焦点 赵航
国网安徽省电力有限公司检修分公司，安徽 合肥 230000
摘要：直流输电工程中，换流变保护区内阀侧发生单相接地故障时，存在保护灵敏度低、可靠性差的问题。高压直流输电的可靠性在一定程度上决定了区域电网的稳定性，作为直流换流站的主要设备，换流变压器的可靠运行尤为重要，换流变保护应保证换流变压器的可靠运行。本文就直流输电换流变故障分析及保护改进展开探讨。
关键词：换流变保护；阀侧故障；可靠性
引言
作为高压直流输电系统控制的基本手段之一，换流变分接头控制对高压直流输电系统的调控起着非常重要的作用，为确保换流变分接头与换流阀触发角α（或逆变器的关断角γ）密切配合，使换流器在最优参数下运行，通过对换流变分接头各种不同控制策略的介绍，并结合一起分接头控制失败案例进行分析，为提高换流变运行可靠性，减少换流变分接头机械故障率，提供了运维方面的建议。
1换流变压器保护概述
换流变压器（简称换流变）是直流输电系统中最重要的设备之一，主要用于交、直流电转换，实现电压变换、功率传输和隔离。高压直流输电的可靠性一定程度上决定了区域电网的稳定性，换流变作为交、直流电网的枢纽，其作用至关重要，同时因其制造工艺复杂，价格昂贵，所以，换流变保护必须保证换流变的安全、可靠运行。虽然，换流变与传统交流变压器相比，无论从结构，还是保护配置均存在很大不同，但是，在保护原理方面，换流变保护仍然沿用了传统交流变压器保护的保护原理和计算方法，保护主要核心原理如下：（1）差分滤波＋傅式算法的交流量采集方法：差分滤波主要用于滤除衰减直流分量；傅式算法提取交流基波分量和谐波分量，用于保护计算；（2）带制动特性的比率差动保护原理：防止区外故障保护误动作；（3）基于谐波制动的励磁涌流判据和电流互感器饱和判据：避免由于变压器充电、投切等产生的励磁涌流，以及区外故障等导致的电流互感器饱和，引起保护误动作。然而，在实际的工程实施过程中发现：换流变阀侧发生单相接地故障时，故障电流小，保护灵敏度低，大部分工况下的阀侧单相接地故障，换流变保护无法可靠正确动作。通过电力系统电磁暂态仿真程序EMTDC中的CI-GRE直流输电标准系统对换流变阀侧单相接地故障进行仿真分析，得出“只有整流侧换流变阀侧Y端区内发生单相金属性接地换流变差动保护才动作，其他情况下换流变差动保护均不动作”的结论；通过仿真数据验证了换流变阀侧单相接地故障保护灵敏度低的问题，但以上文献均未给出相应的解决方法。虽然上述问题长期普遍存在，却并未引起关注，相关文献较少，主要原因是：换流变阀侧并非传统意义上的接地系统，常规交流不接地系统发生单相接地故障时，满足绝缘要求的情况下，设备允许短时间继续运行，所以继电保护专业内也普遍认可此问题的存在，但是对于直流系统来说，阀侧出现单相接地故障是极为严重的故障，必须快速切除故障，否则可能导致换相失败，甚至换流器闭锁，破坏真个直流系统的稳定运行。
2换流变的故障类型
2.1绕组故障
据相关资料可知，换流变绕组故障主要为阀侧引线故障、网侧绕组焊接工艺不良、绝缘件质量不良。在正常情况下，换流变阀侧套管引线与其均压管只在套管尾端一端接触。某换流变由于均压管外径尺寸控制以及联接装置装配工艺控制出现偏差，引起等电位棘爪承受额外应力，在换流变运行中振动产生固定螺钉松动，造成接触不良引起悬浮放电。最终导致了该位置放电和局部过热，使油中C2H2等故障性特征气体增加。对此，换流变压器网侧和阀侧出线装置宜采用湿法成型的多层绝缘纸筒结构，并保证出线装置的绝缘支架合理装配在夹件上，保证长时间运行不松动，所有连接紧固部位应加装防松动紧固螺栓。
