换流站平波电抗器本体重瓦斯保护动作分析及对策的仿真研究

常聚忠，马 磊，周建国，王 抗，刘建国

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

葛沪直流综合改造工程（调度命名林枫直流工程）连接华中、华东电网，为上海世博会供电的重点建设项目，是三峡地下电厂电力外送重要通道，是世界上第一条采用同塔双回路架设的大截面、大容量、远距离输电的直流线路，也是国内首次同走廊、大规模拆旧立新的输电线路[1-3]。2013年7月13日，林枫直流输电系统逆变侧枫泾站极Ⅱ换流变充电时产生较大且持续时间较长的励磁涌流，致使正常运行的极Ⅰ换流变连续换相失败，直流低压限流特性连续动作，整流侧团林站直流电流瞬时增大，直流电流最大达到6 249 A，极Ⅰ平波电抗器本体瓦斯继电器重瓦斯动作，极Ⅰ直流闭锁。

事故发生后，对气体继电器误动作原因进行了分析，分析认为造成瓦斯继电器故障可能有两个原因：一是平抗在暂态大电流冲击产生了机械力，造成本体及瓦斯继电器振动，下浮球跌落导致重瓦斯动作。二是平抗经受暂态大电流时，绕组收缩和箱体的轻微变形会引起油向油枕方向涌动，当油流速度超过瓦斯继电器定值(1.5 m/s)时，油流会推动瓦斯继电器的挡板并带动下浮球移动，导致重瓦斯动作。本文通过ANSYA仿真软件，按照2.5倍、3倍换相失败电流和20 ms（1个周波）、60 ms（3个周波）换相失败时间，对各站平抗箱盖处和气体继电器处振动情况重新进行了多方案详细验算，并核算两侧硬联接结构法兰处的应力。

1 事故原因分析

1.1 平波电抗器型号结构简介

图1 平波电抗器瓦斯继电器位置示意图Figure.1 The position diagram of the gas relay of the flat wave reactor

林枫直流输电系统整流侧和逆变侧直流场平波电抗器均由特变电工沈变提供，型号PKDKFP-500-3000-290，该类型的平波电抗器本体瓦斯继电器与油枕采用波纹管连接，与本体油箱采用管道硬连接，形成悬梁臂结构，平波电抗器瓦斯继电器现场安装如图1所示。

1.2 事故处理过程及动作原因分析

平波电抗器重瓦斯动作跳闸事故发生后，现场人员对平波电抗器及瓦斯继电器进行外观检查、油样试验均合格。

图2 是故障录波图，闭锁前团林站直流侧电压、电流出现大幅度周期性波动，极母线电流IDL最大达到6 470 A，直流电压UDL最低达到247 kV，大幅偏离直流系统故障前的正常运行值。

当直流系统逆变侧发生换相失败时，相应极直流电流瞬时增大，在平波电抗器承受较大暂态电流穿越时，其内部绕组势必会发生收缩形变以致箱体产生轻微变形，绕组在较大电流冲击下产生的机械力会通过箱体向其他部件扩散，同时引起箱体内部油向油枕方向涌动，如图3所示，由于瓦斯继电器与箱体采用硬连接，另一端采用波纹管连接，形成悬梁臂结构（相当于一端悬空），机械力通过连接瓦斯继电器的主联管将放大后的振动传递给瓦斯继电器，最终导致重瓦斯动作[4-6]。

图2 直流量故障录波图Fig.2 The DC flow fault record

图3 平波电抗器油箱外部结构示意图Fig.3 The external structure of the flat wave reactor oil tank

2 平波电抗器瓦斯继电器振动仿真分析

为了验证平波电抗器瓦斯继电器是否在内部绕组经受大电流冲击下会产生足够的机械力而使瓦斯继电器重瓦斯动作，通过建立模型进行仿真试验，得出平波电抗器本体油箱及瓦斯继电器的加速度[7-10]。

2.1 仿真模型的建立

仿真过程主要分两部分：

（1）测量在故障电流作用下油箱受到的作用力；

（2）把所测量的力加载到仿真模型上进行仿真计算。

当大电流流过平波电抗器线圈时，线圈产生较大的作用力，该作用力是从线圈向外传播，经过内部的器身结构，外部的油箱结构以及油箱上部的联管结构最终传递到继电器上，为减小本次仿真试验误差，在平波电抗器本体于油箱连接位置加设测量装置，经过多次测量取均值的方法，测量在故障电流作用下油箱收到的作用力大小。

建模时将储油柜的质量等效为质量点，由于继电器的另外一端是波纹管，所以在一定的位移范围内，不考虑波纹管对继电器的约束作用，故建模的时候不予考虑，同时应考虑其他的联管对继电器的约束作用。利用ANSYA仿真软件，油箱模型如图4所示。

图4 平波电抗器油箱模型Fig.4 Flat wave reactor oil tank model

2.2 仿真计算

计算电抗器在承受故障电流（正常工况电流值为3 000 A，故障电流设置为2.5倍电流，即7 500 A，60 ms，仿真总时间0.3 s）冲击作用下瓦斯继电器的振动情况，将施加重力载荷及短路力载荷两种载荷共同作用下的结构的响应。

平波电抗器载荷施加如图5所示。

图5 平波电抗器油箱载荷施压示意图Figure.5 The load pressure of the flat wave reactor oil tank

箱盖加速度以及瓦斯继电器加速度仿真计算结果如图6、图7所示。

图6 电流为7 500 A时箱盖加速度仿真结果图Figure.6 The Simulation results of oil tank lid acceleration when current is 7 500 A

