電壓偏差，確保極差不超過0.6 kV，平均偏差不超過0.2 kV。

5）參照最新特高壓直流輸電工程技術要求，優化E 型避雷器閥片檢測和篩選方法，按照逐片三次能量篩選試驗方案（第1 次2 ms 方波沖擊，第2 次2 ms 方波沖擊4 次，第3 次150 A正弦半波沖擊2 次），增加同類型備品儲備，并逐步更換。