基于保护分区特性的换流站故障诊断

龚凌云，王 旋，秦 皇，蔡韩奇，田 雷

（国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 311232）

0 引言

直流输电具有输送容量大、送电距离远、电网互联方便、功率调节容易和线路走廊窄等诸多优点，因此，在远距离电能传输、非同步电网互联、分布式能源接入电网、海岛供电以及大城市中心区域电缆供电等领域具有明显优势[1-3]。

特高压换流站设备类型多，发生故障的概率高，保护配置也要比常规变电站复杂得多。目前，鲜有文献对换流站的故障诊断进行研究。文献[4]重点强调了提高直流输电线路继电保护的研究和运行水平。文献[5]针对直流单极接地故障，设计了一种附加控制器以加速电容电压再平衡，实现故障恢复。文献[6-7]针对直流输电线路故障，未提及换流站内设备故障诊断问题。目前，对变电站故障诊断技术相对成熟。文献[8]提出了一种基于粗糙集理论和神经网络模型的变电站故障诊断方法，运用神经网络对故障诊断知识进行模式识别。文献[9-10]针对智能变电站，分别设计了一种网络分析与故障录波一体化系统，提出了一种继电保护故障可视化分析方案。

继电保护装置作为电力系统的重要组成部分，在换流站发生故障时能够快速切除故障设备。不同保护类型的保护范围不同[11-15]，故障录波装置会动态记录故障电流、电压和保护动作信息。特高压直流保护也是继电保护的一种，其按照分层、分区和独立配置的原则设计[16-18]，本文提出了一种基于保护分区特性的故障诊断方法，结合保护动作情况和动作保护的分区特性实现故障诊断。以金华换流站换流变本体阀侧首端套管内部故障为例，通过本文提出的诊断策略，有效实现了故障定位。

1 换流站保护分区特性

根据现有配置的换流站保护原则，主要划分为7 个区域：换流阀保护区域、极保护区域、双极保护区域、直流滤波器保护区域、换流变保护区域、交流滤波器保护区域和交流场保护区域。以交流直流为界，将换流阀保护、极保护、双极保护和直流滤波器保护归为直流保护，换流变保护、交流滤波器保护和交流场保护归为交流保护。

1.1 直流保护

保护区域是以CT（电流互感器）位置作为各保护范围的界限的，CT 测点分布如图1 所示。分别对金华换流站配置的保护及保护分区情况作了一个统计，如表1 所示。当发生故障时，参照表1，根据保护动作情况确定故障范围。表1 中，被保护区域以黑线框出。

表1 直流保护的分区特性

1.2 交流保护

交流保护包括交流滤波器保护、换流变保护和交流场保护。交流场保护范围包括母线、500 kV GIS 开关以及交流线路，对常规变电站故障诊断，文献[5-6]中已经研究得比较透彻，在此不做赘述。交流滤波器是换流站的无功设备，由电容器、电阻器以及电抗器组成，每个设备设立了单独的保护，包括差动保护、不平衡保护等，本文不作详细介绍。

换流变是换流站的主设备，结构复杂，故障率也比较高。换流变网侧套管、阀侧套管的故障概率较高，换流变保护的分区特性如表2 所示，表2 中保护范围以虚线框出。

2 基于保护分区特性的故障诊断方法

换流站直流场区域采用敞开式的设备，所配保护也基本可定位到单个设备，因此直流场的设备故障定位可通过保护动作情况确定故障范围，再结合现场故障现象来进一步确定故障设备。

换流变配置了电气量保护和非电气量保护，当换流变内部发生故障时，仅仅依靠保护动作情况可能无法进行正确地诊断，需要结合一体化在线监测系统的历史油色谱数据来确定。

表2 换流变保护的分区特性

图1 换流站CT 测点分布

以上2 类设备发生故障时，故障现象较为明显，故障诊断和定位也比较容易。换流站存在一类设备，其故障现象不明显，不太容易进行故障诊断，即套管类的故障，如换流变网侧套管、换流变阀侧套管以及直流穿墙套管。本文旨在对这3 类套管的故障实现快速诊断，通过对套管故障时保护的动作情况进行分析，将所有的保护动作结果罗列，换流站工作人员就可直接根据保护动作结果进行匹配，从而直接实现故障定位。换流变网侧、阀侧套管内部均含有CT，以CT 为界，将其一分为二，套管故障分类及相应保护动作情况如表3 所示，可直接根据表3 的保护动作情况实现故障诊断。

表3 套管故障分类及保护动作情况

3 故障诊断

以某换流站某日发生的换流变故障跳闸作为分析案例，采用本文提出的基于直流保护分区特性的故障诊断方法，实现了故障诊断。

3.1 故障情况

3.1.1 主要事件记录

发生故障跳闸后，保护动作情况如表4 所示。

表4 主要事件记录

3.1.2 保护动作录波分析

结合后台事件，调取极保护和阀组保护的故障录波，进一步分析极保护和阀组保护的保护动作信息，如图2、图3 所示。

图2 故障阀组保护动作故障录波图

图3 极2 差动保护动作故障录波图

图2 为故障录波记录的阀组保护动作信息，DDD_II_diff 为阀组差流，DDC_I_ref 为阀组I 段保护定值。t1时刻09：32：35：902，阀组差流产生；4.3 ms 后，t2时刻差流大于I 段定值3 084 A；经5 ms 延时，t3时刻阀组差动保护动作，执行S 闭锁；t4时刻跳交流进线开关；t5时刻投旁通对；t6时刻阀点火停止。

图3 为从故障录波调取的极保护动作信息，由图3 可知，t1时刻，极母线电流IDL_I 和中性母线电流IDNE_I 发生变化，极差流PDP_A_I 产生；t2时刻极差动保护动作，执行S 闭锁。

因此，由故障录波调取的极保护动作信息和阀组保护动作信息可知，故障发生后，阀组差动保护和极差动保护均动作。

3.2 故障诊断

根据后台事件记录表和录波分析的结果可知，当故障发生后，换流变重瓦斯保护、极差动保护和阀组差动保护这3 个保护动作，结合表1，可直接实现故障定位，即将故障定位至阀侧套管CT 外侧（靠近阀侧），如图4、图5 所示。

3.3 解体验证

从解体后的接地法兰内部图上可以看出，法兰表面碳化烧蚀痕迹明显，电容芯子环氧树脂绝缘层烧蚀严重，如图6 所示，该位置为阀侧首端套管CT 靠近末屏侧（阀侧），由此可判断法兰处为接地故障位置，与本文结合分区特性实现的保护故障诊断结果一致。

4 结语

图4 极2 低端换流变故障点及故障电流示意

图5 换流变接地故障位置示意图

图6 故障换流变阀侧首端套管法兰处解体结果

换流站配置的保护可以实现保护站内的全部设备，各类保护具有明显的分区特性。本文基于保护的分区特性实现了对某换流站某日发生的闭锁故障进行诊断，准确地诊断出了极2 低端换流变A 相阀侧套管CT 外侧发生接地故障点，换流变的解体结果进一步验证了本文诊断结果的准确性。结合保护分区特性实现的故障诊断也为解体分析和故障成因提供参考价值。因此，掌握换流站保护的分区特性，对于现场的故障定位和故障诊断有着至关重要的作用。