换流站接地极阻抗异常浅析

王 旗，阴春晓，林嘉扬

（国网上海市电力公司检修公司 特高压交直流运检中心，上海 201708）

接地极作为换流站的核心设备，对保证换流站的安全稳定运行起着重要的作用。换流站大修完成投运后发接地极电阻监视告警。再次大修期间修改直流控制保护软件参数后，接地极阻抗异常告警消失，换流站恢复正常运行。

1 接地极控制保护电路结构

1.1 接地极阻抗监视系统作用

接地极阻抗监视系统被用来持续监测电力线路的状态。原理是将高频交流电流注入接地极线路并测量注入点对地电压。通过电流和电压值测量接地极线路的阻抗来作为接地极线路的状态监测。当阻抗发生突变超出了设定值并保持一定时间（线路开路或者接地极线路直接接地故障）排除了误动情况后，发出报警信号。

1.2 接地极阻抗监视系统测量主回路原理简介

（1）接地线路阻抗监视硬件部分的控制单元

如图1和图2所示，PS860板卡首先产生一个正弦高频信号（Sine Oscillator），通过电力放大器（Power Amplifier）放大，通过信号电缆（Signal Cable）传输至匹配变压器（Matching Transformer），信号电缆的阻抗是70Ω。为了实现无反射波的存在，电缆阻抗与电力放大器的输出电阻要匹配，匹配变压器的作用一是实现控制电路和接地极回路的电气隔离，二是实现控制回路和接地极回路的阻抗匹配。

PS862板卡测量放大器（measuring amplifier）测量电力放大器二次侧的电压和电流值，并进行线性放大后输入PS860板卡进行计算和信号处理。

图1 接地线路阻抗监视硬件部分的控制单元

（2）高频信号频率大小的选定

频率大小的选择首先要尽可能高，一可以减少主回路器件的物理体积大小，二可以尽量减少线路直流电对高频信号测量回路的干扰和高频信号对直流电保护测量回路的干扰。其次，要尽量避开换流器产生的各次谐波。由于频率太高受到接地极线路高频衰减，电磁波辐射等等的限制，因此，最后确定的频率值约为13.95kHz。

图2 接地线路阻抗监视硬件主回路

频率值最后的确定受到阻断滤波器参数的限制，因此频率约为13.95kHz，最后频率的确定要根据试验。

（3）测量主回路

如图2所示，匹配变压器（Matching Transformer）产生的高频信号注入接地极回路，首先通过注入滤波器（Injection Filter），然后通过靠近接地极的电阻注入接地极，形成测量回路。

注入滤波器被调谐到对于高频测量回路阻抗为0，但不能使直流电流通过。

接地极侧有一个电阻，该电阻与阻断滤波器（Blocking Filter）并联，起阻抗匹配作用，减少电压反射波的存在，更好地确定故障阻抗引起的变化值，提高对故障判断的灵敏度，尤其对于接地极附近发生的故障。

阻断滤波器有2个，一个位于中性母线侧，另一个位于接地极侧，与匹配电阻并联。阻断滤波器均要调谐到对于高频测量信号阻抗为接近无穷大，对于直流电流阻抗为0。位于中性母线侧的阻断滤波器使得高频信号不能进入中性母线侧。位于接地极侧的阻断滤波器和匹配电阻的并联使得对于直流电流来说可以通过阻断滤波器进入接地极，将并联的电阻短接，而对于高频测量回路来说，相当于一个电阻。

（4）参数的确定

在高频信号频率确定后，阻断滤波器的参数也随之确定，但实际阻断滤波器总有误差，因此，阻断滤波器在投入运行后，要重新确定其并联谐振频率值，根据该值调整PS860板产生的高频谐振频率，并调整注入滤波器的串联谐振参数。

1.3 接地极阻抗监视系统阻抗测量原理简介

在系统投入运行前，首先要测量系统的偏移量和无故障时候的阻抗参考值。图3显示了沿接地极线路在不同地点发生1000Ω接地故障电阻值复平面。

图3 在不同地点发生1000Ω接地极线路故障电阻值

金属在不同温度下阻抗值不同，因此，在实际测量中，接地极线路的阻抗值与导体温度关系密切。线路上直流电流的大小和周围不断变化的温度影响了接地极线路的阻抗值。同时，当温度上升时，导体长度增大，改变了线路电容和导体本身阻抗值，更增加了接地极线路阻抗的变化量。

