郭 楊，陳 昊，劉學(xué)權(quán)，王小虎，李義峰

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019；3.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著我國東部負(fù)荷中心直流受電比例不斷提高，“強(qiáng)直弱交”現(xiàn)象日益明顯。直流輸電系統(tǒng)向電網(wǎng)大規(guī)模輸送有功功率，但不向系統(tǒng)提供無功，而換流站還需要吸收大量無功，因而系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)無功的補(bǔ)償需求越來越大，直流輸電系統(tǒng)送、受兩端電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備下降及電壓支撐不足的問題日益突出。若發(fā)生單一或多條直流輸電系統(tǒng)單極換相失敗，逆變側(cè)將從電網(wǎng)吸收更大的無功，引起區(qū)域電壓驟降從而使電壓穩(wěn)定性遭到破壞。對(duì)此，除加強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)外，往往采取加裝各類無功補(bǔ)償設(shè)備的方式以補(bǔ)償動(dòng)態(tài)無功需求。常見的無功補(bǔ)償設(shè)備有并聯(lián)電容器組、靜止無功補(bǔ)償器、靜止同步補(bǔ)償器和調(diào)相機(jī)系統(tǒng)。以上裝置受其工作原理的限制，一般不能及時(shí)提供足夠的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償；而調(diào)相機(jī)系統(tǒng)具有強(qiáng)勵(lì)特性，能在短時(shí)間內(nèi)提供高于自身容量2倍的無功作為支撐，響應(yīng)速度快，補(bǔ)償容量大[1]，對(duì)補(bǔ)償電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功起著關(guān)鍵作用。鑒于此，國家電網(wǎng)有限公司自2018年起，先后在20多個(gè)在建和在運(yùn)超(特)高壓直流輸電系統(tǒng)受端換流站建設(shè)調(diào)相機(jī)工程，以達(dá)到大直流輸電、強(qiáng)無功支撐目的。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及多年故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)子接地故障是現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生最頻繁的故障類型。目前的研究大多是轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用等方面，調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)相關(guān)的研究較少。文獻(xiàn)[2]從理論分析、仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方面，研究了方波注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在大型發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[3]著重討論了調(diào)相機(jī)系統(tǒng)保護(hù)配置和運(yùn)行情況，介紹了幾種調(diào)相機(jī)與常規(guī)發(fā)電機(jī)不同的保護(hù)功能；文獻(xiàn)[4]介紹了調(diào)相機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，討論了繼電保護(hù)配置情況和組屏方案，但未對(duì)保護(hù)原理，尤其是轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理進(jìn)行深入分析。

因此，結(jié)合某±800 kV在運(yùn)特高壓換流站調(diào)相機(jī)系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理及其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和推導(dǎo)。以一起轉(zhuǎn)子接地跳閘事故為背景，分析保護(hù)的動(dòng)作行為，提出故障點(diǎn)的查找方法以及針對(duì)性的改進(jìn)措施，為新建換流站的調(diào)相機(jī)工程提供一定參考。

1 調(diào)相機(jī)系統(tǒng)電氣接線

該換流站配置了兩組300 Mvar雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)系統(tǒng)，以“調(diào)相機(jī)—升壓變”單元形式，通過升壓變高壓側(cè)開關(guān)直接接入換流站交流場(chǎng)500 kV母線，系統(tǒng)電氣接線如圖1所示，系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行方式如下。

圖1 調(diào)相機(jī)系統(tǒng)電氣接線

1) 啟動(dòng)過程。啟動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)投入運(yùn)行；啟動(dòng)靜止變頻器，輸出頻率逐漸上升的電流供給調(diào)相機(jī)定子生成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使得調(diào)相機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提升至3 150 r/min后退出靜止變頻器，投入主勵(lì)磁建立機(jī)端電壓，待同期條件滿足后，捕捉同期時(shí)刻，合上5101開關(guān)使調(diào)相機(jī)—變壓器組與系統(tǒng)并網(wǎng)。

