換流變壓器分接頭檔位不一致隱患分析及優化研究

劉亞楠，張超峰，劉源

(國網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備之一，與換流閥共同組成換流器，當換流器處于逆變工況時，換流變壓器有載調壓分接頭 (分接開關)主要用來維持正常的直流電壓。運維人員工作中最密切關注的便是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確測量并反映現場的真實工況，其測量結果將決定換流變壓器控制系統的控制策略，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定運行有著至關重要的作用。

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到控制系統；2)換流變壓器三相分接頭現場位置一致，而測量板卡測量并送到后臺時顯示檔位不一致，導致告警，啟動系統控制措施；3)現實工況中換流變壓器分接頭三相不一致，存在檔位差，而測量數據顯示到后臺為一致，導致不發告警，存在重大隱患。

某站站分接頭測量回路主要由BCD碼轉換裝置、NR1520A板構成。由BCD碼轉換裝置將各檔位對應電阻值轉化為二進制數字量，并傳送給NR1520A板，最終通過現場控制LAN網傳輸到控制系統中。

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 測量故障導致三相不一致

某站分接頭自同步調節控制功能是:當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壓開關檔位保持一致，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異常而導致其他分接頭不斷調節最終零序電流保護動作，最終導致閥組閉鎖。

然而當分接頭測量回路BCD碼轉換裝置或NR1520A板卡故障，導致傳輸的數據出現錯誤，若出現如下情況:當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行升檔，其他相進行降檔，使6臺檔位向24檔靠近，此時DC相實際為26檔，而系統中顯示為23檔，其他相檔位為24檔；之后對DC相進行第二次升檔，則系統檔位升至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，從而引發換流變壓器零序保護動作而閉鎖極的重大事故，如圖1所示。

圖1 測量故障導致三相不一致邏輯圖

某換流站就曾發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生明顯零序電流，有效值0.54 A，遠超零序過流定值0.15 A，直接造成零序過流保護動作，最終導致極閉鎖的事件〔2〕。圖2為某站零序過流保護動作的故障錄波圖。

圖2 故障錄波圖

2.1.2 零序電流產生的原因分析

正常運行中，所有換流變壓器均應保持三相一致運行，當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，而測量顯示結果為不差檔，那么就會導致網側星形接線變壓器三相繞組不對稱，則將在網側繞組首段產生零序電壓〔3〕。零序電壓大小與不對稱度有關，該零序電壓在三相繞組中產生零序電流，對于網側星型接線變壓器，三相繞組中流過的電流與繞組阻抗有關，而繞組的阻抗則直接取決于所接入的繞組匝數〔4〕。

在角形接線方式下，當網側產生零序電壓和零序電流時，會在閥側感應產生這兩個量，由于是角形接線，故其中產生的零序電流會形成環流，如圖3所示為零序電流流向；而在星形接線中，網側產生零序電壓和零序電流，則在閥側也必然產生這兩個量，由于星形接線下其網側與閥側流過的電流均與接入的繞組阻抗有關，閥側不會形成環流，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

當同一閥組中6臺換流變壓器檔位出現不一致現象，且檔位差在兩檔時會閉鎖檔位自動調節功能，若此時有伴隨交流側電壓波動，將嚴重影響分接頭控制策略。若逆變側交流母線電壓增加，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控制將增大閥側電壓，重新建立一個對應特定γ的理想空載直流電壓，此時γ角將恢復到參考值加裕度范圍內；同理若逆變側交流母線電壓降低，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控制將降低閥側電壓，重新建立一個對應特定γ的理想空載直流電壓，這樣γ角將恢復到參考值減去裕度范圍內，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°)，可以通過檔位的調節來增大或減小直流電壓，從而使熄弧角γ返回正常值；但是當檔位相差兩檔后，TCC為防止檔位差別繼續擴大便會自閉鎖分接頭 “自動”調節模式，這樣在熄弧角γ超過動作裕度后不可通過分接頭檔位調節來使其返回參考值，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