图7 电流为7 162 A时瓦斯继电器加速度仿真结果图Figure.7 The Simulation results of gas relay acceleration when current is 7 162 A

由图6可知，在故障情况下油箱盖的加速度幅值大约为1.4 g（g为重力加速度,，图7中瓦斯继电器上的加速度幅值大约为5 g，因此可知继电器支撑结构对继电器的振动加速度起到了放大作用，振动幅值随时间增大，瓦斯继电器的加速度值超过 EMB继电器可承受的最大允许振动加速度（2 g，2 Hz～200 Hz，g为重力加速度），此仿真验证了，当采用该类设计的平波电抗器（瓦斯继电器与油箱采用硬连接，并且另一端采用波纹管）时，当平波电抗器承受较大暂态电流穿过时，会引发油箱发生振动，并且同时会使瓦斯继电器的振动放大，从而超过瓦斯继电器最大允许振动加速度，最终导致重瓦斯动作。

3 事故处理对策及仿真建模验证

由第2节中的仿真结果可知，为了减小瓦斯继电器的振动加速度，或使瓦斯继电器重瓦斯不易受油箱振动影响，可考虑改变瓦斯继电器与平波电抗器主联管连接加固措施，使瓦斯继电器与油箱紧密相联，从而避免瓦斯继电器因连接问题而产生振动放大的影响。

为验证上述理论分析，分别对继电器固定在储油柜侧、继电器在储油柜侧主联管加支撑、继电器在主联管侧、继电器在主联管侧主联管加支撑进行进一步建立模型，验证平波电抗器油箱及瓦斯继电器的振动加速度是否超过瓦斯继电器规定允许最大加速度。

利用第2节中所使用的方法，分别将7 500 A故障电流作用下线圈受到的电磁力，施加在仿真模型线圈上，持续时间为20 ms以及60 ms时，平波电抗器油箱盖和瓦斯继电器振动加速度如表1所示。

表1 平波电抗器不同改进措施后油箱盖某点及瓦斯继电器加速度对比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，平波电抗器主联管加支撑架后，瓦斯继电器的加速度值明显小于平波电抗器主联管连接原结构值。因此，平波电抗器主联管加支撑架对于防止较大直流电流穿越平波电抗器绕组产生的机械力使瓦斯继电器的振动有较明显的约束作用，最后修改图如图8所示。

图8 平波电抗器加支撑固定结构示意图Figure.8 Schematic diagram of plain wave reactor with fixed support structure

团林、枫泾、灵宝、黑河和拉萨换流站的平波电抗器均是由特变电工沈变提供，其瓦斯继电器和本体及油枕连接方式均相同，在承受上述电流的情况下都存在重瓦斯误动的风险，各站至投运至今,共发生了5次重瓦斯误动事故。2013年国家电网公司对上述换流站平波电抗器主联管加支撑架后，至今未发生重瓦斯误动事故，保证了电网的安全稳定运行。

4 结论

（1）通过以上分析可知，平波电抗器的本体重瓦斯动作原因、由于较大直流电流穿越平波电抗器绕组产生的机械力，机械力通过连接瓦斯继电器的主联管将放大后的振动传递给瓦斯继电器，最终导致重瓦斯动作。

（2）通过建立仿真模型，验证了平波电抗器主联管加支撑固定结构对于防止较大直流电流穿越平波电抗器绕组产生的机械力使瓦斯继电器的受力振动有较明显的约束作用，并在实际生产中得到了应用。有效降低这类事故发生概率，提高直流系统运行稳定性。

（3）本文方法同样可运用在油浸式变压器和油浸式高压电抗器上，其瓦斯继电器结构和平波电抗器类似，在较大穿越电流下同样可有效避免重瓦斯误动。

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[1]刘振亚.特高压电网[M].北京：中国经济出版社，2005.LIU Zhenya.Ultra-high voltage grid[M].Beijing：China EconomicPublishing House,2005.

[2]刘振亚.特高压直流输电技术研究成果专辑[M].北京：中国电力出版社，2005.LIU Zhenya.Research achievement of UHVDC transmission technology[M].Beijing：China Electric Power Press,2005.

[3]刘振亚.特高压直流输电技术研究成果专辑[M].北京：中国电力出版社，2006.LIU Zhenya.Research achievement of UHVDC transmission technology[M].Beijing：China Electric Power Press,2006.

[4]赵婉君，高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.ZHAO Wanjun.HVDC engineering technology[M].Beijing：China Electric Power Press,2004.

[5]EMB变压器气体继电器使用说明书[K].德国EMB公司，2004.Operating Instructions transformer protection rela[K].EMB,2004.

[6]姜海波，闰兴龙，孙亮，等.油浸式平波电抗器重瓦斯保护误动分析及防治措施[J].高压电器，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]张文亮，于永清，李光范，等.特高压直流技术研究[J].中国电机工程学报，2007,(22)：1-7.ZHANG Wenliang,YU Yongqing,LI Guangfan.researches on UHVDC technology[J].Proceedings of the CSEE，2007,(22)：1-7.

[8]马怀冬，贺非凡，江 兵，等.特高压直流输电换流变系统运行特点及备用最优切换研究[J].华东电力，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]马为民，聂定珍，曹燕明.向家坝—上海±800 kV特高压直流工程中的关键技术方案[J].电网技术，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]孟永鹏，钟波，贾申利.振动分析在电力设备状态检测中的应用和发展[J].高压电器，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.