換流變壓器分接頭檔位不一致隱患分析及優(yōu)化研究

劉亞楠，張超峰，劉源

(國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410004)

換流變壓器作為換流站最重要的核心設(shè)備之一，與換流閥共同組成換流器，當(dāng)換流器處于逆變工況時，換流變壓器有載調(diào)壓分接頭 (分接開關(guān))主要用來維持正常的直流電壓。運維人員工作中最密切關(guān)注的便是OWS界面分接頭檔位一致性情況，而這必須依靠分接頭測量元件能準(zhǔn)確測量并反映現(xiàn)場的真實工況，其測量結(jié)果將決定換流變壓器控制系統(tǒng)的控制策略，其控制功能又將決定分接頭的動作情況，二者對于換流變壓器的穩(wěn)定運行有著至關(guān)重要的作用。

1 分接頭檔位測量回路概述

一般分接頭檔位測量板卡工況分三種:1)測量正確，分接頭檔位如實反應(yīng)到控制系統(tǒng)；2)換流變壓器三相分接頭現(xiàn)場位置一致，而測量板卡測量并送到后臺時顯示檔位不一致，導(dǎo)致告警，啟動系統(tǒng)控制措施；3)現(xiàn)實工況中換流變壓器分接頭三相不一致，存在檔位差，而測量數(shù)據(jù)顯示到后臺為一致，導(dǎo)致不發(fā)告警，存在重大隱患。

某站站分接頭測量回路主要由BCD碼轉(zhuǎn)換裝置、NR1520A板構(gòu)成。由BCD碼轉(zhuǎn)換裝置將各檔位對應(yīng)電阻值轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字量，并傳送給NR1520A板，最終通過現(xiàn)場控制LAN網(wǎng)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。

2 分接頭檔位不一致隱患分析

2.1 三相不一致隱患分析

2.1.1 測量故障導(dǎo)致三相不一致

某站分接頭自同步調(diào)節(jié)控制功能是:當(dāng)一個換流器中換流變壓器有載分接頭位置存在差異，自動再同步功能將啟動一次，使各臺換流變壓器的有載調(diào)壓開關(guān)檔位保持一致，消除檔位差異〔1〕。若自同步一次失敗，將閉鎖此功能，防止分接頭檔位差變大。

具體控制邏輯為:對閥組的Y/Y換流變壓器和Y/D換流變壓器三相的分接頭檔位求平均值，以此作為該閥組分接頭檔位TCP。凡是比分接頭檔位TCP低的相，對該相分接頭發(fā)一個分接頭升檔指令；同理比分接頭檔位TCP高的相，對該相分接頭發(fā)一個分接頭降檔指令。此功能是為了防止某臺換流變壓器分接頭檔位出現(xiàn)異常而導(dǎo)致其他分接頭不斷調(diào)節(jié)最終零序電流保護(hù)動作，最終導(dǎo)致閥組閉鎖。

然而當(dāng)分接頭測量回路BCD碼轉(zhuǎn)換裝置或NR1520A板卡故障，導(dǎo)致傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，若出現(xiàn)如下情況:當(dāng)6臺換流變壓器實際檔位為25檔，但測量顯示Y/D C相 (下文簡稱DC相)在22檔，則由上述自同步控制邏輯知，6臺的平均檔位TCP＝24檔，此時就會對DC相換流變壓器分接頭進(jìn)行升檔，其他相進(jìn)行降檔，使6臺檔位向24檔靠近，此時DC相實際為26檔，而系統(tǒng)中顯示為23檔，其他相檔位為24檔；之后對DC相進(jìn)行第二次升檔，則系統(tǒng)檔位升至24檔，停止升檔，但DC相實際檔位此時已到27檔，其他相檔位在24檔不變，這時DA相檔位與其他五臺檔位相差為3檔，從而引發(fā)換流變壓器零序保護(hù)動作而閉鎖極的重大事故，如圖1所示。

圖1 測量故障導(dǎo)致三相不一致邏輯圖

某換流站就曾發(fā)生過換流變壓器分接頭檔位不一致，而測量顯示正常，實際檔位相差超過3檔，產(chǎn)生較大的零序電流，錄波顯示極Ⅰ高YD換流變壓器中性點產(chǎn)生明顯零序電流，有效值0.54 A，遠(yuǎn)超零序過流定值0.15 A，直接造成零序過流保護(hù)動作，最終導(dǎo)致極閉鎖的事件〔2〕。圖2為某站零序過流保護(hù)動作的故障錄波圖。

圖2 故障錄波圖

2.1.2 零序電流產(chǎn)生的原因分析

正常運行中，所有換流變壓器均應(yīng)保持三相一致運行，當(dāng)其中星形或角形接線的3臺換流變壓器中有一臺與其他兩臺檔位不一致，而測量顯示結(jié)果為不差檔，那么就會導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)星形接線變壓器三相繞組不對稱，則將在網(wǎng)側(cè)繞組首段產(chǎn)生零序電壓〔3〕。零序電壓大小與不對稱度有關(guān)，該零序電壓在三相繞組中產(chǎn)生零序電流，對于網(wǎng)側(cè)星型接線變壓器，三相繞組中流過的電流與繞組阻抗有關(guān)，而繞組的阻抗則直接取決于所接入的繞組匝數(shù)〔4〕。