2.2阀侧相间故障
换流变阀侧绕组发生相间故障时，即阀侧绕组在换流器的网侧短路，换流变无法为换流器提供正常的换相电压，导致换流器不能进行正常换相。
相间短路的故障电流不通过换流器直流侧回路，故障回路的短路阻抗小，所以故障特征明显，故障电流较大。换流变阀侧相间故障的故障特征与传统交流变压器相间故障特征相似，差动电流以工频基波为主，且故障电流值较大。
2.3套管故障
换流变阀侧套管插入阀厅，受环境影响小。阀侧套管结构为套管上部充气，下部为油纸绝缘结构；阀侧套管末屏处装有阻容电压测量装置，用来测量换流变阀侧相电压，用于换流变中性点电压偏移保护。据运行经验，主要存在漏气、漏油问题，漏气部位包括末屏、套管根部法兰漏气；渗漏油主要是套管油气隔离气室渗漏。换流变网侧套管为充油式套管，故障主要有接头发热、渗漏油、内部绝缘等问题。针对套管发热、渗漏等隐患，在运行中应加强巡维与数据趋势分析，做到及时发现及时处理。
3管控建议
3.1加强分接头控制方式
换流变压器分接头控制，作为一种慢速控制方式，与对触发角控制的快速控制相配合。其目的是保持整流器的触发角α（或逆变器的关断角γ）在指定的范围内或者维持阀侧绕组空载直流电压Udi0在指定的范围内。换流变分接头控制属于慢速控制，约5~10s每档。因此在整个极控系统的协调配合中，由阀组控制改变点火角α值对扰动进行快速响应，维持恒定的直流电流，再由换流变分接头控制进行慢速控制，维持整流侧触发角α值在设定的范围之内。分接头控制包括两种运行模式，即自动和手动模式，自动模式下，分接头控制分为：定角度控制、理想空载直流电压（Udi0）控制，此外还有Udi0限制、自动重同步等功能，Udi0限制在手动模式下也有效。手动控制为一种后备的控制模式。自动控制模式故障时，自动转为手动模式。
3.2换流变保护改造整组联动
换流变保护改造后，应进行整组传动对换流变保护功能、PCP软件修改的正确性以及换流变保护到PCP的回路进行验证。整组传动的方法与常规交流保护类似，对于换流变电量保护，在其装置内部注入二次电流模拟不同换流变故障类型下保护动作行为。由于调试期间换流变处于极隔离状态，无法验证PCP收到闭锁信号后的动作行为，分系统调试阶段只能通过Hibug的方式检测PCP是否接收到闭锁信号，待双极系统调试时验证其闭锁行为的正确性。换流变非电量保护改造的整组传动方法与电量保护类似，通过在换流变就地按压继电器，模拟其动作的方式，检测PCP是否收到闭锁信号和交流开关是否动作跳开。
3.3巡维阶段
在运行阶段，巡维时应关注红外成像、油温、油位、冷却器脏污、吸湿器变色、在线油色谱、相关保护动作信息等，并结合预警等信息，定期开展巡维数据横向、纵向分析，避免隐患发展成故障。在换流变的预试定检时，应避免频繁拆装引起的安全隐患，尝试采用不拆引线的测试方式开展试验；在预试定检工作完成后，应经过严格的试验人员交叉自检、工作负责人检查和变电站值班员的三级质检验收，通过后方可复电，以确保设备恢复无遗漏、无隐患复电。当换流变出现色谱异常、油温高等问题时，应综合分析变压器各项检查情况，判准原因，以利于问题的尽快解决。
结语
换流变作为直流输电系统最重要的设备之一，对保护灵敏度和可靠性的要求高，使用改进的计算方法，换流变保护改造可以更灵敏地反映换流变阀侧单相接地故障；同时，此计算方法对换流变绕组轻微匝间短路的灵敏度也会产生较大幅度的提升。
参考文献
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