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750 kV交流滤波器用断路器合闸电阻故障预判方法探究程锦（国网上海特高压换流站分公司，上海201413）摘要：换流站交流滤波器为换流站提供无功，并进行谐波滤除，其断路器频繁投切，且承受交直流电压混合作用，合闸电阻结构产品故障率高。文中根据一起750 kV断路器故障情况，结合气体组分分析、故障录波、X射线检测等方法对其进行分析，并通过返厂解体验证分析方法的正确性。最后，对该类断路器合闸电阻故障进行总结并提出相应预判方法，以提前发现断路器内部故障。关键词：断路器；合闸电阻；合闸电流波形Study on Fault Prediction Methods of Preinsertion Resistor for 750 kV CircuitBreaker for AC FilterCHENG Jin（State Grid Shanghai Ultra High Voltage Converter Station Company，Shanghai 201413，China）Abstract:The AC filter provides reactive power for the converter station and eliminates harmonics，its circuit breaker switches frequently and withstands the mixed action of AC and DC voltage and the fault rate of the preinsertion resistor structure is high.In this paper，the fault of 750 kV circuit breaker is analyzed in combination with such detection methods as gas component analysis，fault recording and Xray detection fault，through disassembly at the manufacturer，the correctness of the method is verified and analyzed.Finally，the fault of the preinsertion resistor for thecircuit breaker is summarized and corresponding prediction method is proposed to find the internal fault of the circuitbreaker in advance.Key words:circuit breaker；preinsertion resistor；current waveform in closing operation0引言直流换流站内，交流滤波器提供无功补偿，滤除特征谐波。不同类型的交流滤波器遵循绝对最小滤波器、交流母线电压限制、无功限制、最小滤波器、定无功控制或定电压控制等无功控制方式由交流滤波器断路器投切。交流滤波器断路器故障时，一旦交流滤波器组数不满足无功控制要求，直流输送功率将回调，下降幅度最大可达到2 000 MW以上1-7。基于昌吉换流站750 kV交流滤波器断路器故障分析，文中提出采用合闸电流波形分析和X射线检测对断路器内部故障进行预判，并在现场应用中得以验证，提前发现两台断路器内部故障，防止了跳闸事件的发生。1断路器结构原理交流滤波器断路器采用串联式合闸电阻结构，断路器罐体内部结构见图1，断路器本体罐内3个断口，两个主断口分别位于第1级灭弧室和第2级灭弧室，合闸电阻断口与主断口串联。合闸电阻与合闸电阻断口并联，合闸时合闸电阻提前导通，防止产生合闸过电压。主断口两端并联电容器，保证主断口电压分布均匀，同时提高开断能力。合闸电阻位于合闸电阻断口下方，由3串螺旋形串联组成，每串35片，共105片。每串合闸电阻均由合闸电阻片、聚四氟乙烯垫片、铜接触片组成，并通过侧面的压紧弹簧紧固，合闸电阻内部结构见图2。第59卷第8期：023902442023年 8月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.8：02390244Aug.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.028_收稿日期：20230307；修回日期：202305152023年8月第59卷第8期断路器合闸时，合闸电阻断口与主断口同时受到操动机构的驱动进行合闸，主断口先关合，合闸电阻断口滞后于主断口约半个周波(811 ms)关合。