直流分壓器故障診斷分析

李光耀，閆殳裔，王曉禹，呂靜毅，劉致順

(中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

隨著經(jīng)濟的增長，用電量持續(xù)加大，特高壓直流輸電技術在電力輸送中的應用越來越廣泛。在電網(wǎng)系統(tǒng)中，為了平衡電壓，特高壓換流站通常配備直流分壓器[1-2]。直流分壓器用于測量直流電壓，保持輸電線路穩(wěn)定，作用和交流電壓互感器相同。在當前電網(wǎng)系統(tǒng)中，直流分壓器測量對象是極母線和中性母線的直流電壓，采樣數(shù)據(jù)傳入換流站極保護系統(tǒng)，精準測量，能夠?qū)μ馗邏褐绷鬏旊娺M行控制及保護[3-4]。相較于交流電壓互感器，直流分壓器的故障率更高，電路發(fā)生故障需要及時排除，以免造成更大的損失。因此，對直流分壓器的故障進行診斷和分析，對于保持電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。

為了對特高壓換流站直流分壓器的故障進行分析，解決分壓器出現(xiàn)的故障問題，針對直流分壓器結構和原理進行分析，分析直流分壓器電容負載波形。通過輸出波形與諧波分析，更好的明確發(fā)生故障的原理，為故障的診斷奠定理論基礎。對實際案例出現(xiàn)的故障，開展直流分壓器的現(xiàn)場勘察，對發(fā)生的故障類型進行診斷，對于分壓器電容元件故障等隱患進行排查，經(jīng)過分析和診斷，直流分壓器故障得到消除，分析和案例具有一定的工程應用價值。

1 直流分壓器結構及原理

1.1 直流分壓器結構

在電力系統(tǒng)中，高壓直流輸電具有輸送功率大、穩(wěn)定性高的特點，廣泛應用于遠距離、大容量輸電和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)[5-8]。直流分壓器是輸電系統(tǒng)中重要的裝置，在發(fā)生故障時電壓變化速度快。直流分壓器由一次分壓回路、二次分壓板組成，二次分壓板連接電子隔離裝置和控制保護系統(tǒng)。共同組成特高壓直流分壓器結構，直流分壓器的結構決定了其在工作過程中可能出現(xiàn)故障。特高壓直流換流站直流分壓器結構如圖1所示。

圖1 特高壓直流分壓器結構

由圖1可知，在直流分壓器中，一次分壓回路由兩部分組成，實現(xiàn)電壓變換的方式是采用阻容分壓的方式進行電壓變換，一部分是高壓單位，另一部分是二次分壓和控制裝置?？刂蒲b置能夠在電壓系統(tǒng)異常時進行電路保護，避免更大的故障出現(xiàn)。

1.2 直流分壓器原理

為滿足高壓直流電壓互感器頻率響應試驗的測試需求，本文搭建了由信號發(fā)生器、功率放大器、可調(diào)電感裝置組成的高壓寬頻電源。高壓寬頻電源結構能夠通過信號的收集和功率的放大，對線路做出調(diào)整，結構如圖2所示。

圖2 高壓寬頻電源結構

輸入信號通過低壓運算放大級驅(qū)動后，推動功率放大級，得到快速跟隨輸入信號的高電壓輸出。根據(jù)這種原理可以得出整個系統(tǒng)的波形圖。直流分壓器對電路具有保護作用，能夠提高電路的穩(wěn)定性。

1.3 直流分壓器電容負載波形

為了保證系統(tǒng)能夠正常工作，整個系統(tǒng)通過220 V交流輸入供能，在輸電過程中電流不發(fā)生變化。高壓輸出信號通過負反饋通道構成閉環(huán)控制，有利于維持線路穩(wěn)定，作用在運算放大器上以提高功率放大器的輸出穩(wěn)定性。正常工作時，不會出現(xiàn)跳閘，當負載電流過大，超出負載能力，功率放大器會自動跳閘以保護其內(nèi)部電路，波形圖如圖3所示。

