串补隔离开关操作引起二次设备故障分析

串补隔离开关操作引起二次设备故障分析

串补隔离开关操作引起二次设备故障分析 谭锦鹏，温才权，李月华，崔治国，卢亦韬 （中国南方电网超高压输电公司，广西梧州 543002） 摘 要：串补隔离开关在操作空载串补平台时，产生特快速瞬态过电压（very fast transient overvoltage，VFTO），与传统的VFTO相比，具有电弧电流大，弧隙电压大，去游离时间长等特点。由于VFTO频率与载波设备的调制频率基本一致，导致VFTO从电压互感器耦合到二次设备，引起二次设备异常甚至损坏。对串补、隔离开关、电压互感器、二次设备等建立理论分析模型，找出隔离开关操作对载波设备干扰的主要耦合路径。结合贺州串补操作导致串补采样模块、载波设备异常等现象，找出故障原因，提出应提高载波设备过压保护器MOV的容量，增大引线端子等设计建议及运维注意事项。 关键词：特快速瞬态过电压（VFTO）；隔离开关；载波；高频电缆；电压互感器；串补 0 引言 串补平台存在较多的电容元件，且其面积较大，相对500 kV母线对地电容较大，在非等电位拉合刀闸时，产生的电弧强度远比普通500 kV非等电位拉合刀闸产生的电弧大。在实际运行中，多次出现由于非等电位拉合刀闸导致串补保护误动、退出等严重现象，严重影响了串补的稳定运行。 1 事故基本情况 隔离开关操作空载串补平台

时会发生多次击穿，并产生特快速瞬态过电压（very fast transient overvoltage，VFTO）。VFTO具有波前陡、频率高、幅值大等特点，严重影响了电力系统的稳定和相关设备的安全运行[1-4]。 如图1所示，柳贺乙线串补两侧均安装有电容式电压互感器（以下简称CVT），但只在线路侧的CVT安装有结合滤波器等载波设备，变电站侧的CVT没有安装有载波设备。 在操作串补隔离开关时，贺州串补保护频繁自动退出，故障原因为串补采样模块受到电磁干扰发生的误码超过设定值。 图1 柳贺乙线串补主接线示意

Fig.1 The main wiring diagram of series compensation 2013-03-09将串补转为检修状态时，串补隔离开关操作空载串补平台时，由于隔离开关一次结构问题，导致A相无法分闸到位，隔离开关持续拉弧，直到运行人员再次手动将该隔离开关合上为止，拉弧时间超过7 min。随后通信人员对载波设备检修时发现结合滤波器内避雷器烧毁，如图2所示，高频电缆烧熔如图3所示。 2 串补隔离开关操作产生VFTO分析 美国电力科学研究院研究小组曾分别在115kV，230 kV，500 kV的空气绝缘变电站（AIS）进行过实测，在母线中间位置下方实测的波形如图4所示。国内外对隔离开关操作空载母线，GIS等形成的VFTO研究较多，但隔离开关操作空载串补平台产生的VFTO研究较少。 图2 结合滤波器内的避雷器烧毁

Fig.2 Burned arrester in combined filter 图3 高频电缆烧熔 Fig.3 Burned high frequency cable 图4 隔离开关操作产生的电磁场波形

Fig.4 Field waveform generated by isolating switch operation 如图5所示，串补隔离开关操作空载串补平台时，隔离开关的动触头与静触头的距离不断发生变化，将引起空气的长时间多次重燃，在回路中形成一系列的高频电流、电压衰减震荡波。该瞬态过电压经过CVT、串补平台对地电容、地网等形成回路。为了分析隔离开关操作对载波设备影响，简化模型，忽略变电站侧CVT等设备影响，只考虑载波设备所在的CVT支路。 图5 隔离开关操作等效电路 Fig.5 Equivalent circuit diagram of isolating switch operation 由于串补平台的尺寸为12 m×8.3 m，其对地面积为贺州变电站500 kV母线的15倍，串补平台的设备也远比500 kV母线多，距离地面高度只有6.878 m，也比500 kV母线低，所以串补平台对地电容远远大于500 kV母线对地电容。操作串补隔离开关产生电弧的电流也远比隔离开关拉合500 kV空母线产生的电弧要大。所产生的电弧能量也更大，电弧的去游离时间更长。电弧的弧隙电压与系统电压波形如图6所示。当电弧的去游离时间更长时，弧隙电压将会更陡、更高。 图6 电弧的伏安特性

Fig.6 The volt ampere characteristics of the arc 3 VFTO对

载波设备干扰的耦合路径分析 文献[5]描述了载波设备的调谐元件损坏现象，但没有对其进行更深一步的分析。文献[6]描述了220 kV线路隔离开关操作引起保护收发信机烧毁的事故，为了分析耦合路径对其进行了现场测试，将高频电缆在结合滤波器端解开，干扰电压急速下降，证明干扰并非由空间直接耦合到高频电缆，但并没有对其耦合路径做进一步分析。 电容式电压互感器、载波设备的接线如图7所示。为了保护结合滤波器的电压互感器不受过电压的影响，在其两端加装1个小型金属氧化物避雷器（MOV），其保护电压为1 000 V。 图7 载波设备接线

Fig.7 The wiring diagram of carrier equipment 假设隔离开关操作空载串补平台时，产生的VFTO幅值为UVFTO，频率为F。阻波器等效电抗为L3=1 mH，CVT的电容值为C=5 000 pF，结合滤波器的互感器电抗为L1=0.42 mH，而图5中R，L2，C2为串补对地等效阻抗。在没有避雷器的情况下，结合滤波器内部的互感器电压为 结合滤波器两端电压与隔离开关产生的VFTO对地电压的比例随频率变化如图8所示。由图可知，在50 Hz等工频状态下，结合滤波器的分压几乎为零，全部压降分在CVT上。但当频率升高时，CVT压降逐渐降低，结合滤波器、阻波器的压降比逐渐升高，当其频率达到100 kHz时，其两端电压甚至可达到线路的高频电压的1.6倍。而VFTO频谱较宽，频段集中在50～300 kHz。

因此，当结合串补隔离开关操作时，产生的高频暂态过电压将会使结合滤波器两端电压大大提高。 图8 结合滤波器两端电压的频谱

Fig.8 The voltage frequency spectrum of the combined filter 同理可求出阻波器两端电压的频谱图，如图9所示。阻波器两端电压受到高频信号干扰时，阻波器两端电压将会瞬间升高。但并不能阻止所有的站内高频干扰信号流向载波设备，依然有部分高频信号耦合到载波设备，使载波设备受损。结合滤波器两端压降和阻波器两端的压降与他们的电抗器等参数相关。因此隔离开关操作空载串补平台时对载波设备的干扰主要从电压互感器等一次设备耦合到载波设备上。 图9 阻波器两端电压的频谱

Fig.9 The voltage frequency spectrum of the trap 4 隔离开关操作空载串补平台导致载波设备损坏的原因分析 由上文分析可知，当隔离开关操作空载串补平台的VFTO频率达100 kHz时，结合滤波器两端电压可达VFTO的1.6倍。文献[6]对220 kV线路隔离开关操作引起高频电缆电压进行了测试，其结果如图10所示，其幅值可达3 000 V。 图10 2377隔离开关合闸时测试波形全貌

Fig.10 The testing waveforms with the 2377 isolating switch connected 隔离开关操作空载串补平台产生的干扰电压比操作22 kV线路的大。而载波设备内的避雷器保护电