直流输电接地极线路招弧角故障的探讨

直流输电接地极线路招弧角故障的探讨

王宝成

（国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司028000）

摘要：直流输电线路主要用于连接跨区域电网，接地极线路是其重要组成部分。接地极线路招弧角会因为操作过电压或雷击过电压引起电弧燃烧，引发掉线事故影响线路运行。通过分析故障原因，调整线路绝缘配置，改进招弧角的结构能够自动熄灭电弧，避免招弧角电弧持续燃烧，烧断金具或绝缘子引发掉线及直流系统故障。

关键词：直流接地极线路；招弧角

1引言

随着我国电力的发展，±500kV直流线路已经成为连接跨区电网的特高压电网的重要组成部分，并且建有接地极极址及接地极线路。但由于接地极线路招弧角运行电弧不能可靠熄灭的问题，没有解决严重影响±500kV直流线路运行的可靠性。

±500kV直流线路是连接区域电网大负荷输送电能的主要线路，可用于连接不通频率的电网。正常运行时极1或极2分别带有±500kV电压电能通过极1极2构成的金属回路输送负荷，当极1或极2故障换流站设备故障时为继续输送电能需要改变运行方式通过极1或极2与大地经过接地极极址及接地极线路构成的大地回路输送电能。为保证接地极线路的可靠运行，接地极线路设计有招弧角避免绝缘子击穿发生掉线事故。但是招弧角放电时引发直流系统故障。

2接地极线路招弧角的作用及结构

±35kV接地极线路是±500kV直流输电线路的附属设备，电压等级为±35kV。起点位于换流站，终点位于接地极基址止。线路采用±35kV双回直流输电。导线为两分裂LGJ630/45型、导线间距50cm。一根地线为GJ/80型，本线路全部采用瓷质绝缘子（绝缘子型号XZP-160、XZP-210）[1]直线塔绝缘子串数2串：分右线侧1串、左线侧1串；形式：单联XZP-160；每串数量：3片。耐张塔绝缘子串数：8串；形式：双联XZP-210；每串数量：4片。设计全线安装导线招弧角：招弧角放电间隙200—300mm。直线塔绝缘子XZP-160爬电距离：545mm，雷电冲击耐受电压140kV，工频击穿电压130kV。铁塔型式：全线采用上字型铁塔。

电气特性要求：1.正常额定电流3000A，2.最大持续入地电流3300A，3.最大短时入地电流4050A500kV直流线路当极1或极2故障或换流站设备故障时，为继续输送电能需要改变运行方式通过极1或极2与大地经过接地极极址及接地极线路构成的大地回路输送电能。会产生操作过电压，或接地极线路遭受雷击时会产生雷击过电压。由于接地极线路运行电压为±35kV但额定电流有3000A。为避免过雷击或操作过电压击穿绝缘子，大电流通过绝缘子及金具烧断绝缘子及金具，在每串绝缘子都安装有招弧角，当发生过电压时招弧角先击穿放电防止大电流通过绝缘子。

图1接地极线路直线串绝缘子及招弧角

图2接地极线路耐张串绝缘子及招弧角

图3接地极线路金具组装图

招弧角8分两部份组成，分别安装在导线侧金具2上，中间的间隙在招弧角放电间隙200—300mm。当线路遭受雷击或操作过电压时击穿放电电弧不沿绝缘子串表面或内部击穿而是击穿两招弧角间的空气放电。从而防止放电电弧对电瓷体及连接金具造成烧伤，如图1为接地极线路金具组装图。

为了可靠地保护绝缘子，一般两招弧角间的雷击冲击放电电压为绝缘子串雷击冲击放电电压的85%，有些设计的更低，只有72%，甚至低到61.5%，这些配合是确保雷击放电或操作过电压100%在招弧角空气间隙中发生，但是却使线路的耐过电压水平大大降低。

一般直流接地极线路两端招弧角间隙较大，出口-15%段招弧角间隙为220mm15%-45%段招弧角间隙为190mm，45%-70%段招弧角间隙为160mm70%极址招弧角间隙为130mm。有利于发生操作过电压时最大限度的不发生招弧角间隙击穿。

