王典浪，曹鴻，李國艮，陳靜，龔禹璐

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 引言

高壓直流輸電系統(tǒng)換流閥在觸發(fā)導(dǎo)通過程中將產(chǎn)生高頻噪聲干擾信號[1-2]，為抑制電力線路載波（power line carrier，PLC）頻段（30~500 kHz）干擾信號對高壓直流輸電系統(tǒng)換流站交、直流進(jìn)出線PLC載波通訊系統(tǒng)的影響，一般在換流站內(nèi)配置有交、直流PLC 噪聲濾波器[3-4]。但受設(shè)備選型、設(shè)計(jì)制造、系統(tǒng)暫態(tài)諧波、運(yùn)維措施等因素影響，換流站交、直流PLC 噪聲濾波器故障時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響直流輸電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行[5-8]。

本文對一起換流站交流PLC 噪聲濾波器調(diào)諧單元起火故障進(jìn)行了分析，結(jié)合故障過程、解體情況、耐受應(yīng)力、設(shè)備選型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制造工藝等因素，明確了故障原因及暴露問題，最后從產(chǎn)品耐受應(yīng)力參數(shù)、設(shè)計(jì)及制造工藝、現(xiàn)場巡視及試驗(yàn)等方面提出了針對性改進(jìn)措施。

1 故障過程及解體情況

1.1 故障過程

2020 年7 月13 日19 時(shí)21 分，某±500 kV 換流站II 回極1 換流變網(wǎng)側(cè)交流PLC 噪聲濾波器A相阻波器L1內(nèi)發(fā)生故障起火，故障前該換流站未進(jìn)行設(shè)備操作、相關(guān)設(shè)備未發(fā)生跳閘；交流PLC 濾波器起火后相關(guān)控制保護(hù)未告警或動(dòng)作跳閘。為防止事故擴(kuò)大，現(xiàn)場立即執(zhí)行了ESOF 緊急停運(yùn)命令并將火撲滅。

故障起火的交流PLC 濾波器結(jié)構(gòu)和參數(shù)[9-10]見圖1。

圖1 交流PLC濾波器結(jié)構(gòu)和參數(shù)Fig.1 Structure and parameters of AC PLC filter

經(jīng)進(jìn)一步檢查，起火部位為阻波器L1內(nèi)調(diào)諧單元TDL1的CT12電容器，該電容器上節(jié)外殼燒損嚴(yán)重，測試CT12電容器電容量和絕緣電阻值均為零，該P(yáng)LC 濾波器其他元件外觀檢查及測試結(jié)果均正常。后續(xù)對系統(tǒng)內(nèi)各換流站同類型交流PLC 濾波器調(diào)諧單元開展隱患排查，發(fā)現(xiàn)該換流站II 回極1交流PLC 濾波器B 相調(diào)諧單元CT21電容器上部側(cè)面存在擊穿燒蝕孔洞，見圖2、II 回極2 交流PLC 濾波器B 相調(diào)諧單元CT21電容器絕緣筒頂蓋存在呈噴開脫離狀的老舊故障痕跡。

圖2 調(diào)諧單元CT21電容器燒蝕情況Fig.2 Ablation condition of capacitor of CT21 fault turning unit

1.2 解體情況

該CT12調(diào)諧電容器內(nèi)部為4 并2 串結(jié)構(gòu)，每個(gè)電容組件內(nèi)由4 個(gè)電容元件串聯(lián)組成。解剖發(fā)現(xiàn)故障電容器內(nèi)無明顯受潮痕跡，上節(jié)4 個(gè)電容組件上端部及電容元件內(nèi)均存在明顯貫穿性放電燒焦痕跡，且上節(jié)電容組件周邊用于填充密封的發(fā)泡劑已嚴(yán)重?zé)?，其? 個(gè)電容組件的第2 電容元件在擊穿后從塑料外殼側(cè)面炸開；下節(jié)4 個(gè)電容組件中僅1 個(gè)組件內(nèi)電容元件存在貫穿性放電擊穿痕跡，其他3 個(gè)電容組件外殼及周邊填充發(fā)泡劑均無明顯損壞且電容量測試結(jié)果均正常，解體情況見圖3。

