一起交直流混联系统事故原因分析及整改措施
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第 38 卷 第 5 期 2014 年 5 月
文章编号：1000-3673（2014）05-1328-06
电网技术 Power System Technology 中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 38 No. 5 May 2014
学科代码：470·4051
一起交直流混联系统事故原因分析及整改措施
2012 年 12 月 15 日 19:05，500 kV 砚西甲线检 修工作完成后恢复供电过程中，50221 隔离开关合 闸不到位，A 相持续电弧放电，B 相间歇性电弧放 电，19:18，5022 断路器 A 相断口电容爆炸，引发 A、B 相间短路故障，本次电网系统连锁反应的故 障发生。
本文对故障过程进行深入分析，并对其存在的 风险进行剖析，最后针对该故障提出优化建议，并 在现场得到应用，对南方电网及其他区域交直流混 联系统安全稳定运行具有重要意义。
由于 50221 隔离开关合闸不到位，A 相动、静 头间产生电弧放电放电，随着动、静触头间空气间 隙的燃弧、熄弧、重燃的循环过程，1 号母线向故 障断路器 5022 A 相 2 个均压电容和 500 kV 砚西甲 线反复充电，持续燃弧达 13 min，断口均压电容承 受了长时间高幅值、高频振荡过电压累积作用。
3
(零时刻) 均压电容器爆炸，5022 断路器 A、B 相间短路
4
3.4ms
肇庆换流站极 2 发生换相失败
5
3.7 ms
肇庆换流站极 1 发生换相失败
6
4 ms
广州换流站极 2 发生换相失败
7
5 ms
广州换流站极 1 发生换相失败
8
7.9 ms
穗东换流站极 1 发生换相失败
9
8 ms
穗东换流站极 2 发生换相失败
关键词：断路器爆炸；阀冷系统；换相失败；再启动；闭锁
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.05.031
0 引言
南方电网覆盖 5 省区，东西跨度近 2 000 km， 截至 2012 年底，网内 110 kV 及以上变电容量 7 亿 kVA、输电线路总长度 18 万 km，目前已经形成“8 交 5 直”13 条 500 kV 及以上大通道，是一个典型 交直流混合运行的区域电网[1-7]。
破损原因是基建工程安装过程中，由于施工作 业人员在电缆穿管或割剥时伤及该段电缆绝缘，但 尚未完全破损露出铜芯，交接试验时绝缘电阻测量 结果正常(大于 5 MΩ)。经过长期运行，电缆芯绝缘 皮逐渐老化，当合上控制电源，在电压的作用下， 电缆芯受损处对地短路。
正常运行情况下，50221 隔离开关控制电源空 气开关在断开位置，隔离开关控制回路不带电。12 月 15 日，在 50221 隔离开关合闸操作过程中，运 行人员将控制电源空气开关投入，此时电缆带电， 约 2 min 后进行隔离开关合闸操作，随着通电时间 延长，电缆芯对地泄漏电流不断增大，绝缘不断降 低，最终在隔离开关合闸到五分之四时对地(机构箱 体)绝缘击穿。
ABSTRACT: The cascading failure in China South Power Grid caused by an explosion accident of 500 kV circuit breaker is analyzed, and it is pointed out that the explosion accident of 500 kV circuit breaker occurred in Yandu substation simultaneously led to the commutation failures of three EHV/UHV DC transmission lines, i.e., the ±500 kV DC transmission line from Gaopo to Zhaoqing, the ±500 kV HVDC transmission line from Tianshengqiao to Guangzhou and the ±800 kV DC transmission line from Chuxiong to Suidong, and further the accident led to the forced outage of valve cooling system for Pole II of Guangzhou converter station. Because Zhaoqing converter station is electrically close to 500 kV Yandu substation, thus Zhaoqing converter station is subjected to the most severe affection, and the DC voltage of ±500 kV DC transmission line from Gaopo to Zhaoqing drastically fluctuated and a lot of harmonic components appeared and directly made the bipolar DC line under-voltage protection (27du/dt) acted. After the success bipolar re-starting of ±500 kV DC transmission line from Gaopo to Zhaoqing, the still existed forced outage of valve cooling system for pole II led to the pole II re-blocked. The author analyzes the spread of the accident as well as the related hidden danger, and proposes effective rectification measures to prevent the reoccurrence of similar cascading failures.
