灵州换流站换流变压器非电量保护问题分析

宋海龙，雷战斐

（国网宁夏电力公司检修公司，宁夏 银川 750011）

高电压技术

灵州换流站换流变压器非电量保护问题分析

宋海龙，雷战斐

（国网宁夏电力公司检修公司，宁夏 银川 750011）

针对灵州换流站换流变压器非电量保护所存在影响直流系统运行可靠性的问题，通过对阀侧套管压力继电器一级报警接点、网侧套管升高座瓦斯继电器和阀侧套管末屏电压回路存在问题进行分析，提出相应的改进方案。应用结果表明：改进方案可以快速测定SF6漏气率，使值班运维人员更易于掌控阀侧套管泄漏情况，有利于开展事故应急处置；网侧套管升高座瓦斯继电器由跳闸逻辑改投报警，避免了储油柜油位下降或升高座瓦斯继电器误动作导致直流跳闸的问题，提高了直流系统的运行可靠性。

换流变压器；非电量保护；压力继电器；升高座瓦斯继电器；末屏电压

在特高压直流输电系统中，换流变压器处于交直流电互相转换的核心地位，具有设备制造难度大、技术含量高及价格昂贵等特点［1-2］。换流变压器的结构及工作原理虽然与常规交流变压器相类似，但其网/阀侧套管、有载分接开关等附件却含有多种非电量保护［3-4］，而且此类非电量保护动作后果往往会导致直流输电系统非计划停运［5］。

因此，通过对换流变压器一、二次设备严格把关及精细运维，寻找可能导致直流输电系统非计划停运和影响直流系统安全稳定运行的非电量保护隐患，并针对性地解决处理问题就显得至关重要。

1 存在问题及分析

1.1 现状分析

在工程验收期间，灵州换流站换流变压器非电量保护方面存在一系列的隐患问题，主要包括换流变压器阀侧套管压力继电器一级报警接点未接入监控后台，网侧套管升高座瓦斯继电器高于油枕最低位置和阀侧套管末屏电压回路存在两点接地等问题。

1.1.1 阀侧套管一级报警接点未接入监控后台

特高压灵州换流站在运换流变压器类型均为单相双绕组变压器，为油和SF6气体混合绝缘构成［6］。每台换流变压器均有2支阀侧套管，分别为阀侧a套管和阀侧b套管。每支阀侧套管本体可分为内、外两部分，其中套管内侧下半部分充油，与变压器油连通；套管外侧主要是由玻璃纤维带环氧树脂桶和硅橡胶外套组成的绝缘体构成，并充有一定压力的SF6气体［7］。图1为换流变压器阀侧b套管SF6压力继电器接线示意图。

图1 阀侧b套管SF6压力继电器接线

（1）灵州换流站换流变压器每支阀侧套管均配置有2个SF6气体压力继电器，其额定压力为0.37 MPa。当压力低于0.35 MPa时，实现气压低一级报警；当压力低于0.33 MPa时，实现气压低二级报警；当压力低于0.31 MPa时，实现气压低跳闸动作逻辑。

（2）阀侧b套管压力继电器1配置有1个一级报警接点、1个二级报警接点、1个跳闸接点和1个6.5～20 mA模拟量输出接点，阀侧b套管压力继电器2配置有1个二级报警接点和2个跳闸接点。

（3）阀侧套管压力继电器一级报警接点未接入监控后台，一旦SF6气体发生泄漏且监控后台出现报警信号，则说明套管压力已降至0.33 MPa以下，使得值班运维人员难以把控气体泄漏情况，若阀侧套管压力持续下降，将可能直接导致直流系统闭锁。

（4）由于SF6气体泄漏率不清楚，所以压力继电器压力值从0.35 MPa降至0.31 MPa所需时间同样不确定，极不利于值班运维人员开展事故应急处置。

1.1.2 升高座瓦斯继电器高于油枕最低位置

灵州换流站换流变压器采用ABB技术路线，其结构主要由网侧A套管、网侧B套管、阀侧a套管、阀侧b套管、有载分接开关、储油柜和冷却系统等部分组成［9］。其中，每个套管升高座均配置有双浮球瓦斯继电器，其结构原理如图2所示。

图2 双浮球瓦斯继电器结构原理

（1）当绝缘油中存在未溶解气体或者绝缘油发生泄漏，则未溶解气体在绝缘油中不断上升，逐渐聚集在瓦斯继电器上部并挤压绝缘油液面，上浮球将随着绝缘油液面下降而降落，从而启动干簧管触点，导致轻瓦斯保护动作发信［10］。

