常聚忠，馬 磊，周建國(guó)，王 抗，劉建國(guó)

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

葛滬直流綜合改造工程（調(diào)度命名林楓直流工程）連接華中、華東電網(wǎng)，為上海世博會(huì)供電的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是三峽地下電廠電力外送重要通道，是世界上第一條采用同塔雙回路架設(shè)的大截面、大容量、遠(yuǎn)距離輸電的直流線路，也是國(guó)內(nèi)首次同走廊、大規(guī)模拆舊立新的輸電線路[1-3]。2013年7月13日，林楓直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)楓涇站極Ⅱ換流變充電時(shí)產(chǎn)生較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的勵(lì)磁涌流，致使正常運(yùn)行的極Ⅰ換流變連續(xù)換相失敗，直流低壓限流特性連續(xù)動(dòng)作，整流側(cè)團(tuán)林站直流電流瞬時(shí)增大，直流電流最大達(dá)到6 249 A，極Ⅰ平波電抗器本體瓦斯繼電器重瓦斯動(dòng)作，極Ⅰ直流閉鎖。

事故發(fā)生后，對(duì)氣體繼電器誤動(dòng)作原因進(jìn)行了分析，分析認(rèn)為造成瓦斯繼電器故障可能有兩個(gè)原因：一是平抗在暫態(tài)大電流沖擊產(chǎn)生了機(jī)械力，造成本體及瓦斯繼電器振動(dòng)，下浮球跌落導(dǎo)致重瓦斯動(dòng)作。二是平抗經(jīng)受暫態(tài)大電流時(shí)，繞組收縮和箱體的輕微變形會(huì)引起油向油枕方向涌動(dòng)，當(dāng)油流速度超過瓦斯繼電器定值(1.5 m/s)時(shí)，油流會(huì)推動(dòng)瓦斯繼電器的擋板并帶動(dòng)下浮球移動(dòng)，導(dǎo)致重瓦斯動(dòng)作。本文通過ANSYA仿真軟件，按照2.5倍、3倍換相失敗電流和20 ms（1個(gè)周波）、60 ms（3個(gè)周波）換相失敗時(shí)間，對(duì)各站平抗箱蓋處和氣體繼電器處振動(dòng)情況重新進(jìn)行了多方案詳細(xì)驗(yàn)算，并核算兩側(cè)硬聯(lián)接結(jié)構(gòu)法蘭處的應(yīng)力。

1 事故原因分析

1.1 平波電抗器型號(hào)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

圖1 平波電抗器瓦斯繼電器位置示意圖Figure.1 The position diagram of the gas relay of the flat wave reactor

林楓直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)直流場(chǎng)平波電抗器均由特變電工沈變提供，型號(hào)PKDKFP-500-3000-290，該類型的平波電抗器本體瓦斯繼電器與油枕采用波紋管連接，與本體油箱采用管道硬連接，形成懸梁臂結(jié)構(gòu)，平波電抗器瓦斯繼電器現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖1所示。

1.2 事故處理過程及動(dòng)作原因分析

平波電抗器重瓦斯動(dòng)作跳閘事故發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)平波電抗器及瓦斯繼電器進(jìn)行外觀檢查、油樣試驗(yàn)均合格。

圖2 是故障錄波圖，閉鎖前團(tuán)林站直流側(cè)電壓、電流出現(xiàn)大幅度周期性波動(dòng)，極母線電流IDL最大達(dá)到6 470 A，直流電壓UDL最低達(dá)到247 kV，大幅偏離直流系統(tǒng)故障前的正常運(yùn)行值。

當(dāng)直流系統(tǒng)逆變側(cè)發(fā)生換相失敗時(shí)，相應(yīng)極直流電流瞬時(shí)增大，在平波電抗器承受較大暫態(tài)電流穿越時(shí)，其內(nèi)部繞組勢(shì)必會(huì)發(fā)生收縮形變以致箱體產(chǎn)生輕微變形，繞組在較大電流沖擊下產(chǎn)生的機(jī)械力會(huì)通過箱體向其他部件擴(kuò)散，同時(shí)引起箱體內(nèi)部油向油枕方向涌動(dòng)，如圖3所示，由于瓦斯繼電器與箱體采用硬連接，另一端采用波紋管連接，形成懸梁臂結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于一端懸空），機(jī)械力通過連接瓦斯繼電器的主聯(lián)管將放大后的振動(dòng)傳遞給瓦斯繼電器，最終導(dǎo)致重瓦斯動(dòng)作[4-6]。

圖2 直流量故障錄波圖Fig.2 The DC flow fault record

圖3 平波電抗器油箱外部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The external structure of the flat wave reactor oil tank

2 平波電抗器瓦斯繼電器振動(dòng)仿真分析

為了驗(yàn)證平波電抗器瓦斯繼電器是否在內(nèi)部繞組經(jīng)受大電流沖擊下會(huì)產(chǎn)生足夠的機(jī)械力而使瓦斯繼電器重瓦斯動(dòng)作，通過建立模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得出平波電抗器本體油箱及瓦斯繼電器的加速度[7-10]。