10
27 ms
广州换流站备自投检测到三回站用电进线电压低
11
Biblioteka Baidu
167 ms
高坡换流站极 1 第 3 套 27du/dt 保护动作
12
169 ms
高坡换流站极 1 第 1 套 27du/dt 保护动作
13
169 ms
高坡换流站极 1 第 2 套 27du/dt 保护动作
14
172 ms
高坡换流站极 2 第 1 套 27du/dt 保护动作
表 1 故障过程的事件 Tab. 1 Events list of fault process
序 开始时刻或相对
号
时间
发生事件
1
-13 min
砚都站操作 50221 隔离开关
2
-38 s
5022 断路器 A 相均压电容导通， 500 kV 砚西甲线 A 相带压运行
19:18:52.165
砚都站发生 500 kV 5022 断路器 A 相
广州换流站站用电采用三路电源供电，第 1、2 路电源取自站内 220 kV 母线，为主电源，第 3 路 电源取自江村变电站，为备用电源。
肇庆换流站双极阀冷主泵电源均采用双回路 冗余供电。事故发生前，极 1 阀冷系统运行于第 1 路交流电源，1 号主泵在运行状态(每个极有 2 台主 泵，1 台运行 1 台备用)；极 2 阀冷系统运行于第 2 路交流电源，1 号主泵在运行状态，极 1、极 2 阀 冷系统的交流电源均由 110 kV 换流乙线提供，110 kV 换流乙线为 220 kV 东岸站的 110 kV 出线，而 220 kV 东岸站进线砚东甲线接至 500 kV 砚都变电站。
第 38 卷 第 5 期
电网技术
1329
1 故障过程分析
2 故障原因分析
以砚都站 5022 断路器 A 相爆炸，绝对时间 19:18:52.165 为此次事件的相对起始时间 T0=0，故 障时间序列描述如下：
1）T= -13 min，砚都站 50221 隔离开关操作。 2）T= -38 s，砚都站 5022 断路器 A 相均压电 容导通，500 kV 砚西甲线 A 相带压运行。 3）T=0 s，砚都站 5022 断路器 A 相均压电容 器爆炸，5022 断路器 A、B 相间短路，紧接着天广 直流双极、高肇直流双极、楚穗直流双极 3 阀组均 发生换相失败，260 ms 后 5022 断路器失灵保护[8-11] 动作切除故障，砚都站 500 kV 2 号主变跳闸。 4）T=27 ms，广州换流站备自投检测到 3 回站 用电进线电压低，约半分钟后，极 2 阀冷却系统冷 却塔 1、2、3 故障，极 2 喷淋系统退出运行。 5）T=170 ms，高肇直流高坡换流站双极各 3 套直流保护中的低电压突变量保护(27du/dt)动作出 口(三取二出口)双极均 70%降压再启动成功[12-14]。 6）T=3 s，肇庆换流站极 2 阀冷系统 2 台主泵 交流电源空气开关先后跳开导致极 2 闭锁。 故障过程的事件列表如表 1 所示，表中的相对 时间均以 19:18:52.165 为零时刻。
肇庆换流站极 2 阀冷系统跳闸出口
20 3 045 ms
高坡换流站极 2 收到对站(肇庆换流站)ESOF (紧急停运)命令
2.1 交流系统一次设备故障原因分析 2.1.1 隔离开关合闸不到位原因分析
事件发生后，检查砚都站 500 kV 第二串联络 50221 隔离开关控制电源回路，发现 50221 隔离开 关汇控箱到 50221A 相隔离开关机构箱电缆芯对地 电阻为 0 Ω。将该段电缆从电缆沟及直埋钢管中抽 出后，发现靠近电缆拨口约 2 cm 处有绝缘破损， 破损点位置在电缆入机构箱交界面处。
15
172 ms
高坡换流站极 2 第 3 套 27du/dt 保护动作
16
173 ms
高坡换流站极 2 第 2 套 27du/dt 保护动作
广州换流站极 2 阀冷却系统冷却塔 1、2、3 故障，
17
744 ms
极 2 喷淋系统退出运行
18
593 ms
高肇直流极 1、极 2 再启动成功
19 3 010 ms
KEY WORDS: circuit breaker explosion; valve cooling system; commutation failure; restart; block
摘要：对南方电网系统一起 500 kV 断路器爆炸引起电网系 统连锁反应的事故进行分析，指出 500 kV 砚都站发生的断 路器爆炸造成高肇、天广、楚穗 3 回直流换相失败，并造成 广州换流站极 2 阀冷系统停运，肇庆换流站与 500 kV 砚都 站电气距离非常近，受到故障的影响最大，高肇直流电压发 生剧烈波动，出现大量谐波分量，直接导致双极直流线路低 电压保护 27 du/dt 动作，高肇直流双极再启动成功后，由于 肇庆换流站阀冷系统问题导致极 2 闭锁，同时对其存在的风 险进行深入剖析，最后提出有效的整改措施，防止类似事件 的再次发生。
电缆芯对地短路后，控制电源空气开关电流超 过空气开关整定值(6 A)，过流保护动作跳开，导致 50221 隔离开关控制回路失去电源，合闸停止，未 到位。图 1 为其故障示意图。
