宜賓站換流變壓器閥側(cè)電壓測量故障分析及處理

孫文，禹佳，陳偉

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

宜賓站換流變壓器閥側(cè)電壓測量故障分析及處理

孫文，禹佳，陳偉

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

宜賓站自調(diào)試起，多次出現(xiàn)換流變壓器末屏電壓測量故障?；?015年7月1日換流變壓器閥側(cè)電壓測量故障，在回路原理和等效電路的基礎(chǔ)上，分析了末屏電壓異常的原因，提出了多種解決末屏電壓畸變的辦法和措施。消除末屏電壓發(fā)生諧振和畸變將有利于直流系統(tǒng)和保護(hù)設(shè)備運(yùn)行的可靠性，對(duì)現(xiàn)有的直流工程中末屏電壓測量出現(xiàn)回路的改造，以及未來直流工程中末屏電壓互感器的設(shè)計(jì)，提供參考依據(jù)。

直流輸電;換流變壓器;末屏電壓;畸變;電壓互感器;鐵磁諧振

0 引言

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器是最重要的設(shè)備之一，這是由于其處在交流電和直流電互相變換的核心位置以及在設(shè)備制造技術(shù)方面的復(fù)雜性和設(shè)備費(fèi)用的昂貴等所決定的。作為直流輸電換流站的主要設(shè)備，換流變壓器承擔(dān)換能的重要作用。對(duì)換流變壓器電壓進(jìn)行在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)獲得換流變壓器的電壓波形特征，是保證直流輸電工程安全運(yùn)行的重要手段。

近幾年投運(yùn)的特高壓直流輸電工程，如錦蘇直流、賓金直流、復(fù)奉直流等都采用電容式套管，從電容式套管的末屏處抽取電壓信號(hào)用于在線監(jiān)測和錄波以及中性點(diǎn)偏移保護(hù)。

1 故障簡述

2015年7月1 日01時(shí)11分，宜賓站極Ⅱ高端閥組由充電轉(zhuǎn)連接過程中，閥組A、B、C 3套保護(hù)同時(shí)發(fā)“YD換流變閥側(cè)電壓互感器A相故障”告警，現(xiàn)場萬用表檢查3套保護(hù)裝置UVD電壓分別為141.27 V、141.19 V、141.12 V，運(yùn)行人員申請(qǐng)將極Ⅱ高端換流變壓器轉(zhuǎn)至檢修狀態(tài)。故障后宜賓管理處立即組織檢修人員、國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院、設(shè)備廠家開展現(xiàn)場分析處理工作。23時(shí)19分，宜賓站極Ⅱ高端換流器在線投入正常，主要事件列表如表1所示。

表1 主要事件記錄

現(xiàn)場檢測Y/D－A相換流變閥側(cè)套管電容值C1、C2合格，SF6分解產(chǎn)物及微水含量正常，換流變壓器離線油色譜檢測正常，末屏二次回路及板卡檢測正常。通過對(duì)故障錄波分析，判斷該次測量異常是由于系統(tǒng)擾動(dòng)導(dǎo)致許繼電壓采集變換器內(nèi)鐵心飽和，于特定的情況下形成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的諧振現(xiàn)象，現(xiàn)場更換了極Ⅱ高端Y/D－A相換流變壓器a套管末屏分壓板，和與該板卡對(duì)應(yīng)的A、B、C 3套測量接口屏內(nèi)的電壓采集變換模塊。

更換后進(jìn)行低壓加壓試驗(yàn)，控制保護(hù)系統(tǒng)及故障錄波采樣正常。

2 故障檢查

2.1 現(xiàn)場檢查

1)一次設(shè)備試驗(yàn)情況

①SF6氣體相關(guān)檢測

對(duì)極2高Y/D－A相換流變壓器a套管SF6進(jìn)行了微水、分解產(chǎn)物檢測，檢查結(jié)果正常，如表2、表3所示。

表2 SF6分解產(chǎn)物記錄表

表3 SF6微水記錄表

檢測結(jié)束后對(duì)套管壓力進(jìn)行實(shí)測，測量結(jié)果為為3.8 bar，與上次實(shí)測結(jié)果相同?；謴?fù)現(xiàn)場密度繼電器后，對(duì)接頭進(jìn)行檢測，未見異常。

