换流站交流滤波器场断路器故障分析_王兴照
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由 于 已 经 形 成 了 放 电 通 道 ， 在 上 次 放 电 9 ms 后， 母线电压翻转接近峰值， 同时由于上次击穿放 电，电容器侧电压又和母线侧电压相反，断路器两 端电压再次叠加， 在 79 ms 断路器两端电压又接近 最大值，在高电压作用下发生第二次击穿，短路电流 3 000 A，持续时间 5 ms。
以某换流站交流滤波器场断路器故障为例，首 先，描述故障发生过程、现场检查和故障录波情况； 然后，介绍故障开关三相的返厂解体检查情况，对比 三相灭弧室内粉末与油迹情况，最后，分析故障发生 的机理，并推理了灭弧室爆裂的起因及放电过程。
1 故障情况
1.1 故障发生过程 2015 年某日， 换流站直流功率由 100%额定功
Fault Analysis of Circuit Breaker in the AC Filter Field of Converter Stations
WANG Xingzhao， HUANG Rui， XING Haiwen， ZHOU Dazhou， LV Juntao
（State Grid Shandong Electric Power Company， Jinan 250001， China）
现场故障开关 C 相负荷侧灭弧室瓷套已完全爆 裂，断路器本体处于分闸位置，动静触头裸露在空气 中， 静主触头上部与动主触头下部有明显的电弧烧
61
第 43 卷（总第 220 期）
山东电力技术
SHANDONG DIANLI JISHU
2016 年第 3 期
蚀痕迹；瓷套 碎片散落在 周围 20 m 范围内 （最大瓷 片 300 mm×400 mm）， 除故障开关 A 相支柱的上瓷 套伞裙被炸裂的瓷片有轻微碰损外，其余设备完好， 如图 1。
第 43 卷（总第 220 期）
山东电力技术
SHAND6 年第 3 期
换流站交流滤波器场断路器故障分析
王兴照，黄 锐，邢海文，周大洲，吕俊涛
（国网山东省电力公司，济南 250001）
摘要：分析换流站交流滤波器场断路器的一种典型故障。 描述故障发生过程、断路器现场解体检查情况、断路器故障相和
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第 43 卷（总第 220 期）
山东电力技术
SHANDONG DIANLI JISHU
2016 年第 3 期
程中处于关键一环，发挥着承上启下的重要作用，担 负着全省工单处理质量及优质服务指标的管控工 作。 工单自动识别与分配技术在深入研究工单信息 与客服代表工作状态的基础上， 实现了两者的科学 匹配， 是提高服务响应效率和各项优质服务指标的 技术管控手段， 解决了工单状态与客服代表工作状 态脱节的问题及工单处理质量的责任归属问题。 经 过迎峰度夏及突发事件的检验， 验证了工单处理的 效果及效率。
由于断路器滤波器侧瓷套在两次重燃过程中受 大电流电弧灼伤，且高强瓷材料本身具有脆硬性，开 始出现裂纹、 漏气导致低压最终滤波器侧瓷套粉碎 性炸裂， 断路器两端的电压为母线电压和滤波电容 器上的电压叠加， 故障开关 C 相滤波器侧触头裸露 在空气中，母线侧灭弧室内仅有少量的 SF6 气体，两 个断口绝缘性能已经降到很低的程度。 2 s 时，触头 间出现电弧击穿，断路器两个断口击穿，通过持续电 流约 200 A， 形成断路器爆裂后持续的放电通道，由 于放电时间较长， 在滤波器侧灭弧室静触头上部和 动 触 头 下 部 出 现 大 片 的 烧 蚀 痕 迹 ， （下转第 74 页）
对 A、B 相开关进行均压电容值及介损测量，开 关机械特性、SF6 分解产物组分试验，试验结果正常。 2012 年 故 障 开 关 例 行 试 验 时 试 验 结 果 均 正 常 。 之 后，现场更换了三相开关本体，拆除后的断路器返厂 进行解体分析。
2 解体检查
2.1 故障相解体情况 对故障开关 C 相拆除并进行检查， 测量中间触
0 引言
