換流變非電量保護誤動分析及改進措施

蔣久松，康文，張宏，劉國云

(國網湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410004)

國家電網公司所屬換流站內變壓器、油浸式電抗器的非電量保護，其運行的可靠性和穩定性直接關系到直流系統的安全穩定運行。2003—2010年間，在運換流站由于瓦斯、油流、SF6密度或壓力等非電量保護誤動累計導致9次直流閉鎖，僅2010年以來就導致6次直流閉鎖。實際上換流變本體都沒問題，而是油流繼電器等非電量保護及回路誤動導致。

文中對鵝城換流站換流變油流繼電器動作跳閘的保護動作原因進行了分析，論述了非電量保護繼電器的優化措施，即三取二改造的方案，對實施過程進行全面分析。

1 換流變油流繼電器動作跳閘分析

1.1 故障過程及檢查情況

2010年12月9日01:04:13:673，事件記錄發出“P1A1 Delta Phase A OLTC Oil Flow Relay 14.1 Trip”(極I Y/D相控制系統A發出分接頭油流繼電器14.1跳閘)，控制系統B無該跳閘事件，極I控制保護系統發出Z閉鎖信號。01:04:13:687，極I直流系統閉鎖，雙極功率1 366 MW全部轉至極Ⅱ運行正常。

設備停電后，檢查測量該繼電器發出閉鎖信號的干簧接點A(對應極控A系統)電阻為0.4 Ω，即確認已閉合，而該繼電器送往極控B系統接點B為斷開狀態。排除控制系統或二次接線存在問題的可能性。將故障油流繼電器14.1拆下后手動將油流繼電器擋板部分推開，發現當繼電器稍微振動時，誤動干簧接點A會出現左右抖動，而正常接點B無抖動。

每臺換流變配置2臺OLTC分接頭，在2臺分接頭油箱和油枕之間分別設14.1和14.2共2臺油流繼電器，當油流速＞1.5 m/s時油流推動相應的重瓦斯擋板向前移動，A/B跳閘接點都會被相應位置的磁鐵吸合，送2套控制系統實現跳閘出口。油流繼電器由機械和電氣2部分構成。機械傳動部分的關鍵部件包括固定支架、擋板、擋板傳動螺絲、吸合磁鐵和配重架。在結構上，擋板、吸合磁鐵與配重架通過轉軸定位在支架上，轉軸為擋板、吸合磁鐵和配重架旋轉的支點。擋板傳動螺絲(絲扣螺絲)固定在配重架上并相繼穿過吸合磁鐵、配重架和擋板，三者位置相對固定，配重架和吸合磁鐵有一定的松動空間。

機械傳動部分工作時，擋板被油流推動，繞轉軸旋轉的同時，擋板通過傳動螺絲將轉動力傳遞到配重架和吸合磁鐵上，并帶動配重架和吸合磁鐵一起繞轉軸旋轉，如圖1所示，磁鐵與干簧接點靠近時，會使接點吸合。

圖1 擋板傳動示意圖

1.2 原因分析

通過將故障繼電器與新的繼電器進行比對后發現有2點差異:1)相對正常干簧接點B，干簧接點A與磁鐵 (磁鐵隨擋板的動作移動)間裝配距離較近，故更容易吸合。2)發現與故障繼電器的擋板傳動螺絲出現磨損缺口，該缺口導致擋板容易振動。同時考慮當時鵝城換流站夜間氣溫較低且變化較大，會加劇該擋板 (帶配重架)的振動。

故障原因分析:1)在換流變壓器運行的過程中，變壓器本身的震動會帶動鑲嵌吸合磁鐵的金屬片一起振動，長期振動產生的摩擦使傳動螺絲出現缺口，隨著傳動螺絲缺口加大，磁鐵振動幅度相應增大;2)誤動的干簧接點在工廠裝配時與吸合磁鐵的安全距離偏小，一旦吸合磁鐵與干簧接點接近，吸力就會使干簧接點保持在吸合狀態，引起保護誤動。

該型油流繼電器在結構設計上選用螺紋式的擋板傳動螺絲，并且螺絲的強度、剛性都不夠，是導致螺絲磕出凹槽，引起鑲嵌吸合磁鐵的鋼片位移量增大，進而引起誤動的根本原因。

2 相關后續工作

2.1 檢查和試驗項目

1)傳動試驗和跳閘接點同步性校核

對全站在運換流變壓器和平波電抗器的瓦斯繼電器和油流繼電器進行傳動試驗。通過按壓繼電器上“功能試驗按鈕”對90只瓦斯繼電器、24只油流繼電器進行了試驗，查看運行人員工作站報警事件、跳閘事件記錄，記錄雙系統報警事件的時間差值，并使用故障錄波儀記錄繼電器2付跳閘接點電壓波形，校核其動作同步性。

2)絕緣試驗

使用兆歐表 (500 V)測量換流變和平抗瓦斯繼電器、油流繼電器報警和跳閘接點的絕緣電阻，測量結果正常。

3)抽查瓦斯、油流繼電器機械部件

取出P1-Y/D-B相換流變壓器14.2油流繼電器和P1-Y/Y-C相換流變壓器1.1瓦斯繼電器機械部件，繼電器擋板和配重架安裝牢固;兩側干簧管與磁鐵間距沒有明顯異常;擋板傳動螺絲安裝牢固，存在輕微磨損情況;接點引線未發現問題。

