孫文，禹佳，陳偉

(國家電網公司運行分公司宜賓管理處，四川宜賓644000)

宜賓站換流變壓器閥側電壓測量故障分析及處理

孫文，禹佳，陳偉

(國家電網公司運行分公司宜賓管理處，四川宜賓644000)

宜賓站自調試起，多次出現換流變壓器末屏電壓測量故障?；?015年7月1日換流變壓器閥側電壓測量故障，在回路原理和等效電路的基礎上，分析了末屏電壓異常的原因，提出了多種解決末屏電壓畸變的辦法和措施。消除末屏電壓發(fā)生諧振和畸變將有利于直流系統和保護設備運行的可靠性，對現有的直流工程中末屏電壓測量出現回路的改造，以及未來直流工程中末屏電壓互感器的設計，提供參考依據。

直流輸電;換流變壓器;末屏電壓;畸變;電壓互感器;鐵磁諧振

0 引言

在高壓直流輸電系統中，換流變壓器是最重要的設備之一，這是由于其處在交流電和直流電互相變換的核心位置以及在設備制造技術方面的復雜性和設備費用的昂貴等所決定的。作為直流輸電換流站的主要設備，換流變壓器承擔換能的重要作用。對換流變壓器電壓進行在線監(jiān)測，實時獲得換流變壓器的電壓波形特征，是保證直流輸電工程安全運行的重要手段。

近幾年投運的特高壓直流輸電工程，如錦蘇直流、賓金直流、復奉直流等都采用電容式套管，從電容式套管的末屏處抽取電壓信號用于在線監(jiān)測和錄波以及中性點偏移保護。

1 故障簡述

2015年7月1 日01時11分，宜賓站極Ⅱ高端閥組由充電轉連接過程中，閥組A、B、C 3套保護同時發(fā)“YD換流變閥側電壓互感器A相故障”告警，現場萬用表檢查3套保護裝置UVD電壓分別為141.27 V、141.19 V、141.12 V，運行人員申請將極Ⅱ高端換流變壓器轉至檢修狀態(tài)。故障后宜賓管理處立即組織檢修人員、國網四川省電力公司電力科學研究院、設備廠家開展現場分析處理工作。23時19分，宜賓站極Ⅱ高端換流器在線投入正常，主要事件列表如表1所示。

表1 主要事件記錄

現場檢測Y/D－A相換流變閥側套管電容值C1、C2合格，SF6分解產物及微水含量正常，換流變壓器離線油色譜檢測正常，末屏二次回路及板卡檢測正常。通過對故障錄波分析，判斷該次測量異常是由于系統擾動導致許繼電壓采集變換器內鐵心飽和，于特定的情況下形成動態(tài)穩(wěn)定的諧振現象，現場更換了極Ⅱ高端Y/D－A相換流變壓器a套管末屏分壓板，和與該板卡對應的A、B、C 3套測量接口屏內的電壓采集變換模塊。

更換后進行低壓加壓試驗，控制保護系統及故障錄波采樣正常。

2 故障檢查

2.1 現場檢查

1)一次設備試驗情況

①SF6氣體相關檢測

對極2高Y/D－A相換流變壓器a套管SF6進行了微水、分解產物檢測，檢查結果正常，如表2、表3所示。

表2 SF6分解產物記錄表

表3 SF6微水記錄表

檢測結束后對套管壓力進行實測，測量結果為為3.8 bar，與上次實測結果相同?；謴同F場密度繼電器后，對接頭進行檢測，未見異常。

②本體油色譜分析

對本體取底部油樣并開展離線油色譜分析，結果未見異常，詳見表4。

③電氣測試

表4 本體底部油樣離線油色譜分析記錄表

對極2高Y/D－A相換流變壓器a套管進行了末屏絕緣，套管介損、電容測試，測試結果與2015年年度預防性試驗對比無異常。

末屏絕緣測試結果為31.8 GΩ，滿足絕緣要求。2015年年度預防性試驗結果見圖1。

圖1 2015年年度預防性試驗末屏絕緣測試結果

套管介損、電容測試采用正接法測試，測試結果見表5及圖2。

表5 套管介損及電容量測試結果記錄表

圖2 2015年年度預防性試驗套管介損及電容量測試結果

根據以上試驗結果可以判斷現場一次設備無異常。

2.2 二次回路檢查情況

換流變壓器閥側末屏分壓器采用電容分壓原理，套管自身的電容C1和末屏電容C2與末屏分壓器電容值進行匹配，得到二次控制保護系統所需的57.7 V額定電壓，具體如圖3所示。