特高壓穩態運行的觸發角閉環控制配置在極控層，換流閥組主機接收統一的穩態運行觸發角，即觸發角由極控進行計算后將觸發角下發給高、低端閥控，保證同極雙閥組觸發角一致，保證串聯12脈動閥組的電壓平衡。

1)由于分接頭測量的偏差，系統首先會對分接頭進行調節，當高低端閥組換流變壓器分接頭檔位相差超過一檔后，控制系統不允許再進行自動調節，此時如雙閥組電壓仍然不平衡，控制系統將調節觸發角以保證電壓平衡，但因為分接頭的測量誤差，在此配合過程中很可能會導致觸發角的頻繁調節，對于逆變站而言，觸發角的頻繁調節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的穩定運行。熄弧角過大會導致換流器吸收過多無功功率，運行不經濟、使閥和直流開關場設備承受的電氣應力增大，影響設備壽命等〔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)觸發角的頻繁調節，可能導致磁飽和保護動作。由于測量檔位誤差，導致檔位控制閉鎖，為了維持閥組電壓平衡，就需要進行觸發角調節，這可能引起觸發角的頻繁調節。然而這種頻繁調節是存在極大風險的。例如2004年11月23日某站由于極ⅡPCPA系統PCIA板卡故障，導致觸發脈沖異常，觸發角在15°～30°之間反復調節變化，引起直流電流電壓波動，導致換流變壓器一次側間歇性出現零序分量，最終導致磁飽和保護誤動。這里導致動作的直接原因便是觸發角的頻繁變化。

2.4 雙極間分接頭檔位不一致隱患分析

當雙極間分接頭不一致，將會造成兩極直流電壓短時間內不平衡，短期內勢必造成兩極電流不平衡，流經雙極中性母線電流不為0，如圖7所示雙極中性母線區域電流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應為0，考慮到現場實際，中性母線區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致兩極電流不平衡，則Idn不為0，同時由于設備存在一定的感抗值R，必然造成中性母線區域電壓相對于地電位被抬升至RIdn，不利于對中性母線設備的穩定運行。

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P/U計算電流值，由于雙極電壓不平衡，短期內勢必會導致兩極電流差值更大，流經雙極中性母線區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，當出現檔位差時，另一極電壓升高或降低，會導致電流相應的減小或升高，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 硬件回路優化

在裝有BCD碼檔位轉換裝置的基礎上，加設一個將檔位電阻值轉換為4～20 mA量的并聯回路，將所測數據上傳至一體化在線監測系統，給運行人員監盤時做正確判斷提供依據，防止由于測量錯誤導致錯誤操作，如圖8所示。

圖8 檔位測量改進圖

3.1.2 軟件優化

由于零序電流是一旦超過保護定值便會動作使極閉鎖，故在控制系統中應加入零序電流的實時計算，當發現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，出現檔位測量故障使檔位差越來越大而導致零序過流。

3.2 分接頭控制軟件設計缺陷與優化建議

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6臺換流變壓器分接頭檔位的最大值，因此，當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。在常規直流中，每相的檔位值與TCP參考值進行比較，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6臺換流變壓器分接頭不一致時，常規直流工程的同步調節過程中，分接頭總是來回調節，而特高壓直流工程的同步調節只往升高的方向調，不會出現頻繁調節的現象。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

通過結合歷年各站分接頭檔位測量故障情況，分析了當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化建議，可供設計施工進行參考。

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

〔2〕陳剛.宜賓站極Ⅰ高換流變壓器角變零序過流保護動作分析報告 〔R〕.2014.

〔3〕國網運行有限公司.變壓器設備 〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔4〕劉家軍，羅明亮，徐玉潔.直流輸電中換流變壓器壓器零序過流保護的探討 〔J〕，中國電力，2014，47(6):22-23.

〔5〕趙碗君.直流輸電工程技術 〔M〕，北京:中國電力出版社，2004.