一起特高壓換流站換流變進線CVT 故障的分析與處理

徐浩原,趙 強

(國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司,內蒙古 通遼 028000)

引言

電容式電壓互感器(CVT)作為電壓測量設備相比于電磁式電壓互感器,具有體積小、維護方便、故障率低及抑制鐵磁諧振效果好等優點廣泛應用于特高壓工程。由于電壓互感器涉及眾多直流控制保護,其自身的安全可靠將直接關系到特高壓系統的穩定運行。因此在工程前期設計選型、工程建設階段的施工安裝及驗收等環節應嚴格抓好質量管控,避免在運行期間造成單雙極閉鎖事故。

1 故障描述

2020 年 07 月 11 日,某換流站 OWS 報“極Ⅰ低端換流變過電壓保護2 段A 相跳閘”與“極Ⅰ低端換流變過電壓保護Y 閉鎖”,極1 低端閥控主機B(CCP11B)出口跳開極1 低端閥組換流變進線斷路器。保護Y 閉鎖動作,極1 低端閥組閉鎖。故障前雙極四閥組5700MW 大地回線平衡運行,交直流系統正常,站內無操作、無異常告警。故障未導致功率損失。

2 故障分析

換流變過電壓保護采用三取二配置,每套保護系統測量回路相互獨立。保護分相采集換流變引線CVT 的基波至7 次諧波電壓值,保護判據如下：

Ⅰ段過電壓段：相電壓有效值UacRMS>1.3p.u(397.8kV),延時500ms,保護跳閘。

Ⅱ段過電壓段：相電壓有效值UacRMS>1.5p.u(459kV),延時20ms,保護跳閘。

動作后果：Ⅰ段和Ⅱ段跳開交流進線斷路器并執行Y 閉鎖。

故障發生時刻,極Ⅰ低端換流變三套保護A 相進線電壓有效值分別達到476kV、477kV、479kV,均達到Ⅱ段過電壓動作定值,延時20.625ms 出口,達到20ms 延時定值,A、B、C 三套保護均正確動作,A 套波形如圖1 所示。

外置錄波中極Ⅰ低端換流變A 相進線電壓瞬時值達到1104kV,有效值達到883.6kV,遠超Ⅱ段過電壓動作定值459kV,保護Y 閉鎖正確動作。500kVXX 1 號線、XX 2 號線三相電壓均正常,無異常波動。對故障錄波進行頻譜分析,發現故障時刻A 相電壓分次諧波含量較高,1/2 次諧波占比達到36%,說明分頻諧振可能性較大見圖2。

3 故障PT 試驗與諧振分析

圖1 極Ⅰ低端換流變保護A 套故障錄波

圖2 故障波形頻譜分析

根據上述分析判斷交流進線電壓A 相CVT 故障導致保護動作。現場檢查極Ⅰ低端6 臺換流變本體、進線CVT 本體外觀檢查未發現異常。

3.1 介損及電容量試驗。

現場對A 相CVT 進行介損及電容量試驗,設備試驗結果均正常如表1 所示。

表1 介損及電容量試驗數據

3.2 油色譜分析試驗

現場對A 相CVT 本體進行油色譜分析試驗,試驗結果正常見表2。

3.3 絕緣電阻試驗

現場對A 相CVT 二次側到端子箱電纜進行絕緣電阻試驗,發現3n、4a、4n 三根線芯絕緣降低,為 20～30MΩ。對二次繞組至就地端子箱電纜進行檢查,發現三根線芯護套有明顯破損,最嚴重的為4a 線芯有明顯放電,線芯絕緣層出現明顯過熱痕跡,確定電纜與進線端子箱穿孔長期磨損導致見圖3。

3.4 解體檢查

18 日對故障CVT 進行廠內解體檢查并按出廠試驗進行檢測,各項試驗數據與出廠試驗和交接試驗比對未發現異常。同時檢查電磁單元內部接線和外觀,未發現連接線松動和異常放電痕跡,通過進行電磁單元油色譜分析,與07 月11 日故障時現場所做色譜數據基本一致,沒有乙炔、乙烯等特征氣體,說明高壓側、中壓側以及電磁單元組部件內部無放電過程。通過開展高電壓下互感器介損和電容量(1.0puUm)、繞組直流電阻及絕緣測試(繞組間及對地)、中間變壓器勵磁曲線、補償電抗器電感測量、阻尼器和限幅器性能檢測、變比及誤差測量,試驗數據均正常,說明產生諧振的原因不是設備本體參數問題導致。