（2）随着绝缘油液面的持续下降，下浮球将随之降落而启动开关触点，进而导致重瓦斯保护动作跳闸［11］。

（3）当瓦斯继电器内部产生流向储油柜方向的油流涌动，该油流涌动将不断地冲击瓦斯继电器内部挡板，一旦油流流速超过挡板整定值，则挡板将沿油流方向转动而启动开关触点，从而导致换流变压器重瓦斯保护动作跳闸［12］。

灵州换流站每台换流变压器均配置有4个升高座瓦斯继电器［13］。其中，图3为换流变压器网侧A套管升高座瓦斯继电器安装位置示意图。

图3 网侧A套管升高座瓦斯继电器安装位置

（1）换流变压器网侧A套管升高座瓦斯继电器的安装位置比储油柜油枕最底油位还要高，由于升高座瓦斯继电器与储油柜油路是连通的，当储油柜油位下降，则网侧A套管升高座双浮球瓦斯继电器油位也随之下降，降低至一定油位时，将会引起轻瓦斯保护或者重瓦斯保护误动作［14］。

（2）从图3可知，换流变压器网侧A套管升高座瓦斯继电器距离地面为9 126 mm，储油柜最底部位距离地面8 987 mm。假设储油柜液面下降至0 mm，则网侧A套管升高座瓦斯继电器液面将下降139 mm，极有可能导致双浮球瓦斯继电器上下浮球动作，从而引起轻重瓦斯保护误动作。

1.1.3 阀侧套管末屏电压回路存在两点接地

灵州换流站换流变压器阀侧套管末屏处安装有电压测量装置，其主要用来测算换流变压器阀侧相电压，参与换流变压器中性点偏移保护［15］。其中，换流变压器阀侧相电压是通过套管末屏电压求得［16］，其计算公式如式（1）所示。

式中：C1—阀侧套管主电容，μF；

C2—阀侧末屏电压测量装置内部分压电容，μF；

V1—换流变压器阀侧相电压，V；

V2—电压测量装置所监测C2上的电压，V。

图4 阀侧套管末屏电压测量装置接线

图4为换流变压器阀侧套管末屏电压测量装置接线示意图。从图4可知，换流变压器阀侧套管电压测量装置内部有一点接地，测量装置所采集的电容电压送至直流保护装置，并在保护装置处进行第二点接地，从而使阀侧套管末屏电压回路存在两点接地［17］。该接线方式下，如果直流输电系统一次设备发生接地故障，由于接地参考点电位的影响，保护装置所采集的二次电压将与实际故障电压出现不一致现象。

1.2 存在的问题

（1）阀侧套管压力继电器一级报警接点未接入监控后台，由于SF6气体泄漏率不清楚，使得值班运维人员难以把控气体泄漏情况，若阀侧套管压力持续下降，将可能直接导致直流系统闭锁，极不利于值班运维人员开展事故应急处置。

（2）换流变压器网侧A套管升高座瓦斯继电器的安装位置比储油柜油枕最底油位还要高，当储油柜油位下降，极有可能导致双浮球瓦斯继电器上下浮球动作，从而导致轻重瓦斯保护误动作。

（3）换流变压器阀侧套管末屏电压回路存在两点接地，如果直流输电系统一次设备发生接地故障，由于接地参考点电位的影响，保护装置所采集的二次电压将与实际故障电压出现不一致现象。

2 改进措施

2.1 阀侧套管一级报警接点接入监控后台

换流变压器阀侧a或b套管压力继电器均配置1个一级报警接点、2个二级报警接点和3个跳闸接点，将该报警或跳闸接点全部接入监控后台，采取压力分级报警方式，如图5所示。

图5 阀侧b套管SF6压力继电器改进后接线

从图5可知，以阀侧b套管为例，将SF6压力继电器一级报警接点接入监控后台，形成压力分级报警，一旦阀侧套管SF6气体发生泄漏且监控后台出现报警信号时，则说明套管压力已降至0.35 MPa，此时可通过分析SF6气体从0.35 MPa泄漏至0.33 MPa的时间，来推断出从0.33 MPa降至0.31 MPa所需要的时间。