3接地极线路招弧角故障原因分析及预防

3.1接地极线路招弧角发电原因分析

3.1.1操作过电压引起招弧角放电

当±500kV直流线路故障或换流站站内故障造成单级闭锁回立即转为大地回路运行时，接地极线路需承受操作过电压，有时高达150kV甚至更高。会造成接地极线路换流站出口处的招弧角为保护接地极线路绝缘子串不被击穿而发生招弧角间隙放电。由于空气被击穿后绝缘电阻降低，直流电压即使过电压已经消失正常电压仍然能够保持电弧继续燃烧。且由于接地极线路运行电压为直流电，电压没有交流电的过零点所以电弧不易熄灭。3000A的大电流产生的电弧燃烧会产生3000度的高温，烧化绝缘子及连接金具导致绝缘子钢帽炸裂、导线脱落[2]。

接地极线路操作过电压一般先冲击接地极线路两端的招弧角，换流站侧的接地极线路过电压大于极址侧的接地极线路过电压。发生招弧角间隙放电过电压较小时，由于电弧产生的热量被周围空气及放电间隙等金具吸收很快电弧熄灭，会造成接地极线路两侧导线电流不平衡，系统报警。保护装置会发出信号，使接地极线路再启动。由于，瞬间电压降低造成电弧熄灭。或是转为站内临时接地极运行，待分析原因确定站外接地极线路正常后重新投入运行。但要求通知接地极线路运行管理单位，组织巡视查找放电的招弧角。确认放电点，分析原因避免重复发生操作过电压引起的接地极线路招弧角电弧持续燃烧。

3.1.2故障过电压引起招弧角放电

5月30日22时43分，晴，无风，换流站伊穆直流极II闭锁，极II闭锁前运行方式为：极II单极大地回线方式运行，极II平波电抗器本体重瓦斯跳闸。同时接地极产生120kV过电压，故障电流2万A时长30ms定值50毫秒不平衡定值60A启动。IDEL1是正极位于线路左侧站内招弧角间隙150mm，IDEL2是负极站内招弧角间隙160mm发生放电。后调整为390mm.当接地极线路招弧角，安装间隙较小时，会频发发生过电压击穿招弧角。

图4招弧角放电烧伤痕迹

3.1.3雷击过电压或异物短路招弧角引起招弧角放电

接地极线路正常运行时接地极电压9kVIDEL1、IDEL2电流1安，当异物短路招弧角或雷击过电压击穿站内招弧角后。接地极线路接地电流会上升至1400A，电流增大引起中性电压波动升高，引起系统电压及电流波动。电压波动后引起接地极线路电压持续升高，招弧角放电电流持续加大。如此循环，在30ms内接地极差流达到3000-25000A。造成平波电抗器本体产气，重瓦斯跳闸或套管击穿设备跳闸甚至引起火灾事故。

4接地极线路招弧角故障的预防

接地极线路招弧角故障可以通过提高绝缘配置，加大招弧角距离的措施降低招弧角放电概率。

4.1操作过电压招弧角放电的预防

接地极线路招弧角承受的操作过电压达120kV以上，将线路绝缘配置由3片XZP-160绝缘子提高至4片绝缘子，招弧角放电间隙调整至390-420mm大于最小170mm的最小放电距离要求，完全能够承受运行操作过电压引起的放电事故。

4.2故障过电压招弧角放电的预防

故障电压可以在3.5ms由9kV升高到127.1332kV，将线路绝缘配置由3片XZP-160绝缘子提高至4片绝缘子，招弧角放电间隙调整至390-420mm大于最小170mm的最小放电距离要求，完全能够承受故障过电压引起的放电事故。