圖3 故障調(diào)諧單元CT12電容器解體情況Fig.3 Disassembly of capacitor of CT12 fault tuning unit

根據(jù)故障電容器解體情況推測電容器放電路徑及起火故障過程如下：1）下節(jié)故障支路電容組件放電擊穿→2）上節(jié)其中1 個(gè)電容組件的第2 電容元件擊穿→3）上節(jié)電容元件擊穿后炸開并引起上節(jié)相鄰并聯(lián)支路電容組件發(fā)生擊穿→4）電容元件擊穿后釋放巨大能量引起上節(jié)電容芯心、填充硅膠及電容器組件塑料外殼發(fā)生燃燒，并導(dǎo)致周邊填充發(fā)泡劑燒焦。

2 耐受應(yīng)力及設(shè)備選型分析

換流站交流PLC 濾波器本身是用以抑制高次諧波進(jìn)入交流電網(wǎng)的，其濾波范圍主要為30~500 kHz的高次諧波，但濾波器元件所承受的主要應(yīng)力除了這些高頻諧波[9，11-13]，還有較低次諧波（100 Hz~30 kHz）施加的應(yīng)力。

故障時(shí)該換流站處于雙回四極大地方式運(yùn)行，輸送總功率6 350 MW，設(shè)備著火前至ESOF 前該換流站未進(jìn)行任何操作、相關(guān)設(shè)備亦未發(fā)生跳閘、暫態(tài)錄波未啟動(dòng)。對ESOF 過程故障錄波記錄的錄波觸發(fā)零點(diǎn)前100 ms 時(shí)段電流進(jìn)行諧波分析，發(fā)現(xiàn)ESOF 啟動(dòng)前（即錄波觸發(fā)零點(diǎn)前）流經(jīng)故障著火相交流PLC 噪聲濾波器電流波形均正常且各較低次諧波電流含量未超過設(shè)計(jì)水平[9-10]，交流PLC 濾波器阻抗特性范圍內(nèi)的中高頻諧波含量較小，ESOF啟動(dòng)前流經(jīng)PLC 濾波器最大諧波電流應(yīng)力見表1；ESOF 啟動(dòng)前流經(jīng)調(diào)諧單元電容器的最大電流應(yīng)力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)允許值，具體情況見表2。

表1 ESOF啟動(dòng)前PLC濾波器諧波電流應(yīng)力Table 1 Harmonic current stress of PLC filter before startup of ESOF

表2 ESOF啟動(dòng)前流經(jīng)調(diào)諧電容器諧波電流應(yīng)力Table 2 Harmonic current stress flowing though the tuning capacitor before startup of ESOF

根據(jù)上述分析，設(shè)備著火前至ESOF 啟動(dòng)前站內(nèi)未進(jìn)行任何操作且暫態(tài)錄波未啟動(dòng)，ESOF 啟動(dòng)前流經(jīng)交流PLC 噪聲濾波器調(diào)諧電容的實(shí)際電流應(yīng)力未超過設(shè)計(jì)水平，基本排除設(shè)備著火前至ESOF 啟動(dòng)前因電力系統(tǒng)故障或操作激發(fā)形成暫態(tài)諧波應(yīng)力導(dǎo)致電容器發(fā)生擊穿放電的可能。