为了实现传统高压直流输电系统的无功电压控 制和谐波控制， 交流母线侧需要并联大容量的无源 滤波器和电容器组，统一布置在交流滤波器场。 为了 实现电力滤波器和电容器组的投切， 两者均与断路 器相串联。 同时，直流输电系统输送的有功功率一般 按 照 日 调 度 计 划 进 行 安 排 ， 其 传 输 功 率 在 70%~ 100% 范 围 内 波 动 ，故 其 相 应 的 无 功 补 偿 装 置 也 要 进 行频繁地投切［1］。 交流 滤波器场断 路器的投 切频率 远远大于普通换流站的投切频率， 其运行状态直接 决定了高压直流输电系统的电压幅值和波形质量， 因此， 有必要对交流滤波器场断路器的典型故障进 行深入分析，以提高设备运行可靠性 。 ［2-5］
非故障相的返厂解体检查情况，并对灭弧室内的粉末和油迹进行分析比较。 阐述故障发生的原理、故障开关灭弧室爆裂
的起因和过程。 为类似断路器的设备检修提供有效参考。
关键词：断路器；换流站；交流滤波器场；故障分析
中 图 分 类 号 ：TM595
文 献 标 志 码 ：B
文 章 编 号 ：1007－9904（2016）03－0061－03
放电过程。 故障开关接到分闸命令后，正常分闸 并开断负载电流，电弧熄灭，假定电流熄灭时刻为 0 ms，根据现场故障录波分析，故障开关在电弧熄灭 后 70 ms，母线电压接近峰值，同 时由于电 容器上存 在残余电荷，电容器侧的电压和母线侧相反。 两者电 压叠加，在高电压作用下，由于存在金属粉末，母线 侧灭弧室发生沿瓷壁放电，该侧导通，断路器两端电 压全部施加在滤波器侧（瓷瓶爆炸侧）灭弧室断口， 该侧断口电压过高， 造成断口击穿的同时对瓷壁放 电（断口击穿点在灭弧室动测左上方，瓷壁击穿点为 母线侧静端主触头上部瓷壁），短路电流 5 700 A，持 续时间 2.8 ms。 断路器内部发生贯穿性击穿后，电容 器侧充电，并且电压方向和母线侧电压接近。
3 故障原因分析
3.1 机理分析 由于断路器负载为并联电容器， 按最严酷的情
况分析断路器的分闸过程， 当断路器在母线峰值电 压时分闸，电容器上的残余电压为母线电压的峰值， 断路器两端承受电压为母线交流电压和电容器直流 电压之差。
电流切断后 70 ms 时，第一次击穿重燃，断口间 恢复电压达到最大值；最大值为相电压峰值的 2 倍， 对 于 550 kV 产 品 约 为 900 kV。 不 考 虑 衰 减 ，79 ms 时，第二次击穿重燃，断口间恢复电压达到最大值。
头在气缸上的行程， 断路器分、 合闸行程尺寸正常 （229 mm），分、合闸到位，详细解体情况如图 3。 滤波 器侧灭弧室内的动、静触头有大片的电弧烧蚀痕迹，
2.2 非故障相解体情况 对 A 相进行解体检查， 两侧灭弧室触头烧蚀正
常，没有发现放电痕迹，在瓷套管内部有少量粉末和 油迹，如图 4。
（a）灭弧室内有粉末 （b）灭弧室内有油迹 图 4 A 相解体检查情况
率（4 000 MW）降至 70%过程中，某一组滤波器自动 切除时，C 相开关熄弧后电弧复燃，导致小组零序过 流保护动作， 启动大组母线失灵， 母线失灵保护动 作，跳开相邻开关，切除第二大组交流滤波器。
故 障 断 路 器 （型 号 LW15-550 ／ Y4000-63）为 常 规瓷柱式高压 SF6 断路器， 双断口结构，2010 年投 运，断路器负载为并联电容器，负载容性电流 200 A， 故障前该断路器已分合操作 934 次。 产品说明书中 提出断路器额定电流开断次数为 2000 次，超过时需 全面检修， 但是故障断路器操作次数未超过全面检 修要求值。 1.2 现场检查及故障录波情况
（a）滤 波 器 侧 灭 弧 室 （瓷套已炸裂侧）静触头
（b）滤 波 器 侧 灭 弧 室 （瓷套已炸裂侧）动触头
（c）母 线 侧 灭 弧 室 （瓷套完好侧）静触头
（d）母 线 侧 灭 弧 室 （瓷套完好侧）动触头
图 2 故障时序
（e）母 线 侧 灭 弧 室 （瓷 套 完 好 侧 ）延 面 放 电 及 异 物 图 3 故障开关 C 相解体检查情况