事件发生后，对控制电源空气开关进行试验， 过流保护动作正常，证明电缆芯对地短路后空气开 关跳闸正确。 2.1.2 断路器均压电容爆炸及断路器相间短路原因 分析
事故发生前广东电网 500 kV 砚都站(广东省肇 庆市境内)500 kV 交流场为 3/2 断路器接线方式，因 配合 500 kV 砚西甲线及砚都站侧断路器间隔检修 计划，500 kV 5021 断路器串联的 5022、5023 断路 器停电，仅 500 kV 2 号主变高压侧断路器 5021 带 2 号主变运行。
陈灿旭
（中国南方电网超高压输电公司广州局，广东省 广州市 510663）
Analysis on Cause of An Accident in AC/DC Hybrid System and Rectification Measures
CHEN Canxu
(Guangzhou Bureau,EHV Power Transmission Company, CSG, Guangzhou 510663, Guangdong Province, China)
文章编号：1000-3673（2014）05-1328-06
电网技术 Power System Technology 中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 38 No. 5 May 2014
学科代码：470·4051
一起交直流混联系统事故原因分析及整改措施
2012 年 12 月 15 日 19:05，500 kV 砚西甲线检 修工作完成后恢复供电过程中，50221 隔离开关合 闸不到位，A 相持续电弧放电，B 相间歇性电弧放 电，19:18，5022 断路器 A 相断口电容爆炸，引发 A、B 相间短路故障，本次电网系统连锁反应的故 障发生。
本文对故障过程进行深入分析，并对其存在的 风险进行剖析，最后针对该故障提出优化建议，并 在现场得到应用，对南方电网及其他区域交直流混 联系统安全稳定运行具有重要意义。
由于 50221 隔离开关合闸不到位，A 相动、静 头间产生电弧放电放电，随着动、静触头间空气间 隙的燃弧、熄弧、重燃的循环过程，1 号母线向故 障断路器 5022 A 相 2 个均压电容和 500 kV 砚西甲 线反复充电，持续燃弧达 13 min，断口均压电容承 受了长时间高幅值、高频振荡过电压累积作用。
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(零时刻) 均压电容器爆炸，5022 断路器 A、B 相间短路
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3.4ms
肇庆换流站极 2 发生换相失败
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肇庆换流站极 1 发生换相失败
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4 ms
广州换流站极 2 发生换相失败
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广州换流站极 1 发生换相失败
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穗东换流站极 1 发生换相失败
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穗东换流站极 2 发生换相失败
关键词：断路器爆炸；阀冷系统；换相失败；再启动；闭锁
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.05.031
0 引言
南方电网覆盖 5 省区，东西跨度近 2 000 km， 截至 2012 年底，网内 110 kV 及以上变电容量 7 亿 kVA、输电线路总长度 18 万 km，目前已经形成“8 交 5 直”13 条 500 kV 及以上大通道，是一个典型 交直流混合运行的区域电网[1-7]。
破损原因是基建工程安装过程中，由于施工作 业人员在电缆穿管或割剥时伤及该段电缆绝缘，但 尚未完全破损露出铜芯，交接试验时绝缘电阻测量 结果正常(大于 5 MΩ)。经过长期运行，电缆芯绝缘 皮逐渐老化，当合上控制电源，在电压的作用下， 电缆芯受损处对地短路。
正常运行情况下，50221 隔离开关控制电源空 气开关在断开位置，隔离开关控制回路不带电。12 月 15 日，在 50221 隔离开关合闸操作过程中，运 行人员将控制电源空气开关投入，此时电缆带电， 约 2 min 后进行隔离开关合闸操作，随着通电时间 延长，电缆芯对地泄漏电流不断增大，绝缘不断降 低，最终在隔离开关合闸到五分之四时对地(机构箱 体)绝缘击穿。
