復(fù)龍換流站飽和保護(hù)異常情況分析

， ，

(國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

0 引 言

飽和保護(hù)是為了防止當(dāng)換流變壓器流過(guò)直流電流時(shí)，產(chǎn)生的較大、不對(duì)稱的勵(lì)磁電流造成換流變壓器熱損毀。下面主要結(jié)合換流變壓器飽和保護(hù)配置和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，分析復(fù)龍換流站換流變壓器飽和保護(hù)存在的異常情況，并提出改進(jìn)建議。

1 復(fù)龍換流站飽和保護(hù)的配置及原理

飽和保護(hù)是為了防止直流電流流經(jīng)換流變壓器引起鐵心飽和，造成換流變壓器熱損毀。而換流變壓器鐵心飽和程度是無(wú)法測(cè)量的，故判斷換流變壓器是否飽和最好的指標(biāo)之一是畸變的直流偏磁電流[1]。復(fù)龍換流站換流變壓器保護(hù)采用的是南瑞的RCS977D保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置中的換流變壓器飽和保護(hù)，是由保護(hù)裝置通過(guò)檢測(cè)接地支路的自產(chǎn)零序電流峰值來(lái)進(jìn)行飽和保護(hù)判斷。裝置將換流變壓器流過(guò)的直流電流、零序電流和運(yùn)行時(shí)間的對(duì)應(yīng)表，線性化為一條反時(shí)限動(dòng)作曲線，并根據(jù)零序電流進(jìn)行反時(shí)限累計(jì)判斷。勵(lì)磁電流峰值越大，允許運(yùn)行的時(shí)間越短。飽和保護(hù)的控制邏輯見(jiàn)圖1[2]。

圖1 飽和保護(hù)控制邏輯

飽和保護(hù)的壓板投入之后，當(dāng)測(cè)得的換流變壓器零序電流峰值大于整定報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警并啟動(dòng)反時(shí)限延時(shí)計(jì)時(shí)。當(dāng)滿足飽和反時(shí)限動(dòng)作條件時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)反延時(shí)曲線計(jì)算出反時(shí)限延時(shí)，當(dāng)時(shí)間到達(dá)延時(shí)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)出口動(dòng)作。

由于飽和保護(hù)動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，并且可能由于直流控制，系統(tǒng)的不恰當(dāng)控制導(dǎo)致較大直流流過(guò)換流變壓器，在反時(shí)限累計(jì)時(shí)間達(dá)到定值的70%時(shí)裝置將告警，并輸出控制系統(tǒng)切換信號(hào)以切換控制系統(tǒng)。換流變壓器飽和保護(hù)定值如表1所示。

表1 飽和保護(hù)定值表

2 飽和保護(hù)出現(xiàn)的異常情況分析及建議

2.1 換流變壓器充電后經(jīng)常出現(xiàn)飽和保護(hù)報(bào)警問(wèn)題分析

換流變壓器缺陷處理與年度檢修完畢，當(dāng)處于冷備用或檢修狀態(tài)的換流變壓器充電時(shí)，經(jīng)常會(huì)有換流變壓器飽和保護(hù)報(bào)警。

換流變壓器充電后，經(jīng)過(guò)半個(gè)周期，變壓器的鐵心將嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流劇烈增大，很有可能導(dǎo)致零序電流增大超過(guò)飽和保護(hù)定值。而勵(lì)磁涌流的大小及衰減時(shí)間，與外加電壓的相位、鐵心性質(zhì)等都有關(guān)系。一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。因此大容量的空載換流變壓器涌流持續(xù)的時(shí)間最長(zhǎng)。故大容量換流變壓器充電時(shí)，很可能會(huì)引發(fā)飽和保護(hù)報(bào)警[3]。