圖3 換流變壓器閥側套管末屏分壓器原理圖

換流變壓器閥側末屏分壓器只有一路電壓輸出，在就地端子箱并接出三路電壓分別到測量接口屏A、B、C，其中到B屏的電壓回路又并接至故障錄波屏，如圖4所示。

圖4 換流變壓器閥側套管末屏分壓器接線圖

現場對Y/D－A、Y/D－B相末屏分壓器進行隔離檢測，測量其自身的電容值和電阻值，并與備品進行比較，測量結果如表6所示。

表6 末屏分壓器自身電容及電阻測量記錄表安裝位置

現場對電壓采集變換模塊進行了采樣檢測，模塊采樣未發(fā)現異常情況，試驗記錄如表7所示。

表7 電壓采集變換模塊采樣檢測記錄表

現場在換流變壓器閥側進行低壓加壓試驗，檢查閥側末屏電壓值正確，波形正常無畸變(同時對Y/D換流變壓器三相進行加壓，三相波形一致)，如圖5所示為閥側加10 kV電壓時手動觸發(fā)的故障錄波圖。

圖5 閥側加10 kV電壓時保護所錄波形

綜上所述，在單獨對一次設備、二次設備進行檢查性試驗都沒有發(fā)現任何異常情況。

3 故障原因分析

3.1 理論分析

換流變壓器閥側末屏電壓測量環(huán)節(jié)基本原理如圖6。

圖6 末屏電壓測量原理圖

圖中，Cth、Ctl為套管電容值，Cth=759 μF、Ctl= 4.6 nF。套管電容和C1、C2、C3共同構成末屏電壓測量PT(電容分壓器)，C1=0.681 μF(小)、C2= 47.5 nF(中)、C3=22.1 nF(大)，C1、C2、C3電容耐壓250 V DC。

末屏電壓PT的負載為XJ屏柜中的電壓變送器。該電壓變送器的原邊是200 V，副邊4 V，由于該電壓變送器采用的是鐵心變壓器，存在飽和的可能性。當電壓變送器運行于線性區(qū)時，電感穩(wěn)定且較大，當電壓變送器進入飽和后，從原邊看，其等效電感值將減少。

末屏電壓電容分壓器帶上負載后，由于負載為感性，ZL會增大。隨著電壓的升高，電壓變送器逐漸進入飽和區(qū)，負載電感進一步減小，ZL會進一步增大。隨著ZL的增大，電壓變送器更加容易飽和。電感變化對ZL的影響見式(1)。

電壓變送器工作于線性區(qū)時，電感較大且穩(wěn)定;電壓變送器一旦進入飽和區(qū)，電感減小，流過電壓變送器的電流將大大增加，且電壓變送器的恢復將十分困難。

3.2 現場原因分析

從原理電路圖可以看出，末屏電壓互感器采用電容分壓。由于二次PT采用電磁式互感器，實際是一個電感，因此，等效電容和等效電感會在某個特定頻率諧振，導致信號畸變，嚴重時測量電壓會超出實際信號數倍，使二次PT鐵心過流發(fā)熱。

末屏電壓互感器實際上就是一種特殊的電容式電壓互感器(CVT)。一般國內廠家在設計和生產CVT時，都會考慮與次級電磁式PT配套使用時所產生的鐵磁諧振問題。產品內部一般裝設中壓變壓器，并裝設有阻尼回路和補償電抗器，阻尼回路用來抑制諧振，補償電抗器用來補償接入電感元件后的轉換誤差。即使CVT不接入二次PT，也不裝設中壓變壓器，由于CVT自身電路存在的寄生電感、線路電感等感性元件，也存在諧振問題。

查看故障時刻錄波，換流變壓器網側交流系統三相電壓正常，Y/Y及Y/D換流變壓器閥側三相電壓均出現短時畸變，持續(xù)時間約100 ms，之后除Y/ D A相故障持續(xù)外，其余五相均恢復正常，如圖7、圖8所示。在進行解鎖閥組連接時，高端的閥組的星側和角側均出現超過200 V的電壓，均超過了設計電壓值，但由于產品個體的差異性，星側變送器瞬間恢復，角側變送器導致信號畸變。

