復龍換流站飽和保護異常情況分析

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(國家電網公司運行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

0 引 言

飽和保護是為了防止當換流變壓器流過直流電流時，產生的較大、不對稱的勵磁電流造成換流變壓器熱損毀。下面主要結合換流變壓器飽和保護配置和現場運行情況，分析復龍換流站換流變壓器飽和保護存在的異常情況，并提出改進建議。

1 復龍換流站飽和保護的配置及原理

飽和保護是為了防止直流電流流經換流變壓器引起鐵心飽和，造成換流變壓器熱損毀。而換流變壓器鐵心飽和程度是無法測量的，故判斷換流變壓器是否飽和最好的指標之一是畸變的直流偏磁電流[1]。復龍換流站換流變壓器保護采用的是南瑞的RCS977D保護裝置，該保護裝置中的換流變壓器飽和保護，是由保護裝置通過檢測接地支路的自產零序電流峰值來進行飽和保護判斷。裝置將換流變壓器流過的直流電流、零序電流和運行時間的對應表，線性化為一條反時限動作曲線，并根據零序電流進行反時限累計判斷。勵磁電流峰值越大，允許運行的時間越短。飽和保護的控制邏輯見圖1[2]。

圖1 飽和保護控制邏輯

飽和保護的壓板投入之后，當測得的換流變壓器零序電流峰值大于整定報警值時，系統會報警并啟動反時限延時計時。當滿足飽和反時限動作條件時，系統根據反延時曲線計算出反時限延時，當時間到達延時設定值時，保護出口動作。

由于飽和保護動作時間較長，并且可能由于直流控制，系統的不恰當控制導致較大直流流過換流變壓器，在反時限累計時間達到定值的70%時裝置將告警，并輸出控制系統切換信號以切換控制系統。換流變壓器飽和保護定值如表1所示。

表1 飽和保護定值表

2 飽和保護出現的異常情況分析及建議

2.1 換流變壓器充電后經常出現飽和保護報警問題分析

換流變壓器缺陷處理與年度檢修完畢，當處于冷備用或檢修狀態的換流變壓器充電時，經常會有換流變壓器飽和保護報警。

換流變壓器充電后，經過半個周期，變壓器的鐵心將嚴重飽和，勵磁電流劇烈增大，很有可能導致零序電流增大超過飽和保護定值。而勵磁涌流的大小及衰減時間，與外加電壓的相位、鐵心性質等都有關系。一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續時間越長。因此大容量的空載換流變壓器涌流持續的時間最長。故大容量換流變壓器充電時，很可能會引發飽和保護報警[3]。

換流變壓器充電時出現飽和保護報警是常見情況，但是運行人員應手動觸發并查看直流閥組故障錄波與換流變壓器保護錄波，分析對比零序電流變化趨勢有無單相閥側電流偏差過大。若零序電流無衰減趨勢，在兩套換流變壓器保護中飽和保護反時限累計時間達到定值的70%時，切換控制系統后申請國調退出相應閥組；若對比發現單相閥側電流偏差過大，則應切換相應閥組的控制系統并再次對比分析閥側電流的偏差，若此時閥側電流仍偏差過大，也應在兩套換流變壓器保護中飽和保護反時限累計時間達到定值的70%時切換控制系統后申請國調退出相應閥組。

換流變壓器充電時經常出現飽和保護啟動報警甚至跳閘，主要因為換流變壓器充電后的鐵心將嚴重飽和，勵磁電流劇烈增大，很有可能導致零序電流超過飽和保護定值。運維人員該如何避免此類跳閘情況出現：一是換流變壓器檢修后做好換流變壓器消磁工作；二是修改保護軟件增加飽和保護計時啟動積分開始的延時時間，以躲過換流變壓器勵磁涌流。

復龍換流站飽和保護啟動邏輯可以簡單概述為：當換流變壓器零序電流峰值大于定值時(無延時)，換流變壓器保護啟動反時限延時計時積分。從實際運維經驗來看，換流變壓器飽和保護確實未設置延時時間，只要換流變壓器零序電流峰值大于定值，立即啟動反時限延時計時積分。

查看奉賢換流站飽和保護軟件圖(見圖2)，可知當奉賢換流站換流變壓器零序電流峰值大于定值時，經過一段延時后，換流變壓器保護才啟動反時限延時計時積分。軟件中專門設置了延時避免換流變壓器充電時勵磁涌流導致飽和保護動作。在2011年5月7日奉賢換流站換流變壓器充電時飽和保護動作跳閘后，奉賢換流站運維人員分析判斷原有10 s延時不足以避開換流變壓器充電時勵磁涌流導致飽和保護動作時間，并將延時由10 s修改為30 s。據此認為復龍換流站換流變壓器飽和保護也有必要增加保護啟動延時，避免換流變壓器充電時勵磁涌流導致飽和保護頻繁報警甚至動作跳閘。

