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(xué)院，寧夏 銀川 750199)

交流濾波器是換流站核心設(shè)備之一，主要為換流器提供無功功率和濾除諧波，運(yùn)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(shí)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(yùn)行[1]。通過對(duì)某換流站一起交流濾波器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致小組濾波器斷路器跳閘原因的深入分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致設(shè)備異常的根本原因，并通過仿真重現(xiàn)了故障特征。針對(duì)事件暴露出的問題提出了相應(yīng)的解決方案及后續(xù)在設(shè)備安裝、運(yùn)維階段注意事項(xiàng)和改進(jìn)措施，以保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 故障情況

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

表1 PCS-976A保護(hù)裝置顯示故障報(bào)文

1.1 一次設(shè)備檢查情況

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(shè)備進(jìn)行常規(guī)預(yù)試檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

1.2 二次設(shè)備檢查情況

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行檢查，第二大組交流濾波器A套保護(hù)裝置顯示“SC比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作”、“SC零序差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作”、“跳SC交流濾波器開關(guān)”， 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(hù)裝置相應(yīng)差動(dòng)保護(hù)未啟動(dòng)。圖1為7621交流濾波器CT配置，電源側(cè)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(dòng)保護(hù)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(zhuǎn)成小電流信號(hào)后，送入常規(guī)互感器合并單元PCS-221轉(zhuǎn)成光信號(hào)，最后以光纜送入保護(hù)裝置PCS-976A[2]。

7621小組濾波器投入時(shí)，兩套保護(hù)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(hù)裝置錄波

圖3 SC型小組交流濾波器B套保護(hù)裝置錄波

正常情況下，參與差動(dòng)保護(hù)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(shí)A套保護(hù)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(hù)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(hù)未啟動(dòng)[3]。

綜合上述分析，推斷7621交流濾波器A套保護(hù)首端A相電流出現(xiàn)傳變異常導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作。

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

圖4 A套保護(hù)裝置A相差流動(dòng)作分析

從圖4可知，A套保護(hù)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(dòng)作門檻值，因此比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)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(yuǎn)低于0.38Ie的啟動(dòng)值，因此沒有啟動(dòng)和動(dòng)作。

圖5 B套保護(hù)裝置三相差流動(dòng)作分析

2.2 現(xiàn)場(chǎng)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(hù)后，對(duì)7621間隔進(jìn)行基波電流、低頻諧波電流二次通流試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果均正常[4]。因現(xiàn)場(chǎng)不具備模擬濾波器實(shí)際合閘時(shí)高頻電流的條件，現(xiàn)場(chǎng)無法驗(yàn)證合并單元采樣插件在高頻電流干擾下傳變特性，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)合并單元采樣插件進(jìn)行更換。更換插件后申請(qǐng)7621交流濾波器恢復(fù)送電，并對(duì)合閘時(shí)保護(hù)裝置錄波進(jìn)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(hù)在7621間隔A相合閘后，出現(xiàn)較大差流，達(dá)到50 A左右，B、C相及B套保護(hù)三相差流小于10 A。

圖6 7621濾波器送電合閘波形

針對(duì)7621間隔合閘后交流濾波器A套保護(hù)A相出現(xiàn)較大差流的現(xiàn)象，判斷該套保護(hù)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(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)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(hù)A套保護(hù)用電流繞組與故障錄波器用電流繞組進(jìn)行調(diào)換，7621首端CT 12HL繞組由保護(hù)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(hù)用，CT變比由2500/1調(diào)整為1250/1。更換繞組后，對(duì)7621首端CT進(jìn)行一次通流試驗(yàn)，驗(yàn)證保護(hù)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(yàn)

進(jìn)行7621交流濾波器進(jìn)行投切試驗(yàn)，7621斷路器合閘后，查閱第二大組交流濾波器保護(hù)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(hù)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(yàn)A套保護(hù)裝置波形