對ESOF 過程故障錄波觸發(fā)零點(diǎn)之后的電流進(jìn)行諧波分析，發(fā)現(xiàn)在ESOF 啟動(dòng)后流經(jīng)故障著火相交流PLC 噪聲濾波器的暫態(tài)電流諧波應(yīng)力非常大且各頻次諧波均存在，2~7 次諧波含量均在100 A以上，其中2 次諧波高達(dá)568 A。另外，在交流PLC濾波器阻抗特性范圍內(nèi)的各次諧波含量也非常高，如20~66 次諧波的含量均超過20 A，ESOF 啟動(dòng)后流經(jīng)交流PLC 濾波器最大諧波電流應(yīng)力情況見表3；ESOF 啟動(dòng)后流過交流PLC 濾波器調(diào)諧電容器CT12、CT22的諧波電流總量分別高達(dá)2.3 A 和1.2，均超過了設(shè)備設(shè)計(jì)通流能力，具體情況見表4。

表3 ESOF啟動(dòng)后交流PLC濾波器諧波應(yīng)力Table 3 Harmonic current stress of PLC filter after startup of ESOF

表4 ESOF啟動(dòng)后流經(jīng)調(diào)諧電容器諧波電流應(yīng)力Table 4 Harmonic current stress flowing through tuning capacitor after startup of ESOF

ESOF 啟動(dòng)前、后流經(jīng)交流PLC 濾波器的中、高次諧波電流應(yīng)力情況見圖4。

圖4 ESOF啟動(dòng)前、后PLC濾波器諧波應(yīng)力Fig.4 Harmonic stress of PLC filter before and after startup of ESOF

分析發(fā)現(xiàn)，在開展該直流輸電工程暫態(tài)電流應(yīng)力研究[7]和低次諧波諧振研究[8]時(shí)未對交流PLC 噪聲濾波器所受各類典型暫態(tài)應(yīng)力進(jìn)行研究，且在開展該直流輸電工程交流PLC 噪聲濾波器研究[9]及選型[10]時(shí)，僅考慮了調(diào)諧單元兩端穩(wěn)態(tài)過程諧波電壓電流最大應(yīng)力并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按2 倍裕度制定設(shè)備技術(shù)規(guī)范[9-10]相關(guān)參數(shù)，未充分考慮交流PLC 噪聲濾波器在換流變充電勵(lì)磁涌流、直流輸電系統(tǒng)操作、故障暫態(tài)過程（如ESOF、換相失敗、直流故障重啟等）承受的暫態(tài)電壓電流應(yīng)力[13]，尤其未考慮在弱交流系統(tǒng)甚至孤島運(yùn)行的情況下因故障激發(fā)的各次暫態(tài)諧波[12]分量（100 Hz~40 kHz）畸變應(yīng)力。

根據(jù)該直流輸電系統(tǒng)調(diào)試及投運(yùn)以來直流閉鎖及暫態(tài)過程故障統(tǒng)計(jì)，該極直流閉鎖或暫態(tài)過程故障次數(shù)多達(dá)13 次（包括6 次系統(tǒng)調(diào)試），因此，推斷該交流PLC 噪聲濾波器調(diào)諧單元電容器發(fā)生擊穿故障的原因是調(diào)諧電容器諧波應(yīng)力耐受能力設(shè)計(jì)裕度不足，在長期多次暫態(tài)運(yùn)行工況過程中調(diào)諧單元電容器元件因暫態(tài)諧波電壓電流作用發(fā)生局部放電或過載并積累引起絕緣性能逐步惡化，最終導(dǎo)致電容器正常運(yùn)行工況時(shí)發(fā)生擊穿放電并起火[14-17]。

3 電容器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及制造工藝分析

該調(diào)諧電容器內(nèi)部為4 并2 串結(jié)構(gòu)，每個(gè)電容組件內(nèi)由4 個(gè)電容元件心體串聯(lián)組成。電容元件心體由鋁箔、聚苯乙烯絕緣膜、聚丙烯絕緣膜采用正反繞制方式卷繞[18-19]，電容心電極間通過連接片連接，電容元件卷繞完成后經(jīng)加熱固化成型，固化成型的4 個(gè)電容元件串聯(lián)后裝入到塑料管內(nèi)并灌注硅膠進(jìn)行密封固化并形成電容組件，電容組件以4 并2 串方式裝入到電容器絕緣筒內(nèi)并用阻燃發(fā)泡劑完成填充灌封。發(fā)泡劑是由阻燃劑和三磷酸酯在填充時(shí)按規(guī)定比例混合調(diào)制注入。調(diào)諧單元電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工藝見圖5。