圖3 輸出波形與諧波分析

輸出波形和諧波能夠反映出直流分壓器的狀態(tài)，諧波與電流大小有關。線路電流和頻率會影響直流分壓器帶寬，直觀表現(xiàn)在外部就是波形的變化。當輸出電流大于40 mA時，直流分壓器輸出的電壓波形開始畸變。出現(xiàn)變化容易導致系統(tǒng)正常工作，正弦波波峰因數(shù)變小，變得不穩(wěn)定。當波形出現(xiàn)變化時，即可通過變化的特點進行直流分壓器存在故障的判斷。電路系統(tǒng)為保障內(nèi)部電路，會出現(xiàn)跳閘以避免更大損害。因此，當電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要進行診斷時，可以通過輸出波形對直流分壓器故障進行診斷。

2 常見故障分析

2022年3月16日，在正常巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)某特高壓換流站出現(xiàn)故障，對故障進行分析時，發(fā)現(xiàn)后臺極1極保護系統(tǒng)出現(xiàn)直流極母線直流分壓器SF6壓力低閉鎖。該直流分壓器的運行方式為雙極四換流器，采用大地回線640 kV降壓方式，線路輸送功率1000 MW，對于當?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)起著重要的作用。在故障診斷時雙極未出現(xiàn)閉鎖，功率沒有出現(xiàn)損失現(xiàn)象。

2.1 故障初步分析

為了排除故障，對故障進行初步分析和檢查，發(fā)現(xiàn)繼電器無明顯異常，檢查極1極保護A屏、B屏、C屏，發(fā)現(xiàn)A套保護內(nèi)開入極1直流分壓器SF6氣體壓力低信號，與其他不同，B套、C套保護則未出現(xiàn)輸入信號。

在故障診斷時，為了保護整個系統(tǒng)，設置了一定的跳閘模式，極母線SF6壓力低設置了2級告警和1級跳閘，設置警告有利于及時發(fā)現(xiàn)故障。線路中的告警信號接入極控，當信號傳輸完成后，觸發(fā)跳閘保護。OWS后臺報警信號減少，僅報“極1極保護系統(tǒng)A”，出現(xiàn)該故障的原因可能是電壓失衡導致外部節(jié)點連通。

根據(jù)檢查當天的天氣情況，出現(xiàn)的故障容易混淆，可能會影響檢查和判斷結果，采取了一定的處理措施。挑開1級SF6壓力保護跳閘后，再次觀察，發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)OWS信號恢復正常。直流分壓器低壓保護處于正常狀態(tài)，故障得到初步分析。

2.2 故障處理

對故障進行處理，首先需要確定最終的換流站故障存在位置，檢查保護系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)極B、C屏柜內(nèi)繼電器工作正常，B、C套非電量保護系統(tǒng)，無故障信號開入。查看直流故障錄波器對故障進行處理，電路系統(tǒng)的電壓大小影響對故障的診斷。發(fā)現(xiàn)單元B套(PMUB)、單元C套(PMUC)直流電壓測量值異常升高，電壓達到535 kV，不符合最高電壓的限制要求，試驗前直流電壓為500 kV。設t1、t2分別代表故障發(fā)生的時間、換流器閉鎖的時間。對端子電壓進行測量，所得結果如圖4所示，圖中(a)和(b)分別為故障前后PMUA和PMUB的直流電壓測量值Udc。

(a)PMUA測量電壓

(b)PMUB測量電壓圖4 端子電壓測量

由圖4可知，進行故障處理時，斷開測量電纜，PMUB直流電壓測量異常，電壓升高達到535 kV。經(jīng)過一段時間后，發(fā)現(xiàn)仍然存在故障。對故障進行分析后，確認為繼電器端子故障影響線路電壓波動，根據(jù)故障情況決定更換新的繼電器，進行繼電器更換后，排除了故障，直流分壓器重新恢復正常。

3 結語

本文根據(jù)直流分壓器的結構和原理，對正常狀態(tài)下分壓器電容波形和諧波進行研究，根據(jù)換流站直流分壓器特點對常見的故障開展分析。根據(jù)實際現(xiàn)場的故障情況，分析可能存在的故障原因。經(jīng)初步分析，發(fā)現(xiàn)直流分壓器SF6氣體壓力低信號，經(jīng)實際故障檢查，判斷繼電器端子故障。對故障進行診斷和分析后排除了故障，恢復直流分壓器的正常狀態(tài)。