換流變壓器充電時(shí)出現(xiàn)飽和保護(hù)報(bào)警是常見(jiàn)情況，但是運(yùn)行人員應(yīng)手動(dòng)觸發(fā)并查看直流閥組故障錄波與換流變壓器保護(hù)錄波，分析對(duì)比零序電流變化趨勢(shì)有無(wú)單相閥側(cè)電流偏差過(guò)大。若零序電流無(wú)衰減趨勢(shì)，在兩套換流變壓器保護(hù)中飽和保護(hù)反時(shí)限累計(jì)時(shí)間達(dá)到定值的70%時(shí)，切換控制系統(tǒng)后申請(qǐng)國(guó)調(diào)退出相應(yīng)閥組；若對(duì)比發(fā)現(xiàn)單相閥側(cè)電流偏差過(guò)大，則應(yīng)切換相應(yīng)閥組的控制系統(tǒng)并再次對(duì)比分析閥側(cè)電流的偏差，若此時(shí)閥側(cè)電流仍偏差過(guò)大，也應(yīng)在兩套換流變壓器保護(hù)中飽和保護(hù)反時(shí)限累計(jì)時(shí)間達(dá)到定值的70%時(shí)切換控制系統(tǒng)后申請(qǐng)國(guó)調(diào)退出相應(yīng)閥組。

換流變壓器充電時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)飽和保護(hù)啟動(dòng)報(bào)警甚至跳閘，主要因?yàn)閾Q流變壓器充電后的鐵心將嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流劇烈增大，很有可能導(dǎo)致零序電流超過(guò)飽和保護(hù)定值。運(yùn)維人員該如何避免此類跳閘情況出現(xiàn)：一是換流變壓器檢修后做好換流變壓器消磁工作；二是修改保護(hù)軟件增加飽和保護(hù)計(jì)時(shí)啟動(dòng)積分開始的延時(shí)時(shí)間，以躲過(guò)換流變壓器勵(lì)磁涌流。

復(fù)龍換流站飽和保護(hù)啟動(dòng)邏輯可以簡(jiǎn)單概述為：當(dāng)換流變壓器零序電流峰值大于定值時(shí)(無(wú)延時(shí))，換流變壓器保護(hù)啟動(dòng)反時(shí)限延時(shí)計(jì)時(shí)積分。從實(shí)際運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，換流變壓器飽和保護(hù)確實(shí)未設(shè)置延時(shí)時(shí)間，只要換流變壓器零序電流峰值大于定值，立即啟動(dòng)反時(shí)限延時(shí)計(jì)時(shí)積分。

查看奉賢換流站飽和保護(hù)軟件圖(見(jiàn)圖2)，可知當(dāng)奉賢換流站換流變壓器零序電流峰值大于定值時(shí)，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后，換流變壓器保護(hù)才啟動(dòng)反時(shí)限延時(shí)計(jì)時(shí)積分。軟件中專門設(shè)置了延時(shí)避免換流變壓器充電時(shí)勵(lì)磁涌流導(dǎo)致飽和保護(hù)動(dòng)作。在2011年5月7日奉賢換流站換流變壓器充電時(shí)飽和保護(hù)動(dòng)作跳閘后，奉賢換流站運(yùn)維人員分析判斷原有10 s延時(shí)不足以避開換流變壓器充電時(shí)勵(lì)磁涌流導(dǎo)致飽和保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，并將延時(shí)由10 s修改為30 s。據(jù)此認(rèn)為復(fù)龍換流站換流變壓器飽和保護(hù)也有必要增加保護(hù)啟動(dòng)延時(shí)，避免換流變壓器充電時(shí)勵(lì)磁涌流導(dǎo)致飽和保護(hù)頻繁報(bào)警甚至動(dòng)作跳閘。

圖2 奉賢站飽和保護(hù)軟件

2.2 復(fù)龍換流站飽和保護(hù)報(bào)警設(shè)置問(wèn)題

復(fù)龍換流站換流變壓器保護(hù)報(bào)警有兩類：一類是通過(guò)軟報(bào)文方式上傳至服務(wù)器,主要包括保護(hù)壓板投退信息、保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)等；另一類是通過(guò)硬接點(diǎn)方式上傳至服務(wù)器，主要是保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。復(fù)龍換流站換流變壓器飽和保護(hù)啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)是采用軟報(bào)文形式報(bào)出，即通過(guò)圖3的方式將報(bào)文上傳至服務(wù)器，此信號(hào)為灰色正常事件，無(wú)計(jì)時(shí)累計(jì)時(shí)間與飽和段位顯示。此種信號(hào)傳輸方式經(jīng)過(guò)的設(shè)備繁多，當(dāng)中的交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換模塊、保護(hù)裝置通信插件、網(wǎng)口、網(wǎng)線、光纖等任一設(shè)備出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致通訊故障事件無(wú)法正常上傳。以往復(fù)龍換流站曾多次出現(xiàn)類似故障，且目前極Ⅱ高端換流變壓器保護(hù)裝置仍存在此類故障。換流變壓器飽和保護(hù)啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)是非常重要的事件信息，若無(wú)此信息，運(yùn)行人員將無(wú)法第一時(shí)間掌握換流變壓器飽和保護(hù)動(dòng)態(tài)，將沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、對(duì)比并進(jìn)行處理，只能等到飽和保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致系統(tǒng)切換才能得知保護(hù)啟動(dòng)信息(此時(shí)反時(shí)限累計(jì)時(shí)間已達(dá)到定值的70%)，浪費(fèi)了大量時(shí)間，很有可能錯(cuò)過(guò)事故處理的黃金時(shí)期。