ABSTRACT: The cascading failure in China South Power Grid caused by an explosion accident of 500 kV circuit breaker is analyzed, and it is pointed out that the explosion accident of 500 kV circuit breaker occurred in Yandu substation simultaneously led to the commutation failures of three EHV/UHV DC transmission lines, i.e., the ±500 kV DC transmission line from Gaopo to Zhaoqing, the ±500 kV HVDC transmission line from Tianshengqiao to Guangzhou and the ±800 kV DC transmission line from Chuxiong to Suidong, and further the accident led to the forced outage of valve cooling system for Pole II of Guangzhou converter station. Because Zhaoqing converter station is electrically close to 500 kV Yandu substation, thus Zhaoqing converter station is subjected to the most severe affection, and the DC voltage of ±500 kV DC transmission line from Gaopo to Zhaoqing drastically fluctuated and a lot of harmonic components appeared and directly made the bipolar DC line under-voltage protection (27du/dt) acted. After the success bipolar re-starting of ±500 kV DC transmission line from Gaopo to Zhaoqing, the still existed forced outage of valve cooling system for pole II led to the pole II re-blocked. The author analyzes the spread of the accident as well as the related hidden danger, and proposes effective rectification measures to prevent the reoccurrence of similar cascading failures.
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27 ms
广州换流站备自投检测到三回站用电进线电压低
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Biblioteka Baidu
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高坡换流站极 1 第 3 套 27du/dt 保护动作
12
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高坡换流站极 1 第 1 套 27du/dt 保护动作
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高坡换流站极 1 第 2 套 27du/dt 保护动作
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高坡换流站极 2 第 1 套 27du/dt 保护动作
表 1 故障过程的事件 Tab. 1 Events list of fault process
序 开始时刻或相对
号
时间
发生事件
1
-13 min
砚都站操作 50221 隔离开关
2
-38 s
5022 断路器 A 相均压电容导通， 500 kV 砚西甲线 A 相带压运行
19:18:52.165
砚都站发生 500 kV 5022 断路器 A 相
广州换流站站用电采用三路电源供电，第 1、2 路电源取自站内 220 kV 母线，为主电源，第 3 路 电源取自江村变电站，为备用电源。