2) 運(yùn)行階段。根據(jù)調(diào)度指令，當(dāng)系統(tǒng)電壓偏高時(shí)，調(diào)相機(jī)從系統(tǒng)中吸收多余無功，運(yùn)行在進(jìn)相狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)無功不足、電壓偏低時(shí)，調(diào)相機(jī)向系統(tǒng)發(fā)出無功，運(yùn)行在遲相狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障造成電壓大幅度跌落時(shí)，調(diào)相機(jī)會(huì)瞬時(shí)發(fā)出大量無功以支撐系統(tǒng)無功電壓。

目前，絕大部分調(diào)相機(jī)系統(tǒng)均以“調(diào)變組”的形式配置調(diào)相機(jī)變壓器組保護(hù)，包含調(diào)相機(jī)變壓器保護(hù)和轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)。

2 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)配置

該換流站配置了兩套南瑞繼保PCS-985REQ-G調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組接地保護(hù)裝置，一套為方波注入式，另一套為乒乓式，保護(hù)原理均為檢測(cè)回路實(shí)時(shí)計(jì)算勵(lì)磁繞組對(duì)轉(zhuǎn)子大軸的絕緣電阻值。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組存在一點(diǎn)接地且測(cè)量絕緣電阻值小于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)高定值時(shí)報(bào)警；小于低定值時(shí)保護(hù)裝置將出口跳開調(diào)變組500 kV側(cè)并網(wǎng)開關(guān)，滅磁解列，防止在有一點(diǎn)接地情況下燒毀轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。

為防止相互干擾，影響轉(zhuǎn)子接地電阻測(cè)量精度，兩套保護(hù)裝置只投入其中一套。在兩套保護(hù)中，方波注入式接地保護(hù)因轉(zhuǎn)子接地電阻計(jì)算精度高、不受轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組對(duì)地電容影響而優(yōu)先投入，乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)一般在前者退出的情況下再投入。

2.1 雙端方波注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

雙端方波注入式接地保護(hù)的簡(jiǎn)化等效電路如圖2所示。該保護(hù)在轉(zhuǎn)子繞組的正負(fù)極兩端與大軸接地碳刷之間注入一個(gè)以固定頻率在正負(fù)半波之前切換的方波電源US，通過注入回路低值測(cè)量電阻Rm連接到大軸接地碳刷，注入電壓和注入電流(可從測(cè)量電阻Rm兩端電壓計(jì)算得到)通過變送器輸入保護(hù)裝置，計(jì)算轉(zhuǎn)子繞組接地電阻Rg和接地位置表征量α，R0為注入回路高值功率電阻。保護(hù)裝置整定值見表1。

表1 方波注入式接地保護(hù)裝置整定值

圖2 方波注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)等效電路

接地電阻電流Ig受注入式方波電源US和轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電壓Uf的共同影響。根據(jù)線性電路的疊加原理，在方波電源Us為正半波和勵(lì)磁電壓為Uf的情況下，接地電阻電流Ig可表達(dá)為：

同理，當(dāng)方波電源Us變?yōu)樨?fù)半波，勵(lì)磁電壓由Uf變?yōu)榈那闆r下，可得另一時(shí)刻接地電阻電流為：

為便于推導(dǎo)分析，假定方波電源在正負(fù)半波兩種狀態(tài)下轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電壓Uf不變，則接地電阻Rg和接地位置表征量α為：

2.2 乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的簡(jiǎn)化等效電路如圖3所示，其中Uf表示調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電壓，α表示轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組接地點(diǎn)的位置(0≤α≤1)，當(dāng)勵(lì)磁繞組通過接地電阻Rg發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，其勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)可以分為αUf和(1-α)Uf兩部分，計(jì)算回路中的R為高電阻，取樣電阻R0為低電阻。接地保護(hù)檢測(cè)裝置通過電子開關(guān)S1、S2相互導(dǎo)通和關(guān)斷，形成兩種電路工作狀態(tài)，其等效電路分別如圖4和圖5所示。兩種狀態(tài)下，在取樣電阻R0兩端分別產(chǎn)生U0和兩個(gè)電壓值。

圖3 乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)等效電路

圖4 乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)狀態(tài)電路一

圖5 乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)狀態(tài)電路二

轉(zhuǎn)子繞組在正常情況下，沒有接地故障，圖3中的接地電阻Rg為無窮大，在取樣電阻R0兩端形成的電壓為零，保護(hù)裝置顯示轉(zhuǎn)子繞組運(yùn)行良好，絕緣電阻值為無窮大。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生一點(diǎn)接地故障，通過對(duì)圖4和圖5電路的求解，可得接地電阻Rg和接地位置表征量α的表達(dá)式：

