一起換流站交流濾波器保護跳閘故障診斷與仿真分析

柴斌,李小娣,徐輝,劉若鵬

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011；2.銀川能源學院，寧夏 銀川 750199)

交流濾波器是換流站核心設備之一，主要為換流器提供無功功率和濾除諧波，運行過程中隨著直流功率的調(diào)節(jié)，由與之相連的斷路器分合閘實現(xiàn)在線投退，以平衡無功功率確保電網(wǎng)及系統(tǒng)穩(wěn)定運行[1]。通過對某換流站一起交流濾波器差動保護動作導致小組濾波器斷路器跳閘原因的深入分析，發(fā)現(xiàn)導致設備異常的根本原因，并通過仿真重現(xiàn)了故障特征。針對事件暴露出的問題提出了相應的解決方案及后續(xù)在設備安裝、運維階段注意事項和改進措施，以保障設備安全穩(wěn)定運行。

1 故障情況

某換流站7621(SC)小組交流濾波器在自動投入過程中，第二大組交流濾波器保護A套SC比率差動、SC零序差動保護動作出口，7621斷路器三相跳閘，第二大組交流濾波器保護B套相應保護未啟動。7621(SC)小組濾波器跳閘后無功控制自動投入7631(SC)小組交流濾波器，未對直流輸送功率造成影響。保護裝置詳細故障報文如表1所示。

表1 PCS-976A保護裝置顯示故障報文

1.1 一次設備檢查情況

現(xiàn)場對7621小組濾波器斷路器、電流互感器、電容器塔、電抗器及避雷器等一次設備進行常規(guī)預試檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

1.2 二次設備檢查情況

現(xiàn)場對保護裝置進行檢查，第二大組交流濾波器A套保護裝置顯示“SC比率差動保護動作”、“SC零序差動保護動作”、“跳SC交流濾波器開關”， SC小組跳閘紅色燈亮，操作箱內(nèi)三相跳閘紅燈亮，第二大組交流濾波器B套保護裝置相應差動保護未啟動。圖1為7621交流濾波器CT配置，電源側電流互感器12HL,13HL繞組和尾端電流互感器25HL、26HL分別用于小組濾波器差動保護A、B，14HL繞組接至故障錄波裝置。

圖1 7621交流濾波器CT配置

2 故障分析及處置

2.1 錄波波形分析情況

該換流站第二大組交流濾波器SC型小組交流濾波器的首端電流和尾端電流通過常規(guī)電磁式CT轉成小電流信號后，送入常規(guī)互感器合并單元PCS-221轉成光信號，最后以光纜送入保護裝置PCS-976A[2]。

7621小組濾波器投入時，兩套保護裝置記錄的原始錄波如圖2、圖3所示。

圖2 SC型小組交流濾波器A套保護裝置錄波

圖3 SC型小組交流濾波器B套保護裝置錄波

正常情況下，參與差動保護首端電流和尾端電流幅值相同、相位相反。從圖2可知，7621交流濾波器投入時A套保護裝置首端A相電流較尾端A相電流幅值偏小且相位發(fā)生偏移，造成了很大的A相差流和零序差流，B、C相電流波形無異常。B套保護裝置及故障錄波器7621交流濾波器三相首端電流與尾端電流幅值相同，相位相反，差流基本為零，保護未啟動[3]。

綜合上述分析，推斷7621交流濾波器A套保護首端A相電流出現(xiàn)傳變異常導致保護動作。

分析7621小組交流濾波器A、B套保護裝置動作時錄波，并離線分析其差流工頻基波有效值及動作門檻，如圖4、圖5所示。

圖4 A套保護裝置A相差流動作分析

從圖4可知，A套保護裝置感受到A相差流工頻基波有效值顯然已經(jīng)超過其動作門檻值，因此比率差動保護動作。從圖5可知，其三相差流工頻基波有效值最大不超過0.025Ie，遠低于0.38Ie的啟動值，因此沒有啟動和動作。