在这半个周波内，断路器关合电流流过两个主断口和合闸电阻，其后，合闸电阻断口关合，将合闸电阻短接，断路器合闸动作过程见图3。2断路器故障情况昌吉换流站直流功率调整过程中自动投入SC断路器7624，断路器接到合闸命令1 011 ms后，大组滤波器母线差动保护动作，小组滤波器差动速断保护、变化量差动保护、比率差动保护和零差保护均动作，极控主机自动投入其他热备用小组滤波器，直流功率未损失。图1断路器罐体内部结构Fig.1Internal structure of circuit breaker tank图2合闸电阻内部结构Fig.2Internal structure of preinsertion resistor图3断路器合闸动作过程Fig.3Closing process of circuit breaker 2403故障分析情况3.1气体组分分析现场对7624三相断路器进行气体组分分析，发现B相、C相SF6气体组分均正常，无分解物；A相SO2体积分数54.9 L/L，H2S体积分数1.3 L/L、HF体积分数31 L/L、CO体积分数45 L/L，微水52.4 L/L。其中SO2、H2S气体体积分数严重超标(标准要求SO21 L/L，H2S1 L/L)，具体测量数据见表1。根据表1测量数据，确定A相分解物体积分数高，且SO2体积分数远超注意值，初步判断A相断路器内部存在严重放电故障。考虑到有一定量CO产生，内部故障位置涉及固体绝缘。3.2故障录波分析现场对故障录波数据进行分析，7624 A相断路器动作过程如下：合闸信号送至断路器，合闸电阻投入，产生9.3 kA合闸涌流，大电流流过合闸电阻，其热容量大幅增加，合闸电阻破损，该阶段持续12 ms。其后合闸电阻退出，合闸电流峰值恢复正常，该阶段持续918 ms。由于合闸电阻破损，其碎片掉落至罐底，与罐体形成放电通道，短路接地，电流瞬间达到41 kA，持续39.5 ms。7624 A相合闸故障情况时序图见图4。图47624 A相合闸故障情况时序图Fig.4Closing fault sequence of 7624 A phasecircuit breaker7624 A相断路器故障波形见图5。正常情况下，合闸电流波形会有合闸电阻投入时刻(a)、爬升及平滑过渡阶段(I)、合闸电阻退出时刻(b)、电流振荡阶段(II)。爬升及平滑过渡阶段，合闸电阻投入抑制合闸涌流，正常合闸电流波形平滑，无尖峰。电流振荡阶段，合闸电阻短接退出运行，合闸涌流增大，电流出现振荡，最后逐步趋同正弦波。正常运行时，滤波器母线电压母线电压755790 kV，根据最不利合闸情况分析，当断路器合闸于电压峰值时，Um=616645 kV，投入时合闸涌流峰值Im应不大于1 075 A。根据合闸电流波形，7624断路器接到合闸命令后，在合闸电阻投入的情况下，A相合闸电阻投入时间11.9 ms，B、C两相抑制合闸涌流时间分别为11、7.7 ms；A相合闸电阻投入时期有较大的暂态电流波形，合闸电流值最大达到9.3 kA，B、C相在抑制合闸涌流时期合闸电流值最大分别为832、444 A。在投入合闸电阻时期可明显发现，A相电流无平滑抑制过程，出现较大幅值的振荡波形，可判断合闸电阻失去作用。表17624 A相SF6气体检测测量数据Table 1SF6test data of 7624 A phase circuit breaker次数第1次第2次第3次第4次SO2/(LL-1)51.954.933.634.1H2S/(LL-1)0.00.01.31.1HF/(LL-1)超量程31.0CO/(LL-1)45.036.021.920.0微水/(LL-1)51.952.4纯度/%99.8299.8199.9599.96图57624 A相断路器故障波形Fig.5Fault wave shape of 7624 A phase circuit breaker开关设备程 锦.750 kV交流滤波器用断路器合闸电阻故障预判方法探究 2412023年8月第59卷第8期对7624近4次合闸电流波形对比分析，数据见表2，三相合闸电流在合闸电阻投入后均为平滑抑制波形；合闸电阻预投入时间8.411.6 ms，基本处于811 ms范围内；合闸电流峰值均不超过1 kA，说明此前合闸电阻运行状态良好，无内部故障。