该侧灭弧室瓷瓶已经爆裂。 母线侧灭弧室瓷瓶完好， 动触头侧法兰上有明显的电弧烧蚀痕迹， 并在该侧 灭弧室内发现粉末和点状油迹， 在瓷套下方内壁有 发散性沿面放电痕迹。
图 1 断路器故障现场图片
通 过 故 障 录 波 图 分 析 后 发 现 ，C 相 开 关 在 成 功 开断后 70 ms 电弧复燃（电流峰值 5 700 A），72.8 ms 左右电流自然衰减消失；在 79 ms 再次复燃（电流峰 值 3 000 A），84 ms 左右电流自然衰减消失； 随后出 现补气报警（400 ms）及闭锁报警（600 ms），在 2 s 左 右（此时瓷套已炸裂）出现稳态电流 200 A（并联电容 器负载电流），9 s 时保护动作并切除故障断路器。 故 障期间的时序如图 2 所示。
3.2 灭弧室爆裂原因分析 灭弧室爆裂起因。 一般情况下在正常操作时会
产生金属屑，由于故障断路器经过长期操作（操作次 数为 934 次），随 着金属屑积 累到一定 程度 ，断路器 分闸运动过程中，在高压气流及电磁场作用下，金属 屑的位置会随之变化， 特别是断路器刚分闸后 10~ 100 ms，主要集中在断口下方瓷套表面，类似存在尖 端毛刺，引起电场畸变，使母线侧灭弧室套管从静主 触头起沿瓷壁发生贯穿性击穿， 滤波器侧灭弧室承 受两倍的电压 （一个断口承受两个断口的电压），引 起静触头对瓷壁的击穿，进而导致瓷套炸裂。
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第 43 卷（总第 220 期）
山东电力技术
SHANDONG DIANLI JISHU
2016 年第 3 期
对 B 相复装后进行工频耐压试验， 试验电压为 592 kV（型式试验电压 740 kV 的 80%），试验期间未 发生放电现象。 试验后对 B 相进行解体检查，在右侧 灭弧室瓷套内发现少量粉末，左侧未发现异物。 对触 头检查，烧蚀情况正常，磨损也正常。
（a）左侧套管内无粉末 （b）右侧套管内有粉末 图 5 B 相解体检查情况
2.3 灭弧室内粉末和油迹比较与分析 通过解体， 发现不同断路器灭弧室内的金属屑
的多少有差异，A 相左侧灭弧室瓷瓶内有粉尘、右侧 有少量油迹；B 相左侧无粉尘、右侧有粉尘；C 相左侧 有放电痕迹，右侧瓷瓶已爆裂。
对灭弧室内的粉尘进行了成分化验， 粉末主要 由 Si、Fe、Cr、Mn、Al、Ag 构成， 根据断路器灭弧室结 构，Si 主要来源为瓷套 表面的釉和 断路器内部 的润 滑脂；Fe 主要来源为灭弧室内活塞和拉杆的摩擦物； Cr 主要来源为触头材料， 触头为 Cu 和 Cr 合金 ；Al 主要来源为灭弧室内气缸的摩擦物；Ag 主要来源为 灭弧室内导电材料表面的镀银层， 其他微量元素为 杂材料， 综上分析灭弧室内的粉末主要为灭弧室内 零部件经过长期操作后的摩擦物。
Abstract: A type of circuit breaker （CB） fault of AC filter field is analyzed in the converter station. First， the failure process and local strip inspection are outlined. Then， the strip inspection of the CB fault phase and healthy phases returned to the factory are introduced， while the metal powder and oil in arc interrupters of different phases are analyzed and compared. Finally， the failure mechanism is analyzed when the reason and process of the CB arc interrupter explosion are given in detail. Hopefully this will prove to be of reference value for operation and maintenance of similar equipment. Key words: circuit breaker； converter station； AC filter field； fault analysis