圖5 調(diào)諧單元電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Internal structural diagram of tuning unit capacitor

分析上述電容器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及制造工藝[20-22]，絕緣膜和鋁箔原材料選型及質(zhì)量、電容繞制連接工藝、硅膠及發(fā)泡劑配置填充工藝、電容元件配組策略、調(diào)諧筒機(jī)械強(qiáng)度及上端蓋安裝密封性等任意因素存在缺陷都可能造成電容器存在質(zhì)量隱患。如絕緣膜厚度選型不佳或鋁箔一致性不佳將直接影響電容器的絕緣耐受強(qiáng)度，電容元件及電容組件電容值配組不均勻造成電容元件及電容組件間電壓均勻度，甚至在電容器間形成較大徑向電壓差，調(diào)諧裝置內(nèi)部填充發(fā)泡劑配制和灌封工藝不良將無法保證電容器具有良好的阻燃性能和密封性能，調(diào)諧筒端部灌封及安裝工藝不佳將無法保證調(diào)諧筒頂部端蓋與筒體處的機(jī)械強(qiáng)度和密封性能；另外，該電容器心體采用了較為落后的正反繞制工藝，電容器內(nèi)電極短接片及引出連接片的平整度和粗糙度將增加電容器內(nèi)尖端放電的幾率。

4 暴露問題及改進(jìn)措施

4.1 故障原因及暴露問題

結(jié)合故障過程、解體情況、故障時(shí)應(yīng)力、參數(shù)選型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制造工藝等因素，分析本次設(shè)備故障原因及暴露問題包括：

1）交流PLC 噪聲濾波器調(diào)諧單元電容器諧波應(yīng)力耐受能力設(shè)計(jì)裕度不足。在交流PLC 噪聲濾波器性能研究和設(shè)備選型時(shí)僅考慮了調(diào)諧單元兩端穩(wěn)態(tài)電壓和電流的最大應(yīng)力（含諧波），未考慮交流PLC 噪聲濾波器在換流變充電勵(lì)磁涌流及直流輸電系統(tǒng)操作、故障暫態(tài)過程承受的暫態(tài)電壓電流應(yīng)力，尤其未考慮在弱交流系統(tǒng)甚至孤島運(yùn)行情況下因故障激發(fā)的各中、高頻暫態(tài)諧波分量畸變電流應(yīng)力，在長期多次暫態(tài)運(yùn)行工況過程中調(diào)諧單元電容器元件因暫態(tài)諧波電壓電流作用發(fā)生局部放電或過載并積累引起絕緣性能逐步惡化，最終導(dǎo)致電容器正常運(yùn)行工況時(shí)發(fā)生擊穿放電并起火。

2）電容器絕緣膜和鋁箔原材料選型及質(zhì)量、電容繞制方式及連接工藝、硅膠及發(fā)泡劑配置填充工藝、電容元件及電容組件配組策略、調(diào)諧筒機(jī)械強(qiáng)度及上端蓋安裝密封性等產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造質(zhì)量的分散性也是導(dǎo)致本次故障發(fā)生的可能原因[22-23]。

3）本次交流PLC 濾波器起火故障是運(yùn)維人員在路途中意外發(fā)現(xiàn)的，故障時(shí)相關(guān)保護(hù)設(shè)備未發(fā)出任何報(bào)警或動(dòng)作跳閘；另外，后期排查又發(fā)現(xiàn)2 起早已發(fā)生但之前未被發(fā)現(xiàn)暴露的調(diào)諧單元電容器擊穿故障。這暴露出現(xiàn)有直流控制保護(hù)系統(tǒng)對交流PLC 噪聲濾波器的監(jiān)測報(bào)警及保護(hù)跳閘功能有待完善，現(xiàn)場巡視、試驗(yàn)等運(yùn)維措施也需加強(qiáng)。