圖5 B套保護裝置三相差流動作分析

2.2 現(xiàn)場檢查處理情況

2.2.1 初步檢查情況

退出第二大組交流濾波器A套保護后，對7621間隔進行基波電流、低頻諧波電流二次通流試驗，測試結果均正常[4]。因現(xiàn)場不具備模擬濾波器實際合閘時高頻電流的條件，現(xiàn)場無法驗證合并單元采樣插件在高頻電流干擾下傳變特性，現(xiàn)場對合并單元采樣插件進行更換。更換插件后申請7621交流濾波器恢復送電，并對合閘時保護裝置錄波進行了分析，主要情況如下：

(1)經(jīng)檢查7621濾波器三相首端與尾端電流相位相反，A相電流相位未發(fā)生偏移。

(2)第二大組交流濾波器A套保護在7621間隔A相合閘后，出現(xiàn)較大差流，達到50 A左右，B、C相及B套保護三相差流小于10 A。

圖6 7621濾波器送電合閘波形

針對7621間隔合閘后交流濾波器A套保護A相出現(xiàn)較大差流的現(xiàn)象，判斷該套保護的電流互感器二次繞組、二次電流回路、合并單元仍存在問題，需進一步試驗驗證。

2.2.2 第一次停電后處理情況

2.2.2.1 調(diào)換7621 CT二次繞組

將7621 SC小組濾波器首端保護A套保護用電流繞組與故障錄波器用電流繞組進行調(diào)換，7621首端CT 12HL繞組由保護用改為故障錄波器用，CT變比由1250/1調(diào)整為2500/1；14HL繞組由故障錄波器用改為保護用，CT變比由2500/1調(diào)整為1250/1。更換繞組后，對7621首端CT進行一次通流試驗，驗證保護A套和故障錄波器電流回路、CT變比正確。

2.2.2.2 投切試驗

進行7621交流濾波器進行投切試驗，7621斷路器合閘后，查閱第二大組交流濾波器保護A、B套和故障錄波器波形。

如圖7、圖8所示，倒換繞組后保護裝置A、B套首尾端三相電流幅值相等、相位相反，裝置無差流。

圖7 倒換繞組后投切試驗A套保護裝置波形

圖8 倒換繞組后投切試驗B套保護裝置波形

如圖9所示，故障錄波器7621首端A相電流在合閘后幅值、相位均出現(xiàn)傳變異常，而B、C相電流均正常。

2.2.2.3 數(shù)據(jù)分析

在電流互感器二次回路及合并單元未變動的情況下，倒換7621斷路器A相繞組前，保護裝置A套首端A相電流傳變異常，保護裝置B套及故障錄波電流均正常。繞組倒換后，保護裝置A套首端A相電流恢復正常，故障錄波裝置采樣波形顯示合閘初始時刻A相電流出現(xiàn)傳變異常。

圖9 倒換繞組后故障錄波波形

因此，判斷A套保護裝置斷路器首端電流二次回路及合并單元裝置均正常，故障原因為7621首端A相CT 12HL繞組在濾波器投入時短時傳變異常所致。

2.2.3 第二次停電后處理情況

年度檢修停電期間，對7621斷路器首端CT的CT1線圈進行更換，在更換過程中發(fā)現(xiàn)S3 CT1-K3線圈引出線外皮存在破損現(xiàn)象，如圖10所示。更換完成后對該線圈開展了通流、絕緣及極性測試，測試結果合格[5]。檢修完成后進行沖擊合閘試驗設備運行正常，查閱兩套保護裝置及故障錄波,波形均正常。

圖10 線圈引出線破損

3 故障仿真及復現(xiàn)

為進一步驗證故障分析的準確性，根據(jù)現(xiàn)場實際工況搭建信號仿真測試平臺進行故障仿真[6]，其中二次側S1、S2抽頭之間繞組為保護用互感器繞組，絕緣破損發(fā)生在S3抽頭處。

3.1 保護用互感器負載為純電阻

圖11為保護用互感器負載為純電阻情況下S3處發(fā)生接地故障。保護用電流互感器測得電流i2可以表示為

(3)