以某换流站交流滤波器场断路器故障为例，首 先，描述故障发生过程、现场检查和故障录波情况； 然后，介绍故障开关三相的返厂解体检查情况，对比 三相灭弧室内粉末与油迹情况，最后，分析故障发生 的机理，并推理了灭弧室爆裂的起因及放电过程。
1 故障情况
1.1 故障发生过程 2015 年某日， 换流站直流功率由 100%额定功
Fault Analysis of Circuit Breaker in the AC Filter Field of Converter Stations
WANG Xingzhao， HUANG Rui， XING Haiwen， ZHOU Dazhou， LV Juntao
（State Grid Shandong Electric Power Company， Jinan 250001， China）
现场故障开关 C 相负荷侧灭弧室瓷套已完全爆 裂，断路器本体处于分闸位置，动静触头裸露在空气 中， 静主触头上部与动主触头下部有明显的电弧烧
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2016 年第 3 期
蚀痕迹；瓷套 碎片散落在 周围 20 m 范围内 （最大瓷 片 300 mm×400 mm）， 除故障开关 A 相支柱的上瓷 套伞裙被炸裂的瓷片有轻微碰损外，其余设备完好， 如图 1。
第 43 卷（总第 220 期）
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换流站交流滤波器场断路器故障分析
王兴照，黄 锐，邢海文，周大洲，吕俊涛
（国网山东省电力公司，济南 250001）
摘要：分析换流站交流滤波器场断路器的一种典型故障。 描述故障发生过程、断路器现场解体检查情况、断路器故障相和
63
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SHANDONG DIANLI JISHU
2016 年第 3 期
程中处于关键一环，发挥着承上启下的重要作用，担 负着全省工单处理质量及优质服务指标的管控工 作。 工单自动识别与分配技术在深入研究工单信息 与客服代表工作状态的基础上， 实现了两者的科学 匹配， 是提高服务响应效率和各项优质服务指标的 技术管控手段， 解决了工单状态与客服代表工作状 态脱节的问题及工单处理质量的责任归属问题。 经 过迎峰度夏及突发事件的检验， 验证了工单处理的 效果及效率。
由于断路器滤波器侧瓷套在两次重燃过程中受 大电流电弧灼伤，且高强瓷材料本身具有脆硬性，开 始出现裂纹、 漏气导致低压最终滤波器侧瓷套粉碎 性炸裂， 断路器两端的电压为母线电压和滤波电容 器上的电压叠加， 故障开关 C 相滤波器侧触头裸露 在空气中，母线侧灭弧室内仅有少量的 SF6 气体，两 个断口绝缘性能已经降到很低的程度。 2 s 时，触头 间出现电弧击穿，断路器两个断口击穿，通过持续电 流约 200 A， 形成断路器爆裂后持续的放电通道，由 于放电时间较长， 在滤波器侧灭弧室静触头上部和 动 触 头 下 部 出 现 大 片 的 烧 蚀 痕 迹 ， （下转第 74 页）
对 A、B 相开关进行均压电容值及介损测量，开 关机械特性、SF6 分解产物组分试验，试验结果正常。 2012 年 故 障 开 关 例 行 试 验 时 试 验 结 果 均 正 常 。 之 后，现场更换了三相开关本体，拆除后的断路器返厂 进行解体分析。
2 解体检查
2.1 故障相解体情况 对故障开关 C 相拆除并进行检查， 测量中间触
0 引言