進行二次短路激勵下的諧振試驗時,出現的波形與07 月11 日故障波形基本契合,說明是由于二次回路故障引起的激勵,導致發生鐵磁諧振。二次側誘發下CVT鐵磁諧振試驗(1.0puUm)時,進行了兩種工況的模擬。

第一次通過接觸器控制二次側繞組短路100ms。電壓瞬時跌落到0,持續100ms 后(二次側短路時間)開始起振,震蕩最大峰值達到1.7pu,持續3 個周波后速飽和電抗器迅速將諧振阻尼到正常電壓。第二次模擬,通過接觸器控制二次側繞組短路10ms,間隔5ms 后再進行第二次繞組短路10ms,從波形來看第一次短路10ms 后開始起振,震蕩峰值達到1.2pu,持續5ms 后,電壓跌落(繞組第二次短路),10ms 后開始第二次震蕩,震蕩最大峰值達到1.8pu,分析第二次震蕩幅值更大是由于第一次短路后電磁單元內部能量未完全釋放導致。從第一次震蕩到完全阻尼共經過約300ms 如圖4 所示。可以看出模擬故障波形包括特征頻譜與07 月11 日故障時波形基本一致,充分說明電壓諧振是由于二次側出現二次瞬時短路導致。

3.5 諧振原因分析

根據該CVT 技術參數,計算該設備工頻下感抗約為28997Ω,容抗為28478Ω,感抗略大于容抗,整個回路呈弱感性。當二次側繞組發生短路后,中間變壓器激磁電流突增,中間變壓器鐵芯出現飽和,回路感抗減少,當下降到XL=XC 時,便滿足了串聯諧振的條件。當發生諧振后,阻尼時間隨諧振電壓增大而增長,根據《電容式電壓互感器的補充技術要求》(GB/T20840.5-2013),當一次側電壓達到1.5pu 后,允許的消諧時間為2s,遠大于過壓保護延時(1.5pu 下延時為20ms),因此無法通過速飽和電抗器在保護動作時間內抑制諧振。

表2 油色譜分析試驗數據(μL/L)

圖3 受損電纜及電纜進端子箱

圖4 二次側連續短路10ms 波形及頻譜分析

3.6 處理措施

現場將A 相CVT 整體拆除,更換為試驗合格的整體備品。現場對原電纜進行了更換。在年度檢修期間對其他換流變進線CVT 電纜及本體改造,對本體下方穿線管口加裝保護膠套并用絕緣夾固定電纜,防止與管口接觸如圖5 所示。

圖5 處理后

4 結束語

綜上所述CVT 測量異常的原因為該CVT 二次繞組電纜受應力與金屬外殼(端子箱進線孔或電纜金屬管護套)長期磨損導致。故障發生時,電纜破損部位與金屬部位存在兩次瞬時的接觸,導致電壓瞬時下降后發生諧振,同時由于速飽和電抗器阻尼時間遠大于過壓保護動作時間,保護出口閉鎖閥組。基于以上問題,為保障特高壓電網的穩定運行對在運及新建工程提出以下措施建議：(1)工程建設階段在設計、施工安裝階段加強審查及質量管控,對同類問題進行全面排查,電纜穿管或穿孔時應加強防護,應在穿線管口加裝保護膠套并采取有效固定措施防止電纜由于自重或外力作用長時間移位磨損。(2)在運工程應結合停電檢修對換流變進線CVT 進行全面檢查,包括開展二次繞組絕緣測試、芯間絕緣及對地絕緣測試。對絕緣測試結果異常或橫向對比變化較大的,應進行進一步檢查,必要時可用內窺鏡對電纜進行檢查。(3)在工程驗收階段加強驗收環節管控,細化驗收標準,嚴格執行標準化驗收。