②本體油色譜分析

對(duì)本體取底部油樣并開展離線油色譜分析，結(jié)果未見異常，詳見表4。

③電氣測試

表4 本體底部油樣離線油色譜分析記錄表

對(duì)極2高Y/D－A相換流變壓器a套管進(jìn)行了末屏絕緣，套管介損、電容測試，測試結(jié)果與2015年年度預(yù)防性試驗(yàn)對(duì)比無異常。

末屏絕緣測試結(jié)果為31.8 GΩ，滿足絕緣要求。2015年年度預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 2015年年度預(yù)防性試驗(yàn)?zāi)┢两^緣測試結(jié)果

套管介損、電容測試采用正接法測試，測試結(jié)果見表5及圖2。

表5 套管介損及電容量測試結(jié)果記錄表

圖2 2015年年度預(yù)防性試驗(yàn)套管介損及電容量測試結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可以判斷現(xiàn)場一次設(shè)備無異常。

2.2 二次回路檢查情況

換流變壓器閥側(cè)末屏分壓器采用電容分壓原理，套管自身的電容C1和末屏電容C2與末屏分壓器電容值進(jìn)行匹配，得到二次控制保護(hù)系統(tǒng)所需的57.7 V額定電壓，具體如圖3所示。

圖3 換流變壓器閥側(cè)套管末屏分壓器原理圖

換流變壓器閥側(cè)末屏分壓器只有一路電壓輸出，在就地端子箱并接出三路電壓分別到測量接口屏A、B、C，其中到B屏的電壓回路又并接至故障錄波屏，如圖4所示。

圖4 換流變壓器閥側(cè)套管末屏分壓器接線圖

現(xiàn)場對(duì)Y/D－A、Y/D－B相末屏分壓器進(jìn)行隔離檢測，測量其自身的電容值和電阻值，并與備品進(jìn)行比較，測量結(jié)果如表6所示。

表6 末屏分壓器自身電容及電阻測量記錄表安裝位置

現(xiàn)場對(duì)電壓采集變換模塊進(jìn)行了采樣檢測，模塊采樣未發(fā)現(xiàn)異常情況，試驗(yàn)記錄如表7所示。

表7 電壓采集變換模塊采樣檢測記錄表

現(xiàn)場在換流變壓器閥側(cè)進(jìn)行低壓加壓試驗(yàn)，檢查閥側(cè)末屏電壓值正確，波形正常無畸變(同時(shí)對(duì)Y/D換流變壓器三相進(jìn)行加壓，三相波形一致)，如圖5所示為閥側(cè)加10 kV電壓時(shí)手動(dòng)觸發(fā)的故障錄波圖。

圖5 閥側(cè)加10 kV電壓時(shí)保護(hù)所錄波形

綜上所述，在單獨(dú)對(duì)一次設(shè)備、二次設(shè)備進(jìn)行檢查性試驗(yàn)都沒有發(fā)現(xiàn)任何異常情況。

3 故障原因分析

3.1 理論分析

換流變壓器閥側(cè)末屏電壓測量環(huán)節(jié)基本原理如圖6。

圖6 末屏電壓測量原理圖

圖中，Cth、Ctl為套管電容值，Cth=759 μF、Ctl= 4.6 nF。套管電容和C1、C2、C3共同構(gòu)成末屏電壓測量PT(電容分壓器)，C1=0.681 μF(小)、C2= 47.5 nF(中)、C3=22.1 nF(大)，C1、C2、C3電容耐壓250 V DC。

末屏電壓PT的負(fù)載為XJ屏柜中的電壓變送器。該電壓變送器的原邊是200 V，副邊4 V，由于該電壓變送器采用的是鐵心變壓器，存在飽和的可能性。當(dāng)電壓變送器運(yùn)行于線性區(qū)時(shí)，電感穩(wěn)定且較大，當(dāng)電壓變送器進(jìn)入飽和后，從原邊看，其等效電感值將減少。