2.2 發現的問題分析

1)P1-Y/Y-C相換流變壓器1.1瓦斯繼電器故障

通過傳動試驗檢查發現，在按壓試驗按鈕時，P1-Y/Y-C相換流變壓器1.1瓦斯繼電器A系統跳閘接點正常動作 (接點閉合)，而B系統跳閘接點 (33-43)不動作 (保持常開狀態)，跳閘波形和事件記錄分別如圖2，3所示。

2)部分瓦斯繼電器接點不靈活

檢查發現，換流變壓器5只瓦斯繼電器跳閘接點動作不靈活 (P1-Y/D-A相1.6、P1-Y/D-B相1.3，P1-Y/D-C相1.3，P2-Y/D-A相 1.6、P2-Y/Y-C相1.6)，在前3次按壓試驗按鈕時，B系統跳閘接點不動作，但經過幾次按壓后，B系統跳閘接點能夠與A系統跳閘接點同步動作。

2.3 后續處理措施

1)P1-Y/Y-C相換流變壓器1.1瓦斯繼電器更換處理。EMB公司技術人員見證了現場該繼電器更換全過程。更換后，A/B系統跳閘接點動作同步性正常，2付接點動作時差為5 ms。

2)動作時間結果記錄。經檢查，換流變壓器和平波電抗器瓦斯和油流繼電器均可正常發出報警、跳閘事件，2付跳閘接點動作同步性正常，動作時差均在20 ms左右。

3 保護三取二改造措施

3.1 當前非電量保護存在問題

以鵝城換流站為例，當前換流變、平抗非電量保護配置中，繼電器的任一跳閘接點動作均會直接出口執行極閉鎖。單極閉鎖風險較大，且不滿足《國家電網公司防止直流換流站單、雙極強迫停運二十一項反事故措施》中第1.1條要求。換流變本體控制保護系統接口ETCSA和ETCSB單接點動作直接出口信號多達20路。

根據國家電網公司《關于進一步加強直流換流站遺留隱患治理的通知》和《關于印發換流變壓器油流和瓦斯繼電器改進措施研討會紀要的通知》的意見，進行換流變壓器設備非電量保護“三取二”改造，避免單一繼電器及回路故障導致直流系統誤閉鎖。

3.2 改造總體原則

非電量保護改造總體設計原則為三取二方式實現，ABB相關工程 (龍政、江城、宜華)利用現有的ETCS和ERCS裝置，通過增加外部電纜和IO板卡，在ETCS和ERCS中實現非電量保護三取二功能。主瓦斯和油流更換為帶3付接點的繼電器，部分無法直接提供3付跳閘接點的繼電器如SF6密度等采用報警與跳閘綜合判斷方式〔1〕。如圖4所示。

圖4 改造原理圖

3.3 瓦斯和油流繼電器產品的改進措施

國家電網公司及相關運維單位組織有關廠家開展了大量研究和改進工作。2011年3月13日和3月22日，寶雞換流站極I換流變C相本體重瓦斯誤動并導致極I閉鎖。2011年5月國家電網公司生技部在北京組織召開了改進措施研討會，督促EMB公司完成了如下方面的產品改進措施。

EMB公司生產的瓦斯繼電器內浮球存在質量問題。經該公司內部排查，全球累計發生5次由于浮球問題導致的瓦斯繼電器誤動 (EMB公司每年供貨約13 000只)，故障原因均為2個半球熔接處太薄，檢測過程中沒有發現熔接處的微小縫隙。該公司提出了浮球檢測改進措施:卡尺測量浮球邊緣厚度小于2 mm時列為不合格產品;增加在真空容器中注油后加壓-1.0bar持續3 h的測試工序，便于浮球內氣體的滲出和油的滲入，提前發現問題〔2〕。與寶雞站相同批次的產品已全部更換。

3.4 三取二改造具體實施方案

3.4.1 涉及范圍及措施

2012年年度檢修期間，鵝城換流站組織將換流變油流繼電器、瓦斯繼電器統一更換為3付跳閘接點型繼電器，采取3付跳閘接點需獨立采集信號做3取2邏輯判斷，其它本體保護繼電器需在A，B系統間硬件共享保護跳閘和報警信號。其它已投運的換流站也陸續進行了三取二改造。

3.4.2 改造效果分析

本次改造雖涉及范圍廣且工作量較大，改造后對現場防止單雙極閉鎖效果顯著，如表1所示。

從表1可知，通過本次改造可有效避免由于繼電器、板卡單一接點故障導致的保護誤動，而對于概率相對較小的第3種故障工況無改善。

4 結束語

總之，通過上述的非電量保護改造措施，最大程度上實現了在防止拒動的同時避免單一跳閘接點或回路誤動。同時，通過對瓦斯、油流繼電器的質量檢測和監督，切實保障主設備的安全穩定運行。

〔1〕國家電網公司生直流〔2011〕79號 關于進一步加強直流換流站遺留隱患治理的通知〔Z〕.

〔2〕國家電網公司生直流〔2011〕77號印發換流變壓器油流和瓦斯繼電器改進措施研討會記要的通知〔Z〕.