表27624 断路器合闸电流波形数据Table 2Closing circuit wave shape data of 7624circuit breaker时间0624062606280702三相合闸涌流抑制图形平滑/平滑/平滑平滑/平滑/平滑平滑/平滑/平滑振荡/平滑/平滑三相合闸涌流时间/ms11.6/9.0/11.510.2/8.2/9.98.4/8.0/8.611.9/11.0/7.7三相合闸涌流最大值/A940/610/810560/480/948370/290/6609 300/832/444备注正常正常正常故障4解体分析情况7624 A相断路器进行返厂，在厂内进行解体分析，解体情况见图6，发现断路器合闸电阻第2串电阻片全部破裂，相邻第1、3串电阻片受到不同程度的烧蚀及污染，合闸电阻外部屏蔽罩及对应罐体 7 点钟方向有放电烧蚀痕迹，其他所有部件未发现异常情况。根据解体情况确定故障分为两个阶段：第1阶段，合闸电阻片内壁涂层或基材局部破损，电压耐受能力下降，逐步发展引起电阻串贯穿性放电，电阻串内腔气体受电弧高温影响瞬间膨胀，导致部分电阻片破裂，产生碎片或颗粒；第2阶段，电阻片炸裂的碎块及异物附着在高电位屏蔽罩和地电位罐体上，引起场强畸变，导致高电位屏蔽罩与地电位罐体间发生短路故障。5预控措施及效果根据正常波形和故障波形对比，可发现交流滤波器断路器投入时，如合闸电阻故障，其合闸涌流抑制作用失效或减效，电流为振荡波形，电流峰值明显增长且大于1 000 A，抑制合闸涌流时间也大于11 ms。现场开展交流滤波器断路器合闸电流波形专项分析，发现7615 B相断路器、7625 B相断路器均在合闸初始阶段出现尖峰电流，电流波形见图7、8。7615断路器电流峰值为310 A/2.02 kA/860 A，抑制合闸涌流时间为7.9 ms/8.2 ms/11.3 ms；7625断路器电流峰值为580 A/4.26 kA/300 A，抑制合闸涌流时间为8.7 ms/11.8 ms/8 ms。结合初始阶段尖峰电流波形、电流峰值等参数，综合判定该两相断路器合闸电阻可能存在异常，现场退出运行将其锁定。图67624 A相解体情况Fig.6Disassembly of 7624 A phase circuit breaker结合X射线无损检测特点8，现场对这两相断路器开展X射线检测，见图9，发现7615 B相断路器、7625 B相断路器内部合闸电阻均存在裂纹。后期7615 B相断路器返厂解体，见图10，发现合闸电阻第三串非机构侧第2片、第5片、第12片、第20片电阻片破裂，且3串电阻串外表面均不同程 242度附着有黑色粉末。7625暂无停电窗口，现场保持锁定状态，尚未返厂解体。图77615 B相断路器合闸电流波形Fig.7Closing wave shape of 7615 B phase circuit breaker图87625 B相断路器合闸电流波形Fig.8Closing wave shape of 7625 B phase circuit breaker图9X射线检测Fig.9X ray inspection图107615 B相断路器解体Fig.10Disassembly of 7615 B phase circuit breaker开关设备程 锦.750 kV交流滤波器用断路器合闸电阻故障预判方法探究 2432023年8月第59卷第8期6结论根据现场实际应用，确认开展交流滤波器断路器合闸电流波形分析和X射线检测，可有效预判断路器内部合闸电阻故障，可从以下几个方面防止交流滤波器断路器跳闸：1)交流滤波器断路器合闸后，应分析合闸电流波形。通过合闸电阻投入爬升及抑制阶段出现尖峰电流、电流峰值超出1 000 A或与其他两相差异较大等特征，可初步判断交流滤波器断路器合闸电阻内部故障，其中抑制合闸涌流时间可供参考，如偏差不大不予考虑。2)通过合闸电流波形排查断路器异常后，可开展X射线检测，进一步判断合闸电阻状态。检测时，由熟悉设备内部结构专业人员指导，选取合适的视角，分段进行拍摄，确保拍摄角度便于观察。测试时，设置合适的X射线电压，保证X射线图谱清晰度及成像效果。3)现场确认断路器内部故障后，安排该断路器退出并在后台锁定，防止再次投入。4)基于合闸电阻结构的交流滤波器断路器多次发生跳闸故障，其内部结构存在隐患，对其进行改造，采用选相合闸结构断路器9-12。考虑运维地点环境情况，增加温度传感器，以对选相合闸装置进行温度补偿。参考文献：1牛勃，马飞越，温泉，等.一起800 kV断路器合闸后接地故障原因分析J宁夏电力，2020(3)：3238NIU Bo，MA Feiyue，WEN Quan，et al.Analysis of a groundfault for 800 kV circuit breakers closedJ.Ningxia 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