圖2 奉賢站飽和保護軟件

2.2 復龍換流站飽和保護報警設置問題

復龍換流站換流變壓器保護報警有兩類：一類是通過軟報文方式上傳至服務器,主要包括保護壓板投退信息、保護啟動信號等；另一類是通過硬接點方式上傳至服務器，主要是保護動作信號。復龍換流站換流變壓器飽和保護啟動計時信號是采用軟報文形式報出，即通過圖3的方式將報文上傳至服務器，此信號為灰色正常事件，無計時累計時間與飽和段位顯示。此種信號傳輸方式經過的設備繁多，當中的交換機、光電轉換模塊、保護裝置通信插件、網口、網線、光纖等任一設備出現故障，將會導致通訊故障事件無法正常上傳。以往復龍換流站曾多次出現類似故障，且目前極Ⅱ高端換流變壓器保護裝置仍存在此類故障。換流變壓器飽和保護啟動計時信號是非常重要的事件信息，若無此信息，運行人員將無法第一時間掌握換流變壓器飽和保護動態，將沒有足夠的時間進行數據分析、對比并進行處理，只能等到飽和保護動作導致系統切換才能得知保護啟動信息(此時反時限累計時間已達到定值的70%)，浪費了大量時間，很有可能錯過事故處理的黃金時期。

圖3 換流變壓器軟報文事件上傳

針對上述問題，建議應采取下列措施：1)在飽和保護信號傳輸方式未改動的情況下，運維人員精心巡視，及時發現保護裝置通訊故障情況并及時處理，保證飽和保護信號正確及時地傳輸。2)在保護裝置通訊故障暫時無法處理時，應加強監視：在方式變動、系統擾動、復奉與賓金直流不平衡運行時，進行保護裝置事件查看；若有其他閥組出現飽和保護啟動報警時，也應立即檢查通訊故障換流變壓器保護裝置。3)研究可行性方案，減少軟報文信號傳輸的中間環節，提高信號傳輸可靠性。4)將飽和保護計時啟動信號修改為硬接點報文上傳方式，使飽和保護計時啟動信號同其他保護動作信號、模擬量信號采取一樣的傳輸方式，即保護裝置輸出一副信號接點，經信號端子直接上傳至CMI，由CMI傳送給CCP將報警報出。5)增加報警的時效性，換流變壓器飽和保護動作時，不能及時向后臺報送計時啟動的飽和保護段別，由于運行人員難以掌握其動作時限，建議上傳更加詳細的信息。

2.3 宜賓換流站飽和保護跳閘分析及建議

2014年6月10日，宜賓換流站接地極線路處于檢修狀態，極Ⅱ高端換流變壓器處于充電狀態。復龍換流站操作將復奉直流由單極金屬回線運行轉為單極大地回線運行，宜賓換流站極Ⅱ高端換流變壓器飽和保護動作跳閘。分析此次宜賓站極Ⅱ高端換流變壓器飽和保護跳閘的原因為：復奉直流復龍換流站與賓金直流宜賓換流站為共用接地極(共樂接地極)，當其中一個直流系統單極大地運行，另一直流系統接地極線路檢修時，接地極直流電流將分流，一部分進入接地極線路檢修站的變壓器接地網，導致換流變壓器發生直流偏磁。

為了解共樂接地極電流分配情況以及接地線路檢修對直流系統和換流變壓器直流偏磁的影響程度，在復龍換流站2014年大修時對共樂接地極電流分流進行了實測。實測結果為：復奉直流單極大地回線運行、宜賓換流站接地極線路檢修時，共樂接地極約有1/8直流電流流入宜賓換流站接地網；賓金直流單極大地回線運行、復龍換流站接地極線路檢修時，共樂接地極約有1/6的直流電流流入復龍換流站接地網；換流變壓器零序電流與接地極直流電流流入接地網的電流成正比。

宜賓換流站“6·10”極Ⅱ高端換流變壓器跳閘與近期宜賓換流站“7·13”極Ⅰ高端換流變壓器跳閘均是因為直流電流流入大地，部分電流經大地、換流變壓器中性點流入變壓器，引起換流變壓器飽和保護動作跳閘。為避免直流電流經換流變壓器中性點流入變壓器，最有效方法是將換流變壓器中性點經一低壓低流單向導通裝置接地。但是目前暫時沒有這種低壓低流零損耗的單向導通材料。文獻[1]提出了以下幾種可行性方法：1)反向電流法：在變壓器中性點接入一個直流發生裝置，產生一個與直流接地極電流大小相等、方向相反的直流進行補償，以此來抑制變壓器直流偏磁。2)中性點接電阻法：變壓器中性點串接電阻器后再接地，增大了直流電流的電阻，減少了進入變壓器的直流電流，達到緩解直流偏磁的效果。3)電容器隔直法：電容器具有“隔直通交”的特性，可以達到抑制直流電流的目的。在直流偏磁嚴重的換流站可以考慮采取上述方法，消除直流電流經大地、換流變壓器中性點流入變壓器引起換流變壓器飽和保護動作跳閘的隱患。