2.1 仿真模型的建立

仿真過程主要分兩部分：

（1）測(cè)量在故障電流作用下油箱受到的作用力；

（2）把所測(cè)量的力加載到仿真模型上進(jìn)行仿真計(jì)算。

當(dāng)大電流流過平波電抗器線圈時(shí)，線圈產(chǎn)生較大的作用力，該作用力是從線圈向外傳播，經(jīng)過內(nèi)部的器身結(jié)構(gòu)，外部的油箱結(jié)構(gòu)以及油箱上部的聯(lián)管結(jié)構(gòu)最終傳遞到繼電器上，為減小本次仿真試驗(yàn)誤差，在平波電抗器本體于油箱連接位置加設(shè)測(cè)量裝置，經(jīng)過多次測(cè)量取均值的方法，測(cè)量在故障電流作用下油箱收到的作用力大小。

建模時(shí)將儲(chǔ)油柜的質(zhì)量等效為質(zhì)量點(diǎn)，由于繼電器的另外一端是波紋管，所以在一定的位移范圍內(nèi)，不考慮波紋管對(duì)繼電器的約束作用，故建模的時(shí)候不予考慮，同時(shí)應(yīng)考慮其他的聯(lián)管對(duì)繼電器的約束作用。利用ANSYA仿真軟件，油箱模型如圖4所示。

圖4 平波電抗器油箱模型Fig.4 Flat wave reactor oil tank model

2.2 仿真計(jì)算

計(jì)算電抗器在承受故障電流（正常工況電流值為3 000 A，故障電流設(shè)置為2.5倍電流，即7 500 A，60 ms，仿真總時(shí)間0.3 s）沖擊作用下瓦斯繼電器的振動(dòng)情況，將施加重力載荷及短路力載荷兩種載荷共同作用下的結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

平波電抗器載荷施加如圖5所示。

圖5 平波電抗器油箱載荷施壓示意圖Figure.5 The load pressure of the flat wave reactor oil tank

箱蓋加速度以及瓦斯繼電器加速度仿真計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 電流為7 500 A時(shí)箱蓋加速度仿真結(jié)果圖Figure.6 The Simulation results of oil tank lid acceleration when current is 7 500 A

圖7 電流為7 162 A時(shí)瓦斯繼電器加速度仿真結(jié)果圖Figure.7 The Simulation results of gas relay acceleration when current is 7 162 A

由圖6可知，在故障情況下油箱蓋的加速度幅值大約為1.4 g（g為重力加速度,，圖7中瓦斯繼電器上的加速度幅值大約為5 g，因此可知繼電器支撐結(jié)構(gòu)對(duì)繼電器的振動(dòng)加速度起到了放大作用，振動(dòng)幅值隨時(shí)間增大，瓦斯繼電器的加速度值超過 EMB繼電器可承受的最大允許振動(dòng)加速度（2 g，2 Hz～200 Hz，g為重力加速度），此仿真驗(yàn)證了，當(dāng)采用該類設(shè)計(jì)的平波電抗器（瓦斯繼電器與油箱采用硬連接，并且另一端采用波紋管）時(shí)，當(dāng)平波電抗器承受較大暫態(tài)電流穿過時(shí)，會(huì)引發(fā)油箱發(fā)生振動(dòng)，并且同時(shí)會(huì)使瓦斯繼電器的振動(dòng)放大，從而超過瓦斯繼電器最大允許振動(dòng)加速度，最終導(dǎo)致重瓦斯動(dòng)作。

3 事故處理對(duì)策及仿真建模驗(yàn)證

由第2節(jié)中的仿真結(jié)果可知，為了減小瓦斯繼電器的振動(dòng)加速度，或使瓦斯繼電器重瓦斯不易受油箱振動(dòng)影響，可考慮改變瓦斯繼電器與平波電抗器主聯(lián)管連接加固措施，使瓦斯繼電器與油箱緊密相聯(lián)，從而避免瓦斯繼電器因連接問題而產(chǎn)生振動(dòng)放大的影響。

為驗(yàn)證上述理論分析，分別對(duì)繼電器固定在儲(chǔ)油柜側(cè)、繼電器在儲(chǔ)油柜側(cè)主聯(lián)管加支撐、繼電器在主聯(lián)管側(cè)、繼電器在主聯(lián)管側(cè)主聯(lián)管加支撐進(jìn)行進(jìn)一步建立模型，驗(yàn)證平波電抗器油箱及瓦斯繼電器的振動(dòng)加速度是否超過瓦斯繼電器規(guī)定允許最大加速度。

利用第2節(jié)中所使用的方法，分別將7 500 A故障電流作用下線圈受到的電磁力，施加在仿真模型線圈上，持續(xù)時(shí)間為20 ms以及60 ms時(shí)，平波電抗器油箱蓋和瓦斯繼電器振動(dòng)加速度如表1所示。