4.3雷击过电压或异物短路招弧角引起招弧角放电的预防

特高压线路其雷害比一般输电线路严重，线路更易发生绕击雷害。因此，原有较低电压输电线路的计算方法和计算参数有一定局限性或不适用。[3]雷击过电压根据接地电阻不同及避雷线保护角，可能在接地极线路产生高达上百千伏的过电压。设计标准依GB50545-2010《110kV-750kV架空输电线路设计规范》7.0.2要求接地极线路的绝缘配置由3片XZP-160绝缘子提高至10片绝缘子[4]，招弧角放电间隙调整至950-1000mm大于雷击最小800mm的最小放电距离要求，完全能够承受雷击过电压引起的放电事故。但须核对塔头尺寸及风偏导线对地距离。

异物短路放电属于小概率事件但是有可能发生，根据《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》6.1.1.1条在特殊地形、极端恶劣气象环境条件下重要输电线路通道宜采取差异化设计，适当提高重要线路防冰、防洪、防风等设防水平。[5]要对金具及绝缘子串附近导线加装绝缘护套。有外破隐患的区段及时清除外破隐患，必要时加高杆塔在线路下方加装防外破保护线。

但由于过电压击穿接地极线路招弧角间隙空气绝缘后仅需较低电压就能维持燃烧，特别是过电压较高电弧燃烧教剧烈时。如果遇到换流站保护装置拒动或运行人员经验不足，会造成招弧角电弧持续燃烧酿成事故。可以通过将招弧角更换为自动灭弧式招弧角来避免电弧持续燃烧造成接地极线路招弧角故障。

由于，接地极线路招弧角轻微放电烧伤巡视不易发现，需将接地极线路招弧角更换为自动灭弧式招弧角。当发生接地极线路过电压，击穿接地极线路招弧角间隙且电弧持续燃烧时，招弧角上涂有新型产气灭弧材料。新型产气灭弧材料由脲醛树脂和产气组份当招弧角放电产生电弧时，CO、NH、HCH2CH基团，在电弧的高温作用下，可分解产生大量气体包括H2、CO2、NH3等气体，这些成分都有助于熄灭电弧。产气组份当电弧燃烧时分解产生水蒸气的过程是吸热过程能降低弧柱的温度，同时，水蒸气与赤热碳作用可以产生CO和H2也有助于熄灭电弧即：AL（OH）3→H2O+AL2O3和H2O+C→CO+H2热分解所产生的电负性大的气体分子易于电子结合成负离子，使自由电子数减少，从而减弱了电极间隙间电子的碰撞能力和降低了再击穿的可能性。

自动灭弧式招弧角的下端招弧角当电弧燃烧剧烈没有熄灭时，可以自动跌落拉长招弧角间的间隙促使电弧熄灭。避免电弧持续燃烧，输电线路巡视人员可以通过发现自动灭弧式招弧角跌落快速确定发生接地极线路招弧角间隙击穿放电的招弧角。

5结束语

目前，我国接地极线路及换流站设备故障较多。分析原因可能是与接地极线路设计标准低，招弧角套用日本等过交流线路防雷措施。加上直流防电痕迹不明显，世界上缺少直流接地极线路及招弧角运维经验，接地极线路没有故障测距装置。造成接地极线路招弧角发生放电故障后不易被发现，直流系统故障始终找不到切实有效的预防方法。经过大量直流故障分析认为。通过对接地极线路的绝缘配置改造，配合招弧角调整、加装绝缘护套等措施，可以有效降低接地极线路招弧角放电的概率避免直流系统发生电压、电流波动，降低直流系统故障概率，保证跨区直流输电系统的安全可靠运行。

参考文献：

[1]董吉谔.电力金具手册[M].北京：中国电力出版社，2000.

[2]祝永坤.内蒙古电力技术[J].内蒙古电力技术，2014，32卷（6）期111-113.

[3]刘振亚.特高压直流输电线路维护与检测[M].北京：中国电力出版社，2009.

[4]中国电力企业联合会.110kV-500kV架空输电线路设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010.

[5]国家电网公司.国家电网公司十八项电网重大反事故措施（修订版）[M].北京：中国电力出版社，2012.

作者简介：

王宝成（1978.12-），男，汉族，黑龙江省龙江县，国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，助理工程师，现从事输电线路运维专业工作。