圖3 換流變壓器軟報(bào)文事件上傳

針對(duì)上述問(wèn)題，建議應(yīng)采取下列措施：1)在飽和保護(hù)信號(hào)傳輸方式未改動(dòng)的情況下，運(yùn)維人員精心巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置通訊故障情況并及時(shí)處理，保證飽和保護(hù)信號(hào)正確及時(shí)地傳輸。2)在保護(hù)裝置通訊故障暫時(shí)無(wú)法處理時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視：在方式變動(dòng)、系統(tǒng)擾動(dòng)、復(fù)奉與賓金直流不平衡運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行保護(hù)裝置事件查看；若有其他閥組出現(xiàn)飽和保護(hù)啟動(dòng)報(bào)警時(shí)，也應(yīng)立即檢查通訊故障換流變壓器保護(hù)裝置。3)研究可行性方案，減少軟報(bào)文信號(hào)傳輸?shù)闹虚g環(huán)節(jié)，提高信號(hào)傳輸可靠性。4)將飽和保護(hù)計(jì)時(shí)啟動(dòng)信號(hào)修改為硬接點(diǎn)報(bào)文上傳方式，使飽和保護(hù)計(jì)時(shí)啟動(dòng)信號(hào)同其他保護(hù)動(dòng)作信號(hào)、模擬量信號(hào)采取一樣的傳輸方式，即保護(hù)裝置輸出一副信號(hào)接點(diǎn)，經(jīng)信號(hào)端子直接上傳至CMI，由CMI傳送給CCP將報(bào)警報(bào)出。5)增加報(bào)警的時(shí)效性，換流變壓器飽和保護(hù)動(dòng)作時(shí)，不能及時(shí)向后臺(tái)報(bào)送計(jì)時(shí)啟動(dòng)的飽和保護(hù)段別，由于運(yùn)行人員難以掌握其動(dòng)作時(shí)限，建議上傳更加詳細(xì)的信息。

2.3 宜賓換流站飽和保護(hù)跳閘分析及建議

2014年6月10日，宜賓換流站接地極線路處于檢修狀態(tài)，極Ⅱ高端換流變壓器處于充電狀態(tài)。復(fù)龍換流站操作將復(fù)奉直流由單極金屬回線運(yùn)行轉(zhuǎn)為單極大地回線運(yùn)行，宜賓換流站極Ⅱ高端換流變壓器飽和保護(hù)動(dòng)作跳閘。分析此次宜賓站極Ⅱ高端換流變壓器飽和保護(hù)跳閘的原因?yàn)椋簭?fù)奉直流復(fù)龍換流站與賓金直流宜賓換流站為共用接地極(共樂(lè)接地極)，當(dāng)其中一個(gè)直流系統(tǒng)單極大地運(yùn)行，另一直流系統(tǒng)接地極線路檢修時(shí)，接地極直流電流將分流，一部分進(jìn)入接地極線路檢修站的變壓器接地網(wǎng)，導(dǎo)致?lián)Q流變壓器發(fā)生直流偏磁。

為了解共樂(lè)接地極電流分配情況以及接地線路檢修對(duì)直流系統(tǒng)和換流變壓器直流偏磁的影響程度，在復(fù)龍換流站2014年大修時(shí)對(duì)共樂(lè)接地極電流分流進(jìn)行了實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)結(jié)果為：復(fù)奉直流單極大地回線運(yùn)行、宜賓換流站接地極線路檢修時(shí)，共樂(lè)接地極約有1/8直流電流流入宜賓換流站接地網(wǎng)；賓金直流單極大地回線運(yùn)行、復(fù)龍換流站接地極線路檢修時(shí)，共樂(lè)接地極約有1/6的直流電流流入復(fù)龍換流站接地網(wǎng)；換流變壓器零序電流與接地極直流電流流入接地網(wǎng)的電流成正比。