圖7 故障時刻換流變壓器網側交流側電壓

故障時刻網側交流系統未發(fā)生明顯擾動，初步排除交流系統干擾原因。閥側星接、角接線換流變壓器均出現短時擾動，結合當時事件記錄判斷在極Ⅱ高端閥組轉連接時，閥側一次設備有短時沖擊。沖擊過后Y/D A相換流變壓器持續(xù)出現異常故障電壓，Y/D B相、Y/D C相電壓恢復正常，但角接繞組中閥側無故障電流，判斷故障原因為二次測量元件問題。

圖8 故障時刻換流變壓器閥側交流側電壓、電流

在雙極高端調試期間，YD換流變壓器末屏分壓器連接的許繼電壓采集變換模塊就多次出現過飽和諧振現象，后在2015年3月年度檢修期間在極Ⅰ、極Ⅱ高端閥組測量接口屏更換了Y/D換流變壓器對應的電壓采集變換模塊，增加了模塊的抗飽和能力，最大采樣值由140 V改為200 V。

基于宜賓站調試期間發(fā)生過二次鐵磁諧振的情況，在換流變壓器充電或其他系統擾動情況導致閥側電壓異常偏高，超出控制保護測量模塊的正常工作范圍，造成測量元件鐵磁飽和，飽和后的測量元件在特定的情況下與末屏分壓回路形成動態(tài)穩(wěn)定的諧振現象。分析認為許繼電壓采集變換模塊上電壓取量元件采用鐵磁式結構是導致產生諧振現象的主要原因。

4 故障處理

為確保安全，更換了末屏分壓器、電壓采集變換模塊，更換后再次進行低壓加壓實驗。

1)更換末屏分壓器、電壓采集變換模塊

現場更換了極Ⅱ高端Y/D－A相換流變壓器a套管末屏分壓器，同時更換了極Ⅱ高端測量接口屏A、B、C內的A相電壓采集變換模塊，見圖9，更換后測量回路的絕緣電阻合格。

2)低壓加壓試驗記錄及波形

更換電壓采集模塊完成后，現場對閥側進行低壓加壓試驗，檢查閥側末屏電壓值正確，波形正常無畸變，閥側加10 kV電壓時保護所錄波形如圖10所示。

圖9 更換電壓采集模塊現場照片

圖10 更換電壓采集模塊后閥側加10 kV電壓保護所錄波形

5 總結

分析了許繼電壓采集變換模塊上電壓取量元件諧振，導致換流變壓器閥側電壓測量異常事件，認為許繼末屏電壓互感器缺少必要的阻尼回路和補償回路;當一次電壓發(fā)生突變時，二次PT過勵飽和、阻抗下降，等效電容和等效電感在某個特定頻率發(fā)生諧振，導致信號畸變，嚴重時測量電壓會超出正常電壓數倍，使二次PT鐵心過載發(fā)熱，甚至燒毀，因此建議改進末屏分壓回路設計，增加阻尼和補償回路，并通過仿真以避免諧振現象的產生，保障直流系統的穩(wěn)定運行。

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Since the commissioning for Yibin converter station begins，several voltage measurement faults at bushing tap occur frequently.Based on the valve－side voltage measurement fault of converter transformer in 1st July，2015，the abnormal reasons for voltage at bushing tap are analyzed on the basis of circuit principle and equivalent circuit，and some methods and measures to solve the voltage distortion at bushing tap are put forward.Eliminating the voltage resonance and distortion at bushing tap will be conducive to the operation reliability of DC system and protection device，and it provides a reference for the transformation that the circuit occurs during voltage measurement at bushing tap in the existing HVDC project，as well as the design of voltage transformer at bushing tap for the future HVDC project.

HVDC transmission system;converter transformer;end shield voltage;distortion;voltage transformer;ferromagnetic resonance

TM721.1

A

1003－6954(2015)06－0051－05

孫文(1980)，工程師，研究方向為特高壓直流輸電技

2015－08－04)

禹佳(1983)，工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術;

陳偉(1991)，助理工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術。