接地极线路随温度改变是一个正常现象，因此要避免在这种情况下误报警。相对于线路故障，此种改变改变速度很缓慢，因此，为了避免误报警，设置了一个死区带，参考阻抗值不断以一定周期（典型情况下是10min）追踪前面的阻抗测量量，当阻抗变化量没有超过一定死区带时，认为是温度造成的，可以不报警。当阻抗改变迅速，并超过了预设的死区带时，系统不再以一定周期追踪前面的阻抗测量量，当阻抗保持在死区带外超过一定时间时，可以认为接地极线路发生故障，发出报警信号。

2 故障内容

换流站大修完成投运后再度发接地极电阻监视告警。先前LFL（故障录波定位）主机中就一直存在接地极阻抗监视告警，大修更换匹配变压器后，报警仍然存在，告警内容如图4所示。

图4中，中心点是正常参考电阻值，紧临一点是在接地线线路上离接地极1km发生故障的阻抗值，以此类推，最外面的一点是离换流站1km的接地极线路故障阻抗值。

图4 换流站接地极阻抗监视告警事件

3 逻辑分析

（1）硬件hidraw图逻辑查找

由于接地极阻抗监测安装在LFL主机中，因此，首先从硬件接口的LFL主机界面入手寻找得到路径为：3GS＿PCD＼3GS＿PCD＼ControlEquipment＼=S2.AK.LFL。打开后，进入图5所示界面。

图5 ELIS硬件主机板卡界面

点击RS862G板卡后进入如下界面，如图6所示，可以看到，RS862板卡作为ELIS电压和电流测量板卡，向右点击如图7所示。

图6 ELIS系统电压和电流测量板卡RS862

图7 ELIS测量系统

从图7向右点击为匹配变压器，从图中编号可以找到匹配变压器的具体位置，通过具体位置查找相应故障点。如图8所示。从图7高频功率放大器的gen out向左点击，可以看到高频信号是RS860板卡产生的，如图9所示。

图8 匹配变压器

图9 高频信号发生器板卡RS860

至此，可以通过硬件hidraw图查找找到硬件的相应位置，并理解了主回路测量原理。

（2）hidraw软件接口逻辑查找

通过事件列表上的告警信息查找到LFL中接地极阻抗监视的Hidraw软件逻辑图，路径为3GS＼Huaxin＼Appsoftware＼Main＼LFL＼Main＿CPU＼ELIS，如图10所示：

从告警出口往前查找可以看到引起接地极阻抗监视告警的逻辑判据，通过debug可以看出：ELIS监视运行正常，直流系统也没有进行方式转换，均符合正常。在直流系统没有发生运行模式转换的情况下，引起告警的是计算出的阻抗值超出告警的死区，如图11所示：

图10 接地极阻抗告警出口

图11 接地极阻抗告警逻辑判据

从图11中可以看出，作为判断依据的阻抗值是通过计算阻抗变化量的实部和虚部而得到的。如果计算出的这个线路阻抗变化量在给出的参考值死区之外，即30Ω，ELIS就发出“接地极阻抗异常”的报警。测量阻抗是实时被跟踪的，如果阻抗停留在死区外的时间超过了报警时间，即延时10s，判断不是由于外界突然扰动使得阻抗突然增大，ELIS发出阻抗异常报警。再往前链接可以查找出这些阻抗变化量的实部值和虚部值都是由测量出的线路电流值和电压值在软件中通过一系列的逻辑计算而来，如图12、图13、图14所示。

图12

图13中，实部和虚部的实际测量值减去偏移值得到实部和虚部阻抗的实际值。图13中，实部和虚部的阻抗差值为实部和虚部实际值减去参考值。实部和虚部的阻抗变化量为实部和虚部的阻抗差值减去上一个周期的阻抗差值。这样设置是为了防止由于天气温度，湿度变化造成线路阻抗值变化，由于该变化很缓慢，因此通过实时跟踪可以判断该变化，从而不致误判，若为线路故障，则在一个周期内变化量很大，通过逻辑判断将跟踪闭锁，若在规定的时间内阻抗变化量仍然很大，判断不是误判，则发出报警信号。