宜賓換流站“6·10”極Ⅱ高端換流變壓器跳閘與近期宜賓換流站“7·13”極Ⅰ高端換流變壓器跳閘均是因?yàn)橹绷麟娏髁魅氪蟮?，部分電流?jīng)大地、換流變壓器中性點(diǎn)流入變壓器，引起換流變壓器飽和保護(hù)動(dòng)作跳閘。為避免直流電流經(jīng)換流變壓器中性點(diǎn)流入變壓器，最有效方法是將換流變壓器中性點(diǎn)經(jīng)一低壓低流單向?qū)ㄑb置接地。但是目前暫時(shí)沒(méi)有這種低壓低流零損耗的單向?qū)ú牧?。文獻(xiàn)[1]提出了以下幾種可行性方法：1)反向電流法：在變壓器中性點(diǎn)接入一個(gè)直流發(fā)生裝置，產(chǎn)生一個(gè)與直流接地極電流大小相等、方向相反的直流進(jìn)行補(bǔ)償，以此來(lái)抑制變壓器直流偏磁。2)中性點(diǎn)接電阻法：變壓器中性點(diǎn)串接電阻器后再接地，增大了直流電流的電阻，減少了進(jìn)入變壓器的直流電流，達(dá)到緩解直流偏磁的效果。3)電容器隔直法：電容器具有“隔直通交”的特性，可以達(dá)到抑制直流電流的目的。在直流偏磁嚴(yán)重的換流站可以考慮采取上述方法，消除直流電流經(jīng)大地、換流變壓器中性點(diǎn)流入變壓器引起換流變壓器飽和保護(hù)動(dòng)作跳閘的隱患。

2.4 “6·10”復(fù)龍換流站換流變壓器飽和保護(hù)動(dòng)作事件分析及建議

2015年6月10日上午，極Ⅱ高端閥控系統(tǒng)由B套切換至A套后，極Ⅱ高、低端相繼出現(xiàn)飽和保護(hù)動(dòng)作，其中極Ⅱ低端換流變壓器飽和保護(hù)A套發(fā)閉鎖指令、B套發(fā)切系統(tǒng)指令后，距離B套發(fā)閉鎖指令不足13 min，運(yùn)行人員及時(shí)申請(qǐng)停運(yùn)極Ⅱ低端閥組才免于造成事故。

在極Ⅱ高端閥控主機(jī)切換系統(tǒng)后，極Ⅱ高端換流變壓器飽和反時(shí)限保護(hù)計(jì)時(shí)復(fù)歸。

圖4 CCP21B系統(tǒng)的錄波(07:08 控制系統(tǒng)切換前)

圖5 CCP21A系統(tǒng)的錄波(07:08控制系統(tǒng)第1次切換)

查看CCP21A/B控制主機(jī)的錄波(見(jiàn)圖4至圖5)，發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)異常：

1)極Ⅱ高端閥組控制CCP21A系統(tǒng)測(cè)量的IVY_L1(Y/Y換流變壓器閥側(cè)套管電流A相)偏向正極性約700 A，而B系統(tǒng)測(cè)量的IVY_L1則無(wú)任何偏移。

2)第1次切換前，CCP21B系統(tǒng)為主用，觸發(fā)角穩(wěn)定在22°。切換后，CCP21A系統(tǒng)為主用，觸發(fā)角每20 ms在22°與30°之間變動(dòng)一次，直流電流也相應(yīng)出現(xiàn)波動(dòng)。

3)再次切換系統(tǒng)后，CCP21B系統(tǒng)為主用，觸發(fā)角和電流恢復(fù)至正常(見(jiàn)圖6)。

圖6 CCP21B系統(tǒng)的錄波(09:02控制系統(tǒng)第2次切換)

結(jié)合事件發(fā)生經(jīng)過(guò)和錄波分析，故障原因是CCP21A系統(tǒng)測(cè)量IVY_L1板卡的故障引起極Ⅱ觸發(fā)角頻繁調(diào)節(jié)，引發(fā)直流偏磁，從而導(dǎo)致了極Ⅱ高、低端飽和保護(hù)動(dòng)作。而另外一套系統(tǒng)CCP21B檢測(cè)到相關(guān)電流量是正常的，故系統(tǒng)切換后飽和保護(hù)及時(shí)復(fù)歸。