在角形接線方式下，當(dāng)網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生零序電壓和零序電流時，會在閥側(cè)感應(yīng)產(chǎn)生這兩個量，由于是角形接線，故其中產(chǎn)生的零序電流會形成環(huán)流，如圖3所示為零序電流流向；而在星形接線中，網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生零序電壓和零序電流，則在閥側(cè)也必然產(chǎn)生這兩個量，由于星形接線下其網(wǎng)側(cè)與閥側(cè)流過的電流均與接入的繞組阻抗有關(guān)，閥側(cè)不會形成環(huán)流，其流向如圖4所示。

圖3 Y/D連接時零序電流流向

圖4 Y/Y連接時零序電流流向

2.2 同一閥組6臺換流變壓器檔位不一致隱患分析

當(dāng)同一閥組中6臺換流變壓器檔位出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，且檔位差在兩檔時會閉鎖檔位自動調(diào)節(jié)功能，若此時有伴隨交流側(cè)電壓波動，將嚴(yán)重影響分接頭控制策略。若逆變側(cè)交流母線電壓增加，逆變站換流器作為逆變器運行就必須通過增大熄弧角γ使直流電壓維持在設(shè)定值。如果γ增大到比γ參考值加上裕度范圍還大，TCC控制將增大閥側(cè)電壓，重新建立一個對應(yīng)特定γ的理想空載直流電壓，此時γ角將恢復(fù)到參考值加裕度范圍內(nèi)；同理若逆變側(cè)交流母線電壓降低，并引起直流電壓降低，此時逆變器必須通過減小熄弧角γ使得直流電壓維持在設(shè)定值。如果γ下降到比γ參考值減去裕度范圍還小，TCC控制將降低閥側(cè)電壓，重新建立一個對應(yīng)特定γ的理想空載直流電壓，這樣γ角將恢復(fù)到參考值減去裕度范圍內(nèi)，如圖5所示。

圖5 熄弧角γ控制

然而正常運行時，分接頭檔位可調(diào)時，一旦熄弧角γ超過了其動作裕度范圍 (±2.5°)，可以通過檔位的調(diào)節(jié)來增大或減小直流電壓，從而使熄弧角γ返回正常值；但是當(dāng)檔位相差兩檔后，TCC為防止檔位差別繼續(xù)擴(kuò)大便會自閉鎖分接頭 “自動”調(diào)節(jié)模式，這樣在熄弧角γ超過動作裕度后不可通過分接頭檔位調(diào)節(jié)來使其返回參考值，這很可能造成換流器換相失敗，甚至是造成極閉鎖。

2.3 同極兩閥組間分接頭檔位不一致隱患分析

特高壓穩(wěn)態(tài)運行的觸發(fā)角閉環(huán)控制配置在極控層，換流閥組主機(jī)接收統(tǒng)一的穩(wěn)態(tài)運行觸發(fā)角，即觸發(fā)角由極控進(jìn)行計算后將觸發(fā)角下發(fā)給高、低端閥控，保證同極雙閥組觸發(fā)角一致，保證串聯(lián)12脈動閥組的電壓平衡。

1)由于分接頭測量的偏差，系統(tǒng)首先會對分接頭進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)高低端閥組換流變壓器分接頭檔位相差超過一檔后，控制系統(tǒng)不允許再進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，此時如雙閥組電壓仍然不平衡，控制系統(tǒng)將調(diào)節(jié)觸發(fā)角以保證電壓平衡，但因為分接頭的測量誤差，在此配合過程中很可能會導(dǎo)致觸發(fā)角的頻繁調(diào)節(jié)，對于逆變站而言，觸發(fā)角的頻繁調(diào)節(jié)影響著熄弧角的大小，熄弧角的過大或過小都不利于直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。熄弧角過大會導(dǎo)致?lián)Q流器吸收過多無功功率，運行不經(jīng)濟(jì)、使閥和直流開關(guān)場設(shè)備承受的電氣應(yīng)力增大，影響設(shè)備壽命等〔5〕；又由于換流閥換相過程中的熄弧角一般控制在15°～18°，這樣才不會造成換相失敗，因此熄弧角過小將易發(fā)生換相失敗，如圖6所示。

圖6 同極檔位不一致時啟動角度控制

2)觸發(fā)角的頻繁調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致磁飽和保護(hù)動作。由于測量檔位誤差，導(dǎo)致檔位控制閉鎖，為了維持閥組電壓平衡，就需要進(jìn)行觸發(fā)角調(diào)節(jié)，這可能引起觸發(fā)角的頻繁調(diào)節(jié)。然而這種頻繁調(diào)節(jié)是存在極大風(fēng)險的。例如2004年11月23日某站由于極ⅡPCPA系統(tǒng)PCIA板卡故障，導(dǎo)致觸發(fā)脈沖異常，觸發(fā)角在15°～30°之間反復(fù)調(diào)節(jié)變化，引起直流電流電壓波動，導(dǎo)致?lián)Q流變壓器一次側(cè)間歇性出現(xiàn)零序分量，最終導(dǎo)致磁飽和保護(hù)誤動。這里導(dǎo)致動作的直接原因便是觸發(fā)角的頻繁變化。