4.2 改進(jìn)措施

針對上述分析得出的設(shè)備故障原因及暴露問題，從產(chǎn)品參數(shù)選型、設(shè)計(jì)及制造工藝、現(xiàn)場巡視及試驗(yàn)等方面提出了以下改進(jìn)措施及建議：

1）在開展交流PLC 噪聲濾波器性能研究和設(shè)備參數(shù)選型時(shí)不僅要考慮調(diào)諧單元兩端的穩(wěn)態(tài)最大應(yīng)力（含諧波），還要充分考慮交流PLC 噪聲濾波器在換流變充電勵(lì)磁涌流、直流輸電系統(tǒng)各種典型操作、典型故障暫態(tài)過程承受的暫態(tài)應(yīng)力（含諧波），尤其要考慮在弱交流系統(tǒng)甚至孤島運(yùn)行工況下因故障激發(fā)產(chǎn)生的各次暫態(tài)諧波畸變應(yīng)力。

2）重新開展該直流工程交流PLC 噪聲濾波器設(shè)備選型，將調(diào)諧電容器更換為諧波應(yīng)力耐受能力滿足要求的產(chǎn)品，同時(shí)優(yōu)化替換產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料選型及制造工藝質(zhì)量控制措施[19-25]，提升調(diào)諧單元電容器絕緣性能、諧波電流耐受能力和可靠性。具體措施包括：將電容器絕緣介質(zhì)中的聚苯乙烯絕緣膜厚度從40 mm 提高至50 mm，將聚丙烯絕緣膜厚度從15 mm 提高至18 mm，用一致性更佳的進(jìn)口鋁箔材料替代國產(chǎn)材料，最終將電容器的絕緣耐壓水平由直流240 kV 提高至直流280 kV 以上；將電容心體繞制方法由鋁箔正、反繞制改進(jìn)為一次性繞制，進(jìn)而提高電容器耐壓水平和可靠性；加強(qiáng)調(diào)諧裝置灌封用發(fā)泡劑的配制工藝管理，對配制和灌封過程進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，以保證調(diào)諧裝置內(nèi)部的填充發(fā)泡劑具有良好的阻燃性能和密封防潮性能；加強(qiáng)調(diào)諧筒端部灌封工藝控制，提高調(diào)諧筒頂部端蓋與筒體處的機(jī)械強(qiáng)度和密封性能，防止端蓋與筒體結(jié)合部位出現(xiàn)開裂、脫落現(xiàn)象。

3）針對換流站交流PLC 濾波器特殊運(yùn)行工況，開展調(diào)諧裝置暫態(tài)諧波電壓電流應(yīng)力耐受能力的研究和試驗(yàn)，提升并驗(yàn)證換流站交流PLC 噪聲濾波器調(diào)諧單元的諧波耐受能力。

4）開展換流站交流PLC 濾波器保護(hù)策略及功能的研究設(shè)計(jì)[26]，確保交流PLC 濾波器電抗器、電容器、調(diào)諧單元等部件發(fā)生故障時(shí)相關(guān)保護(hù)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警或動(dòng)作跳閘，避免故障無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)或造成事故擴(kuò)大。

5）對交流PLC 濾波器電抗器、電容器、調(diào)諧單元等部件定期開展日常紅外測溫及外觀巡視，尤其在直流輸電系統(tǒng)發(fā)生閉鎖或暫態(tài)過程時(shí)應(yīng)及時(shí)開展紅外測溫檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理[27]；完善交流PLC 濾波器的停電檢修試驗(yàn)項(xiàng)目和要求，預(yù)試定檢時(shí)除開展電抗器直流電阻和電感測試外，還要對電容器、調(diào)諧單元等附屬部件開展電容、電阻及電感測試并進(jìn)行外觀檢查，具備條件時(shí)還應(yīng)開展交流PLC 濾波器整臺(tái)阻波器的高頻阻抗特性測試。