为了实现传统高压直流输电系统的无功电压控 制和谐波控制， 交流母线侧需要并联大容量的无源 滤波器和电容器组，统一布置在交流滤波器场。 为了 实现电力滤波器和电容器组的投切， 两者均与断路 器相串联。 同时，直流输电系统输送的有功功率一般 按 照 日 调 度 计 划 进 行 安 排 ， 其 传 输 功 率 在 70%~ 100% 范 围 内 波 动 ，故 其 相 应 的 无 功 补 偿 装 置 也 要 进 行频繁地投切［1］。 交流 滤波器场断 路器的投 切频率 远远大于普通换流站的投切频率， 其运行状态直接 决定了高压直流输电系统的电压幅值和波形质量， 因此， 有必要对交流滤波器场断路器的典型故障进 行深入分析，以提高设备运行可靠性 。 ［2-5］
非故障相的返厂解体检查情况，并对灭弧室内的粉末和油迹进行分析比较。 阐述故障发生的原理、故障开关灭弧室爆裂
的起因和过程。 为类似断路器的设备检修提供有效参考。
关键词：断路器；换流站；交流滤波器场；故障分析
中 图 分 类 号 ：TM595
文 献 标 志 码 ：B
文 章 编 号 ：1007－9904（2016）03－0061－03
放电过程。 故障开关接到分闸命令后，正常分闸 并开断负载电流，电弧熄灭，假定电流熄灭时刻为 0 ms，根据现场故障录波分析，故障开关在电弧熄灭 后 70 ms，母线电压接近峰值，同 时由于电 容器上存 在残余电荷，电容器侧的电压和母线侧相反。 两者电 压叠加，在高电压作用下，由于存在金属粉末，母线 侧灭弧室发生沿瓷壁放电，该侧导通，断路器两端电 压全部施加在滤波器侧（瓷瓶爆炸侧）灭弧室断口， 该侧断口电压过高， 造成断口击穿的同时对瓷壁放 电（断口击穿点在灭弧室动测左上方，瓷壁击穿点为 母线侧静端主触头上部瓷壁），短路电流 5 700 A，持 续时间 2.8 ms。 断路器内部发生贯穿性击穿后，电容 器侧充电，并且电压方向和母线侧电压接近。
3 故障原因分析
3.1 机理分析 由于断路器负载为并联电容器， 按最严酷的情
况分析断路器的分闸过程， 当断路器在母线峰值电 压时分闸，电容器上的残余电压为母线电压的峰值， 断路器两端承受电压为母线交流电压和电容器直流 电压之差。
电流切断后 70 ms 时，第一次击穿重燃，断口间 恢复电压达到最大值；最大值为相电压峰值的 2 倍， 对 于 550 kV 产 品 约 为 900 kV。 不 考 虑 衰 减 ，79 ms 时，第二次击穿重燃，断口间恢复电压达到最大值。
头在气缸上的行程， 断路器分、 合闸行程尺寸正常 （229 mm），分、合闸到位，详细解体情况如图 3。 滤波 器侧灭弧室内的动、静触头有大片的电弧烧蚀痕迹，
2.2 非故障相解体情况 对 A 相进行解体检查， 两侧灭弧室触头烧蚀正
常，没有发现放电痕迹，在瓷套管内部有少量粉末和 油迹，如图 4。
（a）灭弧室内有粉末 （b）灭弧室内有油迹 图 4 A 相解体检查情况
率（4 000 MW）降至 70%过程中，某一组滤波器自动 切除时，C 相开关熄弧后电弧复燃，导致小组零序过 流保护动作， 启动大组母线失灵， 母线失灵保护动 作，跳开相邻开关，切除第二大组交流滤波器。
故 障 断 路 器 （型 号 LW15-550 ／ Y4000-63）为 常 规瓷柱式高压 SF6 断路器， 双断口结构，2010 年投 运，断路器负载为并联电容器，负载容性电流 200 A， 故障前该断路器已分合操作 934 次。 产品说明书中 提出断路器额定电流开断次数为 2000 次，超过时需 全面检修， 但是故障断路器操作次数未超过全面检 修要求值。 1.2 现场检查及故障录波情况
（a）滤 波 器 侧 灭 弧 室 （瓷套已炸裂侧）静触头
（b）滤 波 器 侧 灭 弧 室 （瓷套已炸裂侧）动触头
（c）母 线 侧 灭 弧 室 （瓷套完好侧）静触头
（d）母 线 侧 灭 弧 室 （瓷套完好侧）动触头
图 2 故障时序
（e）母 线 侧 灭 弧 室 （瓷 套 完 好 侧 ）延 面 放 电 及 异 物 图 3 故障开关 C 相解体检查情况
该侧灭弧室瓷瓶已经爆裂。 母线侧灭弧室瓷瓶完好， 动触头侧法兰上有明显的电弧烧蚀痕迹， 并在该侧 灭弧室内发现粉末和点状油迹， 在瓷套下方内壁有 发散性沿面放电痕迹。
图 1 断路器故障现场图片