2.4 雙極間分接頭檔位不一致隱患分析

當(dāng)雙極間分接頭不一致，將會造成兩極直流電壓短時間內(nèi)不平衡，短期內(nèi)勢必造成兩極電流不平衡，流經(jīng)雙極中性母線電流不為0，如圖7所示雙極中性母線區(qū)域電流Idn＝Id1－Id2，其中Id1C為極Ⅰ直流電流，Id2為極Ⅱ直流電流，正常時二者大小相同，故Idn應(yīng)為0，考慮到現(xiàn)場實際，中性母線區(qū)域只會存在很小的零漂值。而由于換流變壓器分接頭不一致導(dǎo)致兩極電流不平衡，則Idn不為0，同時由于設(shè)備存在一定的感抗值R，必然造成中性母線區(qū)域電壓相對于地電位被抬升至RIdn，不利于對中性母線設(shè)備的穩(wěn)定運行。

如果兩極都在雙極功率控制模式，每極功率平衡的情況下，根據(jù)P/U計算電流值，由于雙極電壓不平衡，短期內(nèi)勢必會導(dǎo)致兩極電流差值更大，流經(jīng)雙極中性母線區(qū)域的電流值也就越大；雙極功率不平衡，如一極在單極功率控制時，其電流與功率不變，當(dāng)出現(xiàn)檔位差時，另一極電壓升高或降低，會導(dǎo)致電流相應(yīng)的減小或升高，勢必會造成雙極中性母線更大的不平衡電流。

圖7 雙極直流區(qū)域簡化電路

3 分接頭檔位測量與控制建議

3.1 某站特高壓站分接頭檔位測量建議

3.1.1 硬件回路優(yōu)化

在裝有BCD碼檔位轉(zhuǎn)換裝置的基礎(chǔ)上，加設(shè)一個將檔位電阻值轉(zhuǎn)換為4～20 mA量的并聯(lián)回路，將所測數(shù)據(jù)上傳至一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)，給運行人員監(jiān)盤時做正確判斷提供依據(jù)，防止由于測量錯誤導(dǎo)致錯誤操作，如圖8所示。

圖8 檔位測量改進(jìn)圖

3.1.2 軟件優(yōu)化

由于零序電流是一旦超過保護(hù)定值便會動作使極閉鎖，故在控制系統(tǒng)中應(yīng)加入零序電流的實時計算，當(dāng)發(fā)現(xiàn)零序電流超過一定值時，則禁止檔位的自動升降，這樣就能避免在自同步時，出現(xiàn)檔位測量故障使檔位差越來越大而導(dǎo)致零序過流。

3.2 分接頭控制軟件設(shè)計缺陷與優(yōu)化建議

某特高壓直流工程的TCP參考值為同極6臺換流變壓器分接頭檔位之和的平均值，而其他一些特高壓直流工程單換流器的TCP參考值為其對應(yīng)6臺換流變壓器分接頭檔位的最大值，因此，當(dāng)檢測到換流器層的換流變壓器分接頭不同步時，總是升高檔位低的換流變壓器分接頭來使其同步。在常規(guī)直流中，每相的檔位值與TCP參考值進(jìn)行比較，若高于參考值就降低分接頭，反之就會升分接頭。由于TCP參考值介于最大值和最小值之間，因此，當(dāng)6臺換流變壓器分接頭不一致時，常規(guī)直流工程的同步調(diào)節(jié)過程中，分接頭總是來回調(diào)節(jié)，而特高壓直流工程的同步調(diào)節(jié)只往升高的方向調(diào)，不會出現(xiàn)頻繁調(diào)節(jié)的現(xiàn)象。如圖9所示為其他特高壓站TCP計算邏輯。

圖9 某特高壓站TCP參考值計算邏輯

4 總結(jié)

通過結(jié)合歷年各站分接頭檔位測量故障情況，分析了當(dāng)前某站站分接頭檔位測量存在的故障，以及分析了特高壓站可能存在的故障隱患，最后對比其他特高壓分接頭檔位測量與控制策略，對特高壓站提供了一些優(yōu)化建議，可供設(shè)計施工進(jìn)行參考。

〔1〕張昕，譚靜，馬曉勇.政平換流站012B換流變壓器B相分接開關(guān)誤動導(dǎo)致極I閉鎖故障原因分析 〔J〕，消費電子，2014(20):17-18.

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〔3〕國網(wǎng)運行有限公司.變壓器設(shè)備 〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

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〔5〕趙碗君.直流輸電工程技術(shù) 〔M〕，北京:中國電力出版社，2004.