肇庆换流站双极阀冷主泵电源均采用双回路 冗余供电。事故发生前，极 1 阀冷系统运行于第 1 路交流电源，1 号主泵在运行状态(每个极有 2 台主 泵，1 台运行 1 台备用)；极 2 阀冷系统运行于第 2 路交流电源，1 号主泵在运行状态，极 1、极 2 阀 冷系统的交流电源均由 110 kV 换流乙线提供，110 kV 换流乙线为 220 kV 东岸站的 110 kV 出线，而 220 kV 东岸站进线砚东甲线接至 500 kV 砚都变电站。
第 38 卷 第 5 期
电网技术
1329
1 故障过程分析
2 故障原因分析
以砚都站 5022 断路器 A 相爆炸，绝对时间 19:18:52.165 为此次事件的相对起始时间 T0=0，故 障时间序列描述如下：
1）T= -13 min，砚都站 50221 隔离开关操作。 2）T= -38 s，砚都站 5022 断路器 A 相均压电 容导通，500 kV 砚西甲线 A 相带压运行。 3）T=0 s，砚都站 5022 断路器 A 相均压电容 器爆炸，5022 断路器 A、B 相间短路，紧接着天广 直流双极、高肇直流双极、楚穗直流双极 3 阀组均 发生换相失败，260 ms 后 5022 断路器失灵保护[8-11] 动作切除故障，砚都站 500 kV 2 号主变跳闸。 4）T=27 ms，广州换流站备自投检测到 3 回站 用电进线电压低，约半分钟后，极 2 阀冷却系统冷 却塔 1、2、3 故障，极 2 喷淋系统退出运行。 5）T=170 ms，高肇直流高坡换流站双极各 3 套直流保护中的低电压突变量保护(27du/dt)动作出 口(三取二出口)双极均 70%降压再启动成功[12-14]。 6）T=3 s，肇庆换流站极 2 阀冷系统 2 台主泵 交流电源空气开关先后跳开导致极 2 闭锁。 故障过程的事件列表如表 1 所示，表中的相对 时间均以 19:18:52.165 为零时刻。
肇庆换流站极 2 阀冷系统跳闸出口
20 3 045 ms
高坡换流站极 2 收到对站(肇庆换流站)ESOF (紧急停运)命令
2.1 交流系统一次设备故障原因分析 2.1.1 隔离开关合闸不到位原因分析
事件发生后，检查砚都站 500 kV 第二串联络 50221 隔离开关控制电源回路，发现 50221 隔离开 关汇控箱到 50221A 相隔离开关机构箱电缆芯对地 电阻为 0 Ω。将该段电缆从电缆沟及直埋钢管中抽 出后，发现靠近电缆拨口约 2 cm 处有绝缘破损， 破损点位置在电缆入机构箱交界面处。
15
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高坡换流站极 2 第 3 套 27du/dt 保护动作
16
173 ms
高坡换流站极 2 第 2 套 27du/dt 保护动作
广州换流站极 2 阀冷却系统冷却塔 1、2、3 故障，
17
744 ms
极 2 喷淋系统退出运行
18
593 ms
高肇直流极 1、极 2 再启动成功
19 3 010 ms
KEY WORDS: circuit breaker explosion; valve cooling system; commutation failure; restart; block
摘要：对南方电网系统一起 500 kV 断路器爆炸引起电网系 统连锁反应的事故进行分析，指出 500 kV 砚都站发生的断 路器爆炸造成高肇、天广、楚穗 3 回直流换相失败，并造成 广州换流站极 2 阀冷系统停运，肇庆换流站与 500 kV 砚都 站电气距离非常近，受到故障的影响最大，高肇直流电压发 生剧烈波动，出现大量谐波分量，直接导致双极直流线路低 电压保护 27 du/dt 动作，高肇直流双极再启动成功后，由于 肇庆换流站阀冷系统问题导致极 2 闭锁，同时对其存在的风 险进行深入剖析，最后提出有效的整改措施，防止类似事件 的再次发生。
电缆芯对地短路后，控制电源空气开关电流超 过空气开关整定值(6 A)，过流保护动作跳开，导致 50221 隔离开关控制回路失去电源，合闸停止，未 到位。图 1 为其故障示意图。
事件发生后，对控制电源空气开关进行试验， 过流保护动作正常，证明电缆芯对地短路后空气开 关跳闸正确。 2.1.2 断路器均压电容爆炸及断路器相间短路原因 分析
事故发生前广东电网 500 kV 砚都站(广东省肇 庆市境内)500 kV 交流场为 3/2 断路器接线方式，因 配合 500 kV 砚西甲线及砚都站侧断路器间隔检修 计划，500 kV 5021 断路器串联的 5022、5023 断路 器停电，仅 500 kV 2 号主变高压侧断路器 5021 带 2 号主变运行。
陈灿旭
（中国南方电网超高压输电公司广州局，广东省 广州市 510663）
Analysis on Cause of An Accident in AC/DC Hybrid System and Rectification Measures
CHEN Canxu
(Guangzhou Bureau,EHV Power Transmission Company, CSG, Guangzhou 510663, Guangdong Province, China)