末屏電壓電容分壓器帶上負(fù)載后，由于負(fù)載為感性，ZL會(huì)增大。隨著電壓的升高，電壓變送器逐漸進(jìn)入飽和區(qū)，負(fù)載電感進(jìn)一步減小，ZL會(huì)進(jìn)一步增大。隨著ZL的增大，電壓變送器更加容易飽和。電感變化對(duì)ZL的影響見式(1)。

電壓變送器工作于線性區(qū)時(shí)，電感較大且穩(wěn)定;電壓變送器一旦進(jìn)入飽和區(qū)，電感減小，流過電壓變送器的電流將大大增加，且電壓變送器的恢復(fù)將十分困難。

3.2 現(xiàn)場原因分析

從原理電路圖可以看出，末屏電壓互感器采用電容分壓。由于二次PT采用電磁式互感器，實(shí)際是一個(gè)電感，因此，等效電容和等效電感會(huì)在某個(gè)特定頻率諧振，導(dǎo)致信號(hào)畸變，嚴(yán)重時(shí)測量電壓會(huì)超出實(shí)際信號(hào)數(shù)倍，使二次PT鐵心過流發(fā)熱。

末屏電壓互感器實(shí)際上就是一種特殊的電容式電壓互感器(CVT)。一般國內(nèi)廠家在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)CVT時(shí)，都會(huì)考慮與次級(jí)電磁式PT配套使用時(shí)所產(chǎn)生的鐵磁諧振問題。產(chǎn)品內(nèi)部一般裝設(shè)中壓變壓器，并裝設(shè)有阻尼回路和補(bǔ)償電抗器，阻尼回路用來抑制諧振，補(bǔ)償電抗器用來補(bǔ)償接入電感元件后的轉(zhuǎn)換誤差。即使CVT不接入二次PT，也不裝設(shè)中壓變壓器，由于CVT自身電路存在的寄生電感、線路電感等感性元件，也存在諧振問題。

查看故障時(shí)刻錄波，換流變壓器網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)三相電壓正常，Y/Y及Y/D換流變壓器閥側(cè)三相電壓均出現(xiàn)短時(shí)畸變，持續(xù)時(shí)間約100 ms，之后除Y/ D A相故障持續(xù)外，其余五相均恢復(fù)正常，如圖7、圖8所示。在進(jìn)行解鎖閥組連接時(shí)，高端的閥組的星側(cè)和角側(cè)均出現(xiàn)超過200 V的電壓，均超過了設(shè)計(jì)電壓值，但由于產(chǎn)品個(gè)體的差異性，星側(cè)變送器瞬間恢復(fù)，角側(cè)變送器導(dǎo)致信號(hào)畸變。

圖7 故障時(shí)刻換流變壓器網(wǎng)側(cè)交流側(cè)電壓

故障時(shí)刻網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)未發(fā)生明顯擾動(dòng)，初步排除交流系統(tǒng)干擾原因。閥側(cè)星接、角接線換流變壓器均出現(xiàn)短時(shí)擾動(dòng)，結(jié)合當(dāng)時(shí)事件記錄判斷在極Ⅱ高端閥組轉(zhuǎn)連接時(shí)，閥側(cè)一次設(shè)備有短時(shí)沖擊。沖擊過后Y/D A相換流變壓器持續(xù)出現(xiàn)異常故障電壓，Y/D B相、Y/D C相電壓恢復(fù)正常，但角接繞組中閥側(cè)無故障電流，判斷故障原因?yàn)槎螠y量元件問題。

圖8 故障時(shí)刻換流變壓器閥側(cè)交流側(cè)電壓、電流

在雙極高端調(diào)試期間，YD換流變壓器末屏分壓器連接的許繼電壓采集變換模塊就多次出現(xiàn)過飽和諧振現(xiàn)象，后在2015年3月年度檢修期間在極Ⅰ、極Ⅱ高端閥組測量接口屏更換了Y/D換流變壓器對(duì)應(yīng)的電壓采集變換模塊，增加了模塊的抗飽和能力，最大采樣值由140 V改為200 V。