3 故障分析

3.1 故障簡(jiǎn)述

某日，該換流站調(diào)相機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控后臺(tái)發(fā)出事故總告警信號(hào)，監(jiān)控界面顯示1號(hào)調(diào)相機(jī)方波注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作出口，第1、2套調(diào)變組保護(hù)啟動(dòng)并發(fā)出跳機(jī)信號(hào)，跳開5101開關(guān)、M101滅磁開關(guān)、SFC輸入開關(guān)，1號(hào)調(diào)相機(jī)停機(jī)，故障前1號(hào)調(diào)相機(jī)0 Mvar運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)無工作，天氣狀況晴好。當(dāng)值運(yùn)維人員立即開展事故處理，在后臺(tái)確認(rèn)相關(guān)動(dòng)作信息后，至現(xiàn)場(chǎng)對(duì)一、二次設(shè)備進(jìn)行檢查確認(rèn)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查

3.2.1 保護(hù)裝置檢查

轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置PCS-985RE動(dòng)作信息顯示：保護(hù)啟動(dòng)后延時(shí)5 s出口跳閘，注入方波電壓US為46.361 V，勵(lì)磁電壓Uf為142.697 V，轉(zhuǎn)子接地電阻Rg為0.130 kΩ，轉(zhuǎn)子接地位置α為0 %，即轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組負(fù)極端部。

注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)設(shè)置高、低兩個(gè)定值。本套注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)高定值為10 kΩ，延時(shí)10 s報(bào)警；低定值為2.5 kΩ，延時(shí)5 s跳閘。因接地故障時(shí)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)計(jì)算接地電阻值為0.130 kΩ，小于低定值，且經(jīng)5 s延時(shí)后接地現(xiàn)象未消失，保護(hù)出口跳閘，其動(dòng)作行為正確。

3.2.2 一次設(shè)備檢查

運(yùn)維人員根據(jù)轉(zhuǎn)子接地位置為0 %，判斷轉(zhuǎn)子繞組接地點(diǎn)發(fā)生在轉(zhuǎn)子繞組負(fù)極端部；同時(shí)，根據(jù)接地保護(hù)范圍，應(yīng)用分段隔離排查法找出具體接地點(diǎn)。依據(jù)保護(hù)說明書，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的保護(hù)范圍包括勵(lì)磁變低壓繞組、勵(lì)磁回路和整流功率單元、轉(zhuǎn)子繞組回路?，F(xiàn)場(chǎng)依次對(duì)這三個(gè)部位進(jìn)行絕緣檢測(cè)及相關(guān)二次回路檢查[5]，結(jié)果均顯示正常。

3.2.3 故障點(diǎn)定位

運(yùn)維人員在將轉(zhuǎn)子負(fù)極集電環(huán)碳刷逐個(gè)取出過程中，發(fā)現(xiàn)4號(hào)碳刷拔出后轉(zhuǎn)子接地保護(hù)告警信號(hào)復(fù)歸。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步檢查確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)4號(hào)碳刷磨耗監(jiān)測(cè)模塊信號(hào)線電纜皮破損導(dǎo)致屏蔽層銅線散股裸露，將該碳刷回裝后轉(zhuǎn)子接地保護(hù)再次發(fā)出告警信號(hào)；同時(shí)，測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組接地電阻為0.244 kΩ。

3.3 接地原因分析

調(diào)相機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子集電環(huán)碳刷磨耗監(jiān)測(cè)信號(hào)通過霍爾開關(guān)進(jìn)入感應(yīng)模式，碳刷磨耗監(jiān)測(cè)PCB板是由PCB電路板、PCB保護(hù)襯板及防護(hù)板用電子三防漆粘合而成。集電環(huán)碳刷磨耗監(jiān)測(cè)PCB板與信號(hào)電纜的連接采用插件方式固定，插頭的信號(hào)線采用保護(hù)套管固定。電纜引出線有三根，分別為24 V電源、公共端和磨損信號(hào)線；同時(shí)，該電纜由與保護(hù)套同軸的銅質(zhì)屏蔽線包絡(luò)，起到隔離外部磁場(chǎng)對(duì)磨損信號(hào)干擾的作用，屏蔽線在調(diào)相機(jī)本體端子箱內(nèi)工作接地。集電環(huán)刷握、碳刷、滑環(huán)依次串聯(lián)后與轉(zhuǎn)子繞組相連，回路中任意一點(diǎn)發(fā)生接地均會(huì)引起轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地。