利用压降法快速测定SF6漏气率［18］，其计算公式如式（2）所示。

式中：Δp—压降，Δp=p1-p；

Fy—SF6漏气率，%/年；

p1—压降前的压力（换算至标准大气条件下），MPa；

p—压降后的压力（换算至标准大气条件下），MPa；

Δt—压降Δp经过的时间，月。

2.2 升高座瓦斯继电器跳闸逻辑改投报警

换流变压器网侧A套管升高座瓦斯继电器安装位置高于储油柜最低位置，一旦绝缘油大量泄漏，则会引起双浮球瓦斯继电器下浮球降落，造成重瓦斯保护误动作，将升高座瓦斯继电器跳闸逻辑改投报警，从而消除了升高座瓦斯继电器物理安装位置不合理造成的严重隐患。

此外，根据文献［19］中5.4条规定：针对动作于信号的轻瓦斯保护通常按气体的容积整定，对于容量10 MVA以上的变压器容积可整定为250～300 mL；针对动作于跳闸的重瓦斯保护通常按油流的流速整定［20］。因此，对于灵州换流站换流变压器网侧套管升高座瓦斯继电器一端有金属法兰封堵的情况，是不会产生油流涌动而导致重瓦斯动作，故而跳闸逻辑改投报警也是符合规程要求的。

2.3 阀侧套管末屏电压回路改为一点接地

针对换流变压器阀侧套管末屏电压回路存在两点接地的问题，一方面保持阀侧套管电压测量装置内部一点接地不变，另一方面拆除直流保护装置处另一接地点，从而使阀侧套管末屏电压回路仅存在一点接地，如图6所示。

图6 阀侧套管末屏电压测量装置改进后接线

从图6可知，该接线方式下，如果直流输电系统一次设备发生接地故障，不仅保证了电压回路有一个接地参考点电位［21］，而且保证了保护装置所采集的二次电压与实际故障电压的一致性。

3 效果评价

（1）设计优化后，将换流变压器阀侧套管一级报警接点接入监控后台，采取压力分级报警方式，一旦阀侧套管SF6气体发生泄漏，可以快速测定SF6漏气率，使值班运维人员更易于掌控阀侧套管泄漏情况，有利于开展事故应急处置，使运维人员具有足够的故障判别及事故响应时间。

（2）经设计完善后，将升高座瓦斯继电器由跳闸逻辑改投报警，当储油柜油位下降或升高座瓦斯继电器误动作时，均不会引起直流系统跳闸，从而缩小了故障的波及范围。

（3）经现场改造后，将直流保护装置处的一接地点进行拆除，从而使阀侧套管末屏电压回路仅存在一点接地，保证了保护装置所采集的二次电压与实际故障电压的一致性。

4 结论

（1）换流变压器阀侧套管压力继电器一级报警接点接入监控后台，使值班运维人员更易于掌控阀侧套管泄漏情况，减轻了运维人员的事故应急处置压力，具有较强的现场指导意义。

（2）网侧套管升高座瓦斯继电器由跳闸逻辑改投报警，避免了储油柜油位下降或升高座瓦斯继电器误动作导致直流跳闸的问题，提高了直流系统的运行可靠性。

（3）阀侧套管末屏电压回路保持一点接地，提高了阀侧末屏电压测量的准确度，为后续工程在设计、施工等阶段提供参考。

（4）灵州换流站换流变压器非电量保护存在的若干问题及改进措施，在现场应用中取得了良好效果，为后续直流输电工程在设计、制造等方面提供宝贵经验。

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Non-electric protection analysis of converter transformer in Lingzhou Converter Substation

SONG Hailong,LEI Zhanfei
(Maintenance Filiale of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China)

For the problems of non-electric protection of converter transformer affecting the reliability of DC system operation in Lingzhou Converter Substation,analyzes the existing problems such as the primary alarm contact of valve side bushing pressure relay without access to the workstation,the elevated gas relay of net side bushing higher than the lowest position of the oil conservator and the end of the screen voltage circuit of valve side bushing with two-point grounding,puts forward the improvement schemes.The application results show that the improvement schemes can fast determine SF6leakage gas rate,make the duty operators more liable to master the situation of the valve side bushing leakage,which are beneficial to make accident emergent treatment.The elevated gas relay of net side bushing is changed from trip logic to alarm,avoid DC trip problem resulted from the oil level dropped in oil-storage cabinet or the misoperation of the elevated gas relay,so the scheme improves the reliability of the DC system operation.

converter transformer;non-electric protection;pressure relay;the elevated gas relay;the end of the screen voltage divider

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.05.008

2017-06-28

宋海龙（1988），男，助理工程师，从事高压直流输电系统运维检修工作。

TM771

B

1672-3643（2017）05-0050-05

有效访问地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.05.008