圖8 倒換繞組后投切試驗(yàn)B套保護(hù)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(dòng)的情況下，倒換7621斷路器A相繞組前，保護(hù)裝置A套首端A相電流傳變異常，保護(hù)裝置B套及故障錄波電流均正常。繞組倒換后，保護(hù)裝置A套首端A相電流恢復(fù)正常，故障錄波裝置采樣波形顯示合閘初始時(shí)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(hù)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?yàn)?621首端A相CT 12HL繞組在濾波器投入時(shí)短時(shí)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(duì)7621斷路器首端CT的CT1線圈進(jìn)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(duì)該線圈開展了通流、絕緣及極性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果合格[5]。檢修完成后進(jìn)行沖擊合閘試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行正常，查閱兩套保護(hù)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(fù)現(xiàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證故障分析的準(zhǔn)確性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況搭建信號(hào)仿真測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行故障仿真[6]，其中二次側(cè)S1、S2抽頭之間繞組為保護(hù)用互感器繞組，絕緣破損發(fā)生在S3抽頭處。

3.1 保護(hù)用互感器負(fù)載為純電阻

圖11為保護(hù)用互感器負(fù)載為純電阻情況下S3處發(fā)生接地故障。保護(hù)用電流互感器測(cè)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(cè)電流；

i2—保護(hù)用電流互感器測(cè)得電流[7]。

圖11 保護(hù)用互感器負(fù)載為純電阻時(shí)故障

3.1.1 首端電流互感器二次側(cè)S3抽頭經(jīng)過渡電阻接地

首端電流互感器二次側(cè)S3抽頭經(jīng)過渡電阻接地，相當(dāng)于該過渡電阻與原二次側(cè)負(fù)載并聯(lián)，此時(shí)會(huì)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(shí)并不會(huì)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(shí)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(jié)果也不會(huì)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(cè)S3抽頭經(jīng)電感接地故障

首端電流互感器二次側(cè)S3抽頭經(jīng)電感接地，由于S2抽頭所接負(fù)載為電阻，因此此時(shí)在分流的基礎(chǔ)上可能會(huì)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(shí)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(cè)S3抽頭經(jīng)電感接地故障

3.1.3 首端電流互感器二次側(cè)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(chǔ)上有些許相位偏差，在仿真中設(shè)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(cè)S3抽頭經(jīng)阻感接地故障

3.1.4 首端電流互感器二次側(cè)S3抽頭經(jīng)電容接地故障

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

結(jié)合以上仿真分析與理論分析，若保護(hù)用互感器的負(fù)載為純電阻，無論Zk是阻性還是感性，i2都不會(huì)出現(xiàn)高頻時(shí)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(hù)用互感器接阻感負(fù)載的情況。

3.2 保護(hù)用互感器負(fù)載為阻感負(fù)載

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

(4)

式中:Z2—保護(hù)用互感器負(fù)載阻抗；

Zk—故障點(diǎn)的接地阻抗。

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

圖15 保護(hù)用互感器負(fù)載為阻感時(shí)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(rèn)為在高頻下Zk為容性，Zk+Z2為感性，此時(shí)會(huì)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(shí)的故障相差動(dòng)電流較大，因此會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

圖17 高頻下首尾兩端電流

4 建 議

(1)利用停電機(jī)會(huì)對(duì)斷路器CT接線盒及二次回路絕緣開展專項(xiàng)檢查工作，對(duì)電流互感器所有繞組均進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試。

(2)加強(qiáng)交流濾波器分合閘波形分析，特別是電流側(cè)、負(fù)荷側(cè)、尾端電流比對(duì)分析，重點(diǎn)關(guān)注相位、差流是否存在微小異常。

(3)在新設(shè)備驗(yàn)收階段，注意隱蔽工程施工工藝的驗(yàn)收，重點(diǎn)對(duì)互感器本體絕緣破損情況進(jìn)行檢查。