2.4 “6·10”復龍換流站換流變壓器飽和保護動作事件分析及建議

2015年6月10日上午，極Ⅱ高端閥控系統由B套切換至A套后，極Ⅱ高、低端相繼出現飽和保護動作，其中極Ⅱ低端換流變壓器飽和保護A套發閉鎖指令、B套發切系統指令后，距離B套發閉鎖指令不足13 min，運行人員及時申請停運極Ⅱ低端閥組才免于造成事故。

在極Ⅱ高端閥控主機切換系統后，極Ⅱ高端換流變壓器飽和反時限保護計時復歸。

圖4 CCP21B系統的錄波(07:08 控制系統切換前)

圖5 CCP21A系統的錄波(07:08控制系統第1次切換)

查看CCP21A/B控制主機的錄波(見圖4至圖5)，發現有以下幾個異常：

1)極Ⅱ高端閥組控制CCP21A系統測量的IVY_L1(Y/Y換流變壓器閥側套管電流A相)偏向正極性約700 A，而B系統測量的IVY_L1則無任何偏移。

2)第1次切換前，CCP21B系統為主用，觸發角穩定在22°。切換后，CCP21A系統為主用，觸發角每20 ms在22°與30°之間變動一次，直流電流也相應出現波動。

3)再次切換系統后，CCP21B系統為主用，觸發角和電流恢復至正常(見圖6)。

圖6 CCP21B系統的錄波(09:02控制系統第2次切換)

結合事件發生經過和錄波分析，故障原因是CCP21A系統測量IVY_L1板卡的故障引起極Ⅱ觸發角頻繁調節，引發直流偏磁，從而導致了極Ⅱ高、低端飽和保護動作。而另外一套系統CCP21B檢測到相關電流量是正常的，故系統切換后飽和保護及時復歸。

深入分析ABB軟件中關于觸發角控制采樣分析可以看出，特高壓換流站觸發角控制采樣主要取高低端閥側電流最大值MAX_IV和直流側電流IDNC的最大值作為實測電流值ID_RESP，再與電流參考值進行比較，從而確定觸發角，如圖7所示。當CCP21A系統主用時，其向極Ⅱ極控系統發送的IVY_L1較實際值大，當Y/Y-A相換流閥導通時，極Ⅱ極控系統誤認為IVY_L1測量值大于直流電流700 A，立即增加觸發角以減小電流，導致實際直流電流減小；當Y/Y-A相換流閥關斷后，IVY_L1測量值小于直流電流，控制系統又會立即減小觸發角以增大電流。每1/3周波，觸發角就會大范圍變化一次，引起了觸發脈沖的不對稱。觸發角的頻繁調整引起了觸發脈沖的不對稱。而觸發脈沖不對稱是直流偏磁的原因之一，因為觸發脈沖屬于極控范圍，導致極Ⅱ高、低端換流變壓器均飽和。

根據上述的故障解析可以看出，此次故障換流變壓器飽和保護動作正確，故障主要原因為極Ⅱ高端閥組測量接口柜CMI21A柜內的RCS862YI板卡測量故障，引發換流變壓器飽和保護動作。運檢人員進一步分析發現閥側電流IVY經H5.8 RS862YI采樣后，送至控制系統用作觸發角控制，沒有任何自檢功能。

圖7 電流控制器電流差值比較

綜上所述，結合復龍換流站“6·10”飽和保護動作始末，從板卡的單一元件無自檢以及觸發角控制的采樣情況進行深入分析，認為可進行以下幾點改進：一是深入分析元件工作不穩定的原因，如果是產品設計、批次等問題，需要更換同類型板卡；二是完善ABB控制保護系統模擬量自檢功能，便于及時發現板卡測量異常；三是在當前情況下，加強測量板卡監視，定期查看模擬量采樣，并在年度檢修期間對板卡開展零漂值檢測等；四是加強換流器閥側電流異常事故演練，發現閥側電流異常時應及時切換系統，更換故障板卡。

3 結 語

復龍換流站換流變壓器充電時飽和保護反復出現的報警與飽和保護報警設置不當有關，無論是定值的設定還是飽和保護報警設置都亟需改進；運行方式也要因地制宜，對于共用接地極的復龍、宜賓兩個換流站，要嚴格杜絕一個站接地極線路檢修時，另一個站單極大地回線方式運行的情況發生。而復龍換流站“6·10”換流變壓器飽和保護動作事件說明控制系統和保護系統的配合上還有一些漏洞，一個小小的元件故障有可能引發直流系統的閉鎖，這是需要引起警惕的。