深入分析ABB軟件中關(guān)于觸發(fā)角控制采樣分析可以看出，特高壓換流站觸發(fā)角控制采樣主要取高低端閥側(cè)電流最大值MAX_IV和直流側(cè)電流IDNC的最大值作為實(shí)測(cè)電流值ID_RESP，再與電流參考值進(jìn)行比較，從而確定觸發(fā)角，如圖7所示。當(dāng)CCP21A系統(tǒng)主用時(shí)，其向極Ⅱ極控系統(tǒng)發(fā)送的IVY_L1較實(shí)際值大，當(dāng)Y/Y-A相換流閥導(dǎo)通時(shí)，極Ⅱ極控系統(tǒng)誤認(rèn)為IVY_L1測(cè)量值大于直流電流700 A，立即增加觸發(fā)角以減小電流，導(dǎo)致實(shí)際直流電流減??；當(dāng)Y/Y-A相換流閥關(guān)斷后，IVY_L1測(cè)量值小于直流電流，控制系統(tǒng)又會(huì)立即減小觸發(fā)角以增大電流。每1/3周波，觸發(fā)角就會(huì)大范圍變化一次，引起了觸發(fā)脈沖的不對(duì)稱。觸發(fā)角的頻繁調(diào)整引起了觸發(fā)脈沖的不對(duì)稱。而觸發(fā)脈沖不對(duì)稱是直流偏磁的原因之一，因?yàn)橛|發(fā)脈沖屬于極控范圍，導(dǎo)致極Ⅱ高、低端換流變壓器均飽和。

根據(jù)上述的故障解析可以看出，此次故障換流變壓器飽和保護(hù)動(dòng)作正確，故障主要原因?yàn)闃OⅡ高端閥組測(cè)量接口柜CMI21A柜內(nèi)的RCS862YI板卡測(cè)量故障，引發(fā)換流變壓器飽和保護(hù)動(dòng)作。運(yùn)檢人員進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)閥側(cè)電流IVY經(jīng)H5.8 RS862YI采樣后，送至控制系統(tǒng)用作觸發(fā)角控制，沒(méi)有任何自檢功能。

圖7 電流控制器電流差值比較

綜上所述，結(jié)合復(fù)龍換流站“6·10”飽和保護(hù)動(dòng)作始末，從板卡的單一元件無(wú)自檢以及觸發(fā)角控制的采樣情況進(jìn)行深入分析，認(rèn)為可進(jìn)行以下幾點(diǎn)改進(jìn)：一是深入分析元件工作不穩(wěn)定的原因，如果是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、批次等問(wèn)題，需要更換同類型板卡；二是完善ABB控制保護(hù)系統(tǒng)模擬量自檢功能，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)板卡測(cè)量異常；三是在當(dāng)前情況下，加強(qiáng)測(cè)量板卡監(jiān)視，定期查看模擬量采樣，并在年度檢修期間對(duì)板卡開展零漂值檢測(cè)等；四是加強(qiáng)換流器閥側(cè)電流異常事故演練，發(fā)現(xiàn)閥側(cè)電流異常時(shí)應(yīng)及時(shí)切換系統(tǒng)，更換故障板卡。

3 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)龍換流站換流變壓器充電時(shí)飽和保護(hù)反復(fù)出現(xiàn)的報(bào)警與飽和保護(hù)報(bào)警設(shè)置不當(dāng)有關(guān)，無(wú)論是定值的設(shè)定還是飽和保護(hù)報(bào)警設(shè)置都亟需改進(jìn)；運(yùn)行方式也要因地制宜，對(duì)于共用接地極的復(fù)龍、宜賓兩個(gè)換流站，要嚴(yán)格杜絕一個(gè)站接地極線路檢修時(shí)，另一個(gè)站單極大地回線方式運(yùn)行的情況發(fā)生。而復(fù)龍換流站“6·10”換流變壓器飽和保護(hù)動(dòng)作事件說(shuō)明控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)的配合上還有一些漏洞，一個(gè)小小的元件故障有可能引發(fā)直流系統(tǒng)的閉鎖，這是需要引起警惕的。