通過現(xiàn)場(chǎng)檢查分析和故障復(fù)現(xiàn)，確認(rèn)造成本次轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作的原因并非轉(zhuǎn)子繞組本體直接接地，而是因轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致集電環(huán)與碳刷摩擦生熱，周圍氣體溫度升高至70 ℃左右致使信號(hào)線電纜保護(hù)套管受熱老化，以及機(jī)組運(yùn)行過程不斷振動(dòng)導(dǎo)致保護(hù)套管與刷握發(fā)生撞擊摩擦。在這兩個(gè)因素的長(zhǎng)期作用下，1號(hào)調(diào)相機(jī)4號(hào)集電環(huán)碳刷余量監(jiān)測(cè)板信號(hào)線外保護(hù)套管破損開裂，包絡(luò)屏蔽線外露并與刷握接觸，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子繞組通過轉(zhuǎn)子電樞→集電環(huán)→碳刷→刷握→信號(hào)電纜屏蔽線回路發(fā)生接地，造成注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

4 處置措施

4.1 現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)處置措施

將1、2號(hào)調(diào)相機(jī)集電環(huán)碳刷磨耗監(jiān)測(cè)PCB板上的信號(hào)線電纜全部拆除，并根據(jù)調(diào)相機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程要求，在失去碳刷磨耗在線監(jiān)測(cè)功能后，加強(qiáng)日常巡檢期間對(duì)集電環(huán)碳刷磨損情況的關(guān)注，一旦發(fā)現(xiàn)碳刷磨損后余量約1/3時(shí)，及時(shí)更換新碳刷。

解開調(diào)相機(jī)本體端子箱內(nèi)碳刷磨耗電源線、碳刷磨耗監(jiān)測(cè)PCB板信號(hào)電纜，并將12組接插件(插頭+信號(hào)線)擺放在線槽內(nèi)；同時(shí)，將碳刷磨耗監(jiān)測(cè)信號(hào)線內(nèi)的屏蔽線從PE端子排拆下，屏蔽線上的針形端子用絕緣膠帶包裹保護(hù)后擺放在線槽內(nèi)。

4.2 裝置改進(jìn)措施

經(jīng)調(diào)相機(jī)廠家駐站專業(yè)技術(shù)人員的進(jìn)一步勘查和分析，對(duì)碳刷磨耗監(jiān)測(cè)板提出了以下改進(jìn)措施。

1) 改進(jìn)PCB板結(jié)構(gòu)工藝。將PCB板與信號(hào)線的連接方式由插件式改為封裝結(jié)構(gòu)，從根本上降低接頭電纜破損開裂的可能。

2) 改進(jìn)PCB板信號(hào)線工藝。信號(hào)線改用絕緣耐高溫電纜，外部包裹耐溫180 ℃的黃臘管，固定方式為錫焊，PCB板引出電纜插頭連接處加裝熱縮管，使電纜在70 ℃高溫下可長(zhǎng)期可靠工作。

3) 進(jìn)行改進(jìn)材質(zhì)的試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)改進(jìn)后的PCB板及黃臘管進(jìn)行溫升試驗(yàn)，并出具試驗(yàn)報(bào)告，完成耐高溫材質(zhì)的可靠性和實(shí)用性驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

目前，該換流站調(diào)相機(jī)系統(tǒng)已全部采用改進(jìn)后的監(jiān)測(cè)板，經(jīng)運(yùn)維人員定期檢查確認(rèn)，系統(tǒng)投入運(yùn)行一年半以來，信號(hào)線電纜與監(jiān)測(cè)板連接穩(wěn)固，接頭處無裂紋、老化現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置運(yùn)行狀況良好，未再出現(xiàn)異常告警。