通 过 故 障 录 波 图 分 析 后 发 现 ，C 相 开 关 在 成 功 开断后 70 ms 电弧复燃（电流峰值 5 700 A），72.8 ms 左右电流自然衰减消失；在 79 ms 再次复燃（电流峰 值 3 000 A），84 ms 左右电流自然衰减消失； 随后出 现补气报警（400 ms）及闭锁报警（600 ms），在 2 s 左 右（此时瓷套已炸裂）出现稳态电流 200 A（并联电容 器负载电流），9 s 时保护动作并切除故障断路器。 故 障期间的时序如图 2 所示。
3.2 灭弧室爆裂原因分析 灭弧室爆裂起因。 一般情况下在正常操作时会
产生金属屑，由于故障断路器经过长期操作（操作次 数为 934 次），随 着金属屑积 累到一定 程度 ，断路器 分闸运动过程中，在高压气流及电磁场作用下，金属 屑的位置会随之变化， 特别是断路器刚分闸后 10~ 100 ms，主要集中在断口下方瓷套表面，类似存在尖 端毛刺，引起电场畸变，使母线侧灭弧室套管从静主 触头起沿瓷壁发生贯穿性击穿， 滤波器侧灭弧室承 受两倍的电压 （一个断口承受两个断口的电压），引 起静触头对瓷壁的击穿，进而导致瓷套炸裂。
62
第 43 卷（总第 220 期）
山东电力技术
SHANDONG DIANLI JISHU
2016 年第 3 期
对 B 相复装后进行工频耐压试验， 试验电压为 592 kV（型式试验电压 740 kV 的 80%），试验期间未 发生放电现象。 试验后对 B 相进行解体检查，在右侧 灭弧室瓷套内发现少量粉末，左侧未发现异物。 对触 头检查，烧蚀情况正常，磨损也正常。
（a）左侧套管内无粉末 （b）右侧套管内有粉末 图 5 B 相解体检查情况
2.3 灭弧室内粉末和油迹比较与分析 通过解体， 发现不同断路器灭弧室内的金属屑
的多少有差异，A 相左侧灭弧室瓷瓶内有粉尘、右侧 有少量油迹；B 相左侧无粉尘、右侧有粉尘；C 相左侧 有放电痕迹，右侧瓷瓶已爆裂。
对灭弧室内的粉尘进行了成分化验， 粉末主要 由 Si、Fe、Cr、Mn、Al、Ag 构成， 根据断路器灭弧室结 构，Si 主要来源为瓷套 表面的釉和 断路器内部 的润 滑脂；Fe 主要来源为灭弧室内活塞和拉杆的摩擦物； Cr 主要来源为触头材料， 触头为 Cu 和 Cr 合金 ；Al 主要来源为灭弧室内气缸的摩擦物；Ag 主要来源为 灭弧室内导电材料表面的镀银层， 其他微量元素为 杂材料， 综上分析灭弧室内的粉末主要为灭弧室内 零部件经过长期操作后的摩擦物。
Abstract: A type of circuit breaker （CB） fault of AC filter field is analyzed in the converter station. First， the failure process and local strip inspection are outlined. Then， the strip inspection of the CB fault phase and healthy phases returned to the factory are introduced， while the metal powder and oil in arc interrupters of different phases are analyzed and compared. Finally， the failure mechanism is analyzed when the reason and process of the CB arc interrupter explosion are given in detail. Hopefully this will prove to be of reference value for operation and maintenance of similar equipment. Key words: circuit breaker； converter station； AC filter field； fault analysis