表1 平波電抗器不同改進(jìn)措施后油箱蓋某點(diǎn)及瓦斯繼電器加速度對(duì)比Table 1. Comparison of acceleration of point of oil tank cover and gas relief after different improvement measures of the flat wave reactor

由表1可知，平波電抗器主聯(lián)管加支撐架后，瓦斯繼電器的加速度值明顯小于平波電抗器主聯(lián)管連接原結(jié)構(gòu)值。因此，平波電抗器主聯(lián)管加支撐架對(duì)于防止較大直流電流穿越平波電抗器繞組產(chǎn)生的機(jī)械力使瓦斯繼電器的振動(dòng)有較明顯的約束作用，最后修改圖如圖8所示。

圖8 平波電抗器加支撐固定結(jié)構(gòu)示意圖Figure.8 Schematic diagram of plain wave reactor with fixed support structure

團(tuán)林、楓涇、靈寶、黑河和拉薩換流站的平波電抗器均是由特變電工沈變提供，其瓦斯繼電器和本體及油枕連接方式均相同，在承受上述電流的情況下都存在重瓦斯誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，各站至投運(yùn)至今,共發(fā)生了5次重瓦斯誤動(dòng)事故。2013年國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)上述換流站平波電抗器主聯(lián)管加支撐架后，至今未發(fā)生重瓦斯誤動(dòng)事故，保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

（1）通過以上分析可知，平波電抗器的本體重瓦斯動(dòng)作原因、由于較大直流電流穿越平波電抗器繞組產(chǎn)生的機(jī)械力，機(jī)械力通過連接瓦斯繼電器的主聯(lián)管將放大后的振動(dòng)傳遞給瓦斯繼電器，最終導(dǎo)致重瓦斯動(dòng)作。

（2）通過建立仿真模型，驗(yàn)證了平波電抗器主聯(lián)管加支撐固定結(jié)構(gòu)對(duì)于防止較大直流電流穿越平波電抗器繞組產(chǎn)生的機(jī)械力使瓦斯繼電器的受力振動(dòng)有較明顯的約束作用，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。有效降低這類事故發(fā)生概率，提高直流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

（3）本文方法同樣可運(yùn)用在油浸式變壓器和油浸式高壓電抗器上，其瓦斯繼電器結(jié)構(gòu)和平波電抗器類似，在較大穿越電流下同樣可有效避免重瓦斯誤動(dòng)。

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[1]劉振亞.特高壓電網(wǎng)[M].北京：中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2005.LIU Zhenya.Ultra-high voltage grid[M].Beijing：China EconomicPublishing House,2005.

[2]劉振亞.特高壓直流輸電技術(shù)研究成果專輯[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.LIU Zhenya.Research achievement of UHVDC transmission technology[M].Beijing：China Electric Power Press,2005.

[3]劉振亞.特高壓直流輸電技術(shù)研究成果專輯[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.LIU Zhenya.Research achievement of UHVDC transmission technology[M].Beijing：China Electric Power Press,2006.

[4]趙婉君，高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.ZHAO Wanjun.HVDC engineering technology[M].Beijing：China Electric Power Press,2004.

[5]EMB變壓器氣體繼電器使用說明書[K].德國(guó)EMB公司，2004.Operating Instructions transformer protection rela[K].EMB,2004.

[6]姜海波，閏興龍，孫亮，等.油浸式平波電抗器重瓦斯保護(hù)誤動(dòng)分析及防治措施[J].高壓電器，2015，51(12)：201-205.JIANG Haibo，RUN Xinglong，SUN Liang，et al.Malfunction analysis on buchholz relay of oil-immersed smoothing reactor and countermeasures[J].High Voltage Apparatus,2015，51(12)：201-205.

[7]張文亮，于永清，李光范，等.特高壓直流技術(shù)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007,(22)：1-7.ZHANG Wenliang,YU Yongqing,LI Guangfan.researches on UHVDC technology[J].Proceedings of the CSEE，2007,(22)：1-7.

[8]馬懷冬，賀非凡，江 兵，等.特高壓直流輸電換流變系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)及備用最優(yōu)切換研究[J].華東電力，2011,39(03)：362-366.MA Huaidong,HE Feifan,JIANG Bing,etal.Study on operation features of convector transformer system in UHVDC transmission system and its optimal spare switching[J].East China Electric Power,2011,39(03)：362-366.

[9]馬為民，聶定珍，曹燕明.向家壩—上?！?00 kV特高壓直流工程中的關(guān)鍵技術(shù)方案[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(11)：1-5.MA Weimin,NIE Dingzhen,CAO Yanming.Key technical schemes for±800 kV UHVDC project from Xiangjiaba to Shanghai[J].Power System Technology，2007，31(11)：1-5.

[10]孟永鵬，鐘波，賈申利.振動(dòng)分析在電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].高壓電器，2005，41(6)：461-465.MENG Yongpeng,ZHONG Bo,JIA Shenli.Application and development of the vibration analysis in the condition monitoring of electrical equipment[J].High Voltage Apparatus,2005，41(6)：461-465.