基于宜賓站調(diào)試期間發(fā)生過二次鐵磁諧振的情況，在換流變壓器充電或其他系統(tǒng)擾動(dòng)情況導(dǎo)致閥側(cè)電壓異常偏高，超出控制保護(hù)測量模塊的正常工作范圍，造成測量元件鐵磁飽和，飽和后的測量元件在特定的情況下與末屏分壓回路形成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的諧振現(xiàn)象。分析認(rèn)為許繼電壓采集變換模塊上電壓取量元件采用鐵磁式結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致產(chǎn)生諧振現(xiàn)象的主要原因。

4 故障處理

為確保安全，更換了末屏分壓器、電壓采集變換模塊，更換后再次進(jìn)行低壓加壓實(shí)驗(yàn)。

1)更換末屏分壓器、電壓采集變換模塊

現(xiàn)場更換了極Ⅱ高端Y/D－A相換流變壓器a套管末屏分壓器，同時(shí)更換了極Ⅱ高端測量接口屏A、B、C內(nèi)的A相電壓采集變換模塊，見圖9，更換后測量回路的絕緣電阻合格。

2)低壓加壓試驗(yàn)記錄及波形

更換電壓采集模塊完成后，現(xiàn)場對(duì)閥側(cè)進(jìn)行低壓加壓試驗(yàn)，檢查閥側(cè)末屏電壓值正確，波形正常無畸變，閥側(cè)加10 kV電壓時(shí)保護(hù)所錄波形如圖10所示。

圖9 更換電壓采集模塊現(xiàn)場照片

圖10 更換電壓采集模塊后閥側(cè)加10 kV電壓保護(hù)所錄波形

5 總結(jié)

分析了許繼電壓采集變換模塊上電壓取量元件諧振，導(dǎo)致?lián)Q流變壓器閥側(cè)電壓測量異常事件，認(rèn)為許繼末屏電壓互感器缺少必要的阻尼回路和補(bǔ)償回路;當(dāng)一次電壓發(fā)生突變時(shí)，二次PT過勵(lì)飽和、阻抗下降，等效電容和等效電感在某個(gè)特定頻率發(fā)生諧振，導(dǎo)致信號(hào)畸變，嚴(yán)重時(shí)測量電壓會(huì)超出正常電壓數(shù)倍，使二次PT鐵心過載發(fā)熱，甚至燒毀，因此建議改進(jìn)末屏分壓回路設(shè)計(jì)，增加阻尼和補(bǔ)償回路，并通過仿真以避免諧振現(xiàn)象的產(chǎn)生，保障直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］劉耀，王明新.高壓直流輸電系統(tǒng)保護(hù)裝置冗余配置的可靠性分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(5):51－54.

［2］趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，1990:122－136.

［3］劉國福，張潤丹.電容式電壓互感器故障分析［J］.電力安全技術(shù)，2006(9):26－27.

［4］GB/T 4703－2007，電容式電壓互感器［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008:15－21.

［5］陸曉春.變壓器狀態(tài)檢修技術(shù)方案的可靠性研究［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(2):26－32.

［6］嚴(yán)璋.高電壓絕緣技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，1998:231－255.

［7］齊旭，曾德文，史大軍，等.特高壓直流輸電對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定影響研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(2):1－6.

Since the commissioning for Yibin converter station begins，several voltage measurement faults at bushing tap occur frequently.Based on the valve－side voltage measurement fault of converter transformer in 1st July，2015，the abnormal reasons for voltage at bushing tap are analyzed on the basis of circuit principle and equivalent circuit，and some methods and measures to solve the voltage distortion at bushing tap are put forward.Eliminating the voltage resonance and distortion at bushing tap will be conducive to the operation reliability of DC system and protection device，and it provides a reference for the transformation that the circuit occurs during voltage measurement at bushing tap in the existing HVDC project，as well as the design of voltage transformer at bushing tap for the future HVDC project.

HVDC transmission system;converter transformer;end shield voltage;distortion;voltage transformer;ferromagnetic resonance

TM721.1

A

1003－6954(2015)06－0051－05

孫文(1980)，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂?/p>

2015－08－04)

禹佳(1983)，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù);

陳偉(1991)，助理工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)。