式中:Zk—接地阻抗；

i1—流入互感器二次側電流；

i2—保護用電流互感器測得電流[7]。

圖11 保護用互感器負載為純電阻時故障

3.1.1 首端電流互感器二次側S3抽頭經(jīng)過渡電阻接地

首端電流互感器二次側S3抽頭經(jīng)過渡電阻接地，相當于該過渡電阻與原二次側負載并聯(lián)，此時會出現(xiàn)分流的情況，因此首端A相電流一定程度減小，但是此時并不會影響首端電流的相位。在仿真中選取過渡電阻R為1 Ω，得到的三相首尾兩端電流波形如圖12所示?？梢钥闯龃藭r接地電阻的分流作用使首端A相電流減小，但是首尾兩端電流仍然相位相反。即使在高頻情況下，上述結果也不會有改變。

圖12 S3抽頭經(jīng)過渡電阻接地

3.1.2 首端電流互感器二次側S3抽頭經(jīng)電感接地故障

首端電流互感器二次側S3抽頭經(jīng)電感接地，由于S2抽頭所接負載為電阻，因此此時在分流的基礎上可能會出現(xiàn)相位偏差。在仿真中選取接地電感L為0.01 H，得到首尾兩端三相電流如圖13所示，可以看出此時A相首尾兩端電流不僅大小有差異，另一方面相位也不再相反，發(fā)生了相位偏差。

圖13 首端電流互感器二次側S3抽頭經(jīng)電感接地故障

3.1.3 首端電流互感器二次側S3抽頭經(jīng)阻感接地故障

經(jīng)阻感接地的情況與經(jīng)純電感接地情況類似，均是在分流的基礎上有些許相位偏差，在仿真中設置R為1 Ω，L為0.01 H，得到的三相首尾兩端電流如圖14所示。

圖14 首端電流互感器二次側S3抽頭經(jīng)阻感接地故障

3.1.4 首端電流互感器二次側S3抽頭經(jīng)電容接地故障

設置接地電容C為0.001F，與經(jīng)電感接地情況類似，此時同樣會出現(xiàn)相位偏移。阻容負載的情況與之類似，不再贅述。

結合以上仿真分析與理論分析，若保護用互感器的負載為純電阻，無論Zk是阻性還是感性，i2都不會出現(xiàn)高頻時電流相位與基頻下電流相位完全相反的情況,因此，考慮保護用互感器接阻感負載的情況。

3.2 保護用互感器負載為阻感負載

圖15為保護用互感器負載為阻感情況下S3處發(fā)生接地故障。保護用電流互感器測得電流i2可以表示為

(4)

式中:Z2—保護用互感器負載阻抗；

Zk—故障點的接地阻抗。

經(jīng)過分析，只有當Z2為感性負載、Zk為容性負載時，才會出現(xiàn)基頻與高頻下保護用互感器流過電流相位完全相反的情況，因此對這一種情況進行仿真分析[8]。在仿真中設置保護用互感器負載R為0.08 Ω，L為0.002 H，在50 Hz頻率下，該負載阻抗近似為1 Ω，同時設置故障點接地電容C為0.01 mF。

圖15 保護用互感器負載為阻感時故障

3.2.1 工頻情況

圖16 工頻下首尾兩端電流

3.2.2 高頻情況

以1000 Hz為例說明高頻下的故障情況。

由于Zk為容性，且隨著頻率的升高，其容性阻抗減小，而Z2為感性且隨著頻率升高其阻抗值增大，因此認為在高頻下Zk為容性，Zk+Z2為感性，此時會出現(xiàn)i2與i1相位相反的情況，并且i1與尾端電流幅值相同相位相反，則首尾兩端電流相位相同[9]。如圖17所示為高頻下的首尾兩端三相電流，與理論分析一致，此時的故障相差動電流較大，因此會導致差動保護誤動作。

圖17 高頻下首尾兩端電流

4 建 議

(1)利用停電機會對斷路器CT接線盒及二次回路絕緣開展專項檢查工作，對電流互感器所有繞組均進行絕緣電阻測試。

(2)加強交流濾波器分合閘波形分析，特別是電流側、負荷側、尾端電流比對分析，重點關注相位、差流是否存在微小異常。

(3)在新設備驗收階段，注意隱蔽工程施工工藝的驗收，重點對互感器本體絕緣破損情況進行檢查。