图13

图14

其中图13中的RE＿Z＿OFFSET和IM＿Z＿OFFSET这两个数值需要在现场调节，通过断开接地极线路，在注入过滤器处链接240Ω调节电阻，在串联谐振滤波器和地之间连接240Ω电阻调节补偿值RE＿Z＿OFFSET和IM＿Z＿OFFSET使得接地极阻抗显示为RE＿Z=240，IM＿Z=0。定值如图13（b）所示。

通过上述一系列逻辑图可以看出线路阻抗最终是根据接地极线路的电流值I＿LINE和电压值U＿LINE计算而来的。计算公式为：RE＿Z＿MEAS=（U＿I＊I＿I+U＿Q＊I＿Q）／（I＿I＾2+I＿Q＾2）和IM＿Z＿MEAS=（U＿Q＊I＿I-U＿I＊I＿Q）／（I＿I＾2+I＿Q＾2）。而接地极线路的电流值和电压值是功率放大器二次侧的电流和电压通过匹配变压器的比例调节计算得出，如图15所示。

图15

在PCD硬件图中只能看到接地极阻抗监视所涉及到哪几个硬件以及他们的连接方式，而RS860作为信号处理板卡，其内部程序还是需从软件上查找，为此在 C：＼3GS＼Huaxin＼Appsoftware＼Interface＼LFL＼RS860＿H15＿1＿2中继续查找I＿PWR＿AMLP电流和 U＿PWR＿AMLP电压这两个测量值的来源，如图16所示。

图16 RS860板卡软件图

可以看到输入信号正是刚刚在硬件图中看到的RS862G板卡所测量出的CURR电流值和VOLT电压值。再往后链接如图17所示：

图17 RS860板卡软件

这四个量就是最初要找的I＿PWR＿AMLP电流和U＿PWR＿AMLP电压值。到此整个回路都连接起来了。首先由RS860板卡产生一个高频信号，经过功率放大器注入接地极，然后由RS862G板卡测量出返回的电流和电压值，再送入RS860板卡中进行逻辑处理，计算出I＿PWR＿AMLP和U＿PWR＿AMLP，通过匹配变压器变比的调节，得出用于计算接地极阻抗的I＿LINE和U＿LINE值，从而计算出接地极阻抗值，并在考虑各种情况后通过接地极阻抗的变化来判断接地极线路是否发生故障。

4 故障分析

通过逐步分析，发接地极阻抗监视告警的可能原因有以下几种：

（1）匹配变压器故障：若变压器出现故障导致变压器变比与理论值存在差异，则会导致I＿LINE和U＿LINE的值出现偏差，可能会引起最终的阻抗值超出死区而发出告警。在大修期间，曾对匹配变压器进行过更换，但更换过后告警任然存在。更换后由于匹配变压器本身参数发生变化，使得 RE＿Z＿OFFSET和IM＿Z＿OFFSET发生变化，而hidraw图并未改动，因此需要重新设定补偿值，由于重新设定的时候需要做各种安措并可能断开相应测量回路和相关保。

（2）LFL主机中故障：从硬件上来说LFL主机中主要涉及到3个硬件，分别是RS860板卡、RS862G板卡和功率放大器。从上述逻辑关系图中可以看出这其中任意一个硬件的故障都有可能引起测量值I＿PWR＿AMLP和 U＿PWR＿AMLP的偏差。最后通过逐一排查，用万用表测量后发现返回RS860板卡的电压量存在异常，初步判断RS860板卡故障。更换RS860板卡后，发现软件中的补偿值RE＿Z＿OFFSET和IM＿Z＿OFFSET的设定与原先存在较大差异，导致最终阻抗的测量值与定值仍有偏差。因此软件需重新设定补偿值，但重新补偿需要在停极的情况下进行。

（3）LC回路的电容、电抗故障：可能是现场汇控柜内LC回路的电容、电抗器发生故障，需要检修班做进一步参数检查，可通过接入可调电阻的方法进行试验。

（4）站外接地极线路可能存在故障。

在第二年大修期间对软件中的补偿值RE＿Z＿OFFSET和IM＿Z＿OFFSET进行重新设定，报警消失，系统恢复正常运行。

［1］ 赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社 ，2009.

［2］ 阴春晓，艾芊.高压直流线路开路试验的控制原理及保护分析［J］.电力与能源，2012（6）：521-525.YIN Chun-xiao，Ai Qian.Control principle and protection analysis of the HVDC open line test［J］.Power ＆ Energy，2012（6）：521-525.