基于保護分區特性的換流站故障診斷

龔凌云，王 旋，秦 皇，蔡韓奇，田 雷

（國網浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

直流輸電具有輸送容量大、送電距離遠、電網互聯方便、功率調節容易和線路走廊窄等諸多優點，因此，在遠距離電能傳輸、非同步電網互聯、分布式能源接入電網、海島供電以及大城市中心區域電纜供電等領域具有明顯優勢[1-3]。

特高壓換流站設備類型多，發生故障的概率高，保護配置也要比常規變電站復雜得多。目前，鮮有文獻對換流站的故障診斷進行研究。文獻[4]重點強調了提高直流輸電線路繼電保護的研究和運行水平。文獻[5]針對直流單極接地故障，設計了一種附加控制器以加速電容電壓再平衡，實現故障恢復。文獻[6-7]針對直流輸電線路故障，未提及換流站內設備故障診斷問題。目前，對變電站故障診斷技術相對成熟。文獻[8]提出了一種基于粗糙集理論和神經網絡模型的變電站故障診斷方法，運用神經網絡對故障診斷知識進行模式識別。文獻[9-10]針對智能變電站，分別設計了一種網絡分析與故障錄波一體化系統，提出了一種繼電保護故障可視化分析方案。

繼電保護裝置作為電力系統的重要組成部分，在換流站發生故障時能夠快速切除故障設備。不同保護類型的保護范圍不同[11-15]，故障錄波裝置會動態記錄故障電流、電壓和保護動作信息。特高壓直流保護也是繼電保護的一種，其按照分層、分區和獨立配置的原則設計[16-18]，本文提出了一種基于保護分區特性的故障診斷方法，結合保護動作情況和動作保護的分區特性實現故障診斷。以金華換流站換流變本體閥側首端套管內部故障為例，通過本文提出的診斷策略，有效實現了故障定位。

1 換流站保護分區特性

根據現有配置的換流站保護原則，主要劃分為7 個區域：換流閥保護區域、極保護區域、雙極保護區域、直流濾波器保護區域、換流變保護區域、交流濾波器保護區域和交流場保護區域。以交流直流為界，將換流閥保護、極保護、雙極保護和直流濾波器保護歸為直流保護，換流變保護、交流濾波器保護和交流場保護歸為交流保護。

1.1 直流保護

保護區域是以CT（電流互感器）位置作為各保護范圍的界限的，CT 測點分布如圖1 所示。分別對金華換流站配置的保護及保護分區情況作了一個統計，如表1 所示。當發生故障時，參照表1，根據保護動作情況確定故障范圍。表1 中，被保護區域以黑線框出。

表1 直流保護的分區特性

1.2 交流保護

交流保護包括交流濾波器保護、換流變保護和交流場保護。交流場保護范圍包括母線、500 kV GIS 開關以及交流線路，對常規變電站故障診斷，文獻[5-6]中已經研究得比較透徹，在此不做贅述。交流濾波器是換流站的無功設備，由電容器、電阻器以及電抗器組成，每個設備設立了單獨的保護，包括差動保護、不平衡保護等，本文不作詳細介紹。

換流變是換流站的主設備，結構復雜，故障率也比較高。換流變網側套管、閥側套管的故障概率較高，換流變保護的分區特性如表2 所示，表2 中保護范圍以虛線框出。

2 基于保護分區特性的故障診斷方法

換流站直流場區域采用敞開式的設備，所配保護也基本可定位到單個設備，因此直流場的設備故障定位可通過保護動作情況確定故障范圍，再結合現場故障現象來進一步確定故障設備。

換流變配置了電氣量保護和非電氣量保護，當換流變內部發生故障時，僅僅依靠保護動作情況可能無法進行正確地診斷，需要結合一體化在線監測系統的歷史油色譜數據來確定。

表2 換流變保護的分區特性

圖1 換流站CT 測點分布

以上2 類設備發生故障時，故障現象較為明顯，故障診斷和定位也比較容易。換流站存在一類設備，其故障現象不明顯，不太容易進行故障診斷，即套管類的故障，如換流變網側套管、換流變閥側套管以及直流穿墻套管。本文旨在對這3 類套管的故障實現快速診斷，通過對套管故障時保護的動作情況進行分析，將所有的保護動作結果羅列，換流站工作人員就可直接根據保護動作結果進行匹配，從而直接實現故障定位。換流變網側、閥側套管內部均含有CT，以CT 為界，將其一分為二，套管故障分類及相應保護動作情況如表3 所示，可直接根據表3 的保護動作情況實現故障診斷。

表3 套管故障分類及保護動作情況

3 故障診斷

以某換流站某日發生的換流變故障跳閘作為分析案例，采用本文提出的基于直流保護分區特性的故障診斷方法，實現了故障診斷。

3.1 故障情況

3.1.1 主要事件記錄

發生故障跳閘后，保護動作情況如表4 所示。

表4 主要事件記錄

3.1.2 保護動作錄波分析

結合后臺事件，調取極保護和閥組保護的故障錄波，進一步分析極保護和閥組保護的保護動作信息，如圖2、圖3 所示。

圖2 故障閥組保護動作故障錄波圖

圖3 極2 差動保護動作故障錄波圖

圖2 為故障錄波記錄的閥組保護動作信息，DDD_II_diff 為閥組差流，DDC_I_ref 為閥組I 段保護定值。t1時刻09：32：35：902，閥組差流產生；4.3 ms 后，t2時刻差流大于I 段定值3 084 A；經5 ms 延時，t3時刻閥組差動保護動作，執行S 閉鎖；t4時刻跳交流進線開關；t5時刻投旁通對；t6時刻閥點火停止。

圖3 為從故障錄波調取的極保護動作信息，由圖3 可知，t1時刻，極母線電流IDL_I 和中性母線電流IDNE_I 發生變化，極差流PDP_A_I 產生；t2時刻極差動保護動作，執行S 閉鎖。

因此，由故障錄波調取的極保護動作信息和閥組保護動作信息可知，故障發生后，閥組差動保護和極差動保護均動作。

3.2 故障診斷

根據后臺事件記錄表和錄波分析的結果可知，當故障發生后，換流變重瓦斯保護、極差動保護和閥組差動保護這3 個保護動作，結合表1，可直接實現故障定位，即將故障定位至閥側套管CT 外側（靠近閥側），如圖4、圖5 所示。

3.3 解體驗證

從解體后的接地法蘭內部圖上可以看出，法蘭表面碳化燒蝕痕跡明顯，電容芯子環氧樹脂絕緣層燒蝕嚴重，如圖6 所示，該位置為閥側首端套管CT 靠近末屏側（閥側），由此可判斷法蘭處為接地故障位置，與本文結合分區特性實現的保護故障診斷結果一致。

4 結語

圖4 極2 低端換流變故障點及故障電流示意

圖5 換流變接地故障位置示意圖

圖6 故障換流變閥側首端套管法蘭處解體結果

換流站配置的保護可以實現保護站內的全部設備，各類保護具有明顯的分區特性。本文基于保護的分區特性實現了對某換流站某日發生的閉鎖故障進行診斷，準確地診斷出了極2 低端換流變A 相閥側套管CT 外側發生接地故障點，換流變的解體結果進一步驗證了本文診斷結果的準確性。結合保護分區特性實現的故障診斷也為解體分析和故障成因提供參考價值。因此，掌握換流站保護的分區特性，對于現場的故障定位和故障診斷有著至關重要的作用。