一起换流站交流滤波器保护跳闸故障诊断与仿真分析

2021-07-13柴斌李小娣徐辉刘若鹏

宁夏电力 2021年3期

柴斌,李小娣,徐辉,刘若鹏

(1.国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏银川 750011；2.银川能源学院，宁夏银川 750199)

交流滤波器是换流站核心设备之一，主要为换流器提供无功功率和滤除谐波，运行过程中随着直流功率的调节，由与之相连的断路器分合闸实现在线投退，以平衡无功功率确保电网及系统稳定运行[1]。通过对某换流站一起交流滤波器差动保护动作导致小组滤波器断路器跳闸原因的深入分析，发现导致设备异常的根本原因，并通过仿真重现了故障特征。针对事件暴露出的问题提出了相应的解决方案及后续在设备安装、运维阶段注意事项和改进措施，以保障设备安全稳定运行。

1 故障情况

某换流站7621(SC)小组交流滤波器在自动投入过程中，第二大组交流滤波器保护A套SC比率差动、SC零序差动保护动作出口，7621断路器三相跳闸，第二大组交流滤波器保护B套相应保护未启动。7621(SC)小组滤波器跳闸后无功控制自动投入7631(SC)小组交流滤波器，未对直流输送功率造成影响。保护装置详细故障报文如表1所示。

表1 PCS-976A保护装置显示故障报文

1.1 一次设备检查情况

现场对7621小组滤波器断路器、电流互感器、电容器塔、电抗器及避雷器等一次设备进行常规预试检查，未发现异常。

1.2 二次设备检查情况

现场对保护装置进行检查，第二大组交流滤波器A套保护装置显示“SC比率差动保护动作”、“SC零序差动保护动作”、“跳SC交流滤波器开关”， SC小组跳闸红色灯亮，操作箱内三相跳闸红灯亮，第二大组交流滤波器B套保护装置相应差动保护未启动。图1为7621交流滤波器CT配置，电源侧电流互感器12HL,13HL绕组和尾端电流互感器25HL、26HL分别用于小组滤波器差动保护A、B，14HL绕组接至故障录波装置。

图1 7621交流滤波器CT配置

2 故障分析及处置

2.1 录波波形分析情况

该换流站第二大组交流滤波器SC型小组交流滤波器的首端电流和尾端电流通过常规电磁式CT转成小电流信号后，送入常规互感器合并单元PCS-221转成光信号，最后以光缆送入保护装置PCS-976A[2]。

7621小组滤波器投入时，两套保护装置记录的原始录波如图2、图3所示。

图2 SC型小组交流滤波器A套保护装置录波

图3 SC型小组交流滤波器B套保护装置录波

正常情况下，参与差动保护首端电流和尾端电流幅值相同、相位相反。从图2可知，7621交流滤波器投入时A套保护装置首端A相电流较尾端A相电流幅值偏小且相位发生偏移，造成了很大的A相差流和零序差流，B、C相电流波形无异常。B套保护装置及故障录波器7621交流滤波器三相首端电流与尾端电流幅值相同，相位相反，差流基本为零，保护未启动[3]。

综合上述分析，推断7621交流滤波器A套保护首端A相电流出现传变异常导致保护动作。

分析7621小组交流滤波器A、B套保护装置动作时录波，并离线分析其差流工频基波有效值及动作门槛，如图4、图5所示。

图4 A套保护装置A相差流动作分析

从图4可知，A套保护装置感受到A相差流工频基波有效值显然已经超过其动作门槛值，因此比率差动保护动作。从图5可知，其三相差流工频基波有效值最大不超过0.025Ie，远低于0.38Ie的启动值，因此没有启动和动作。

图5 B套保护装置三相差流动作分析

2.2 现场检查处理情况

2.2.1 初步检查情况

退出第二大组交流滤波器A套保护后，对7621间隔进行基波电流、低频谐波电流二次通流试验，测试结果均正常[4]。因现场不具备模拟滤波器实际合闸时高频电流的条件，现场无法验证合并单元采样插件在高频电流干扰下传变特性，现场对合并单元采样插件进行更换。更换插件后申请7621交流滤波器恢复送电，并对合闸时保护装置录波进行了分析，主要情况如下：

(1)经检查7621滤波器三相首端与尾端电流相位相反，A相电流相位未发生偏移。

(2)第二大组交流滤波器A套保护在7621间隔A相合闸后，出现较大差流，达到50 A左右，B、C相及B套保护三相差流小于10 A。

图6 7621滤波器送电合闸波形

针对7621间隔合闸后交流滤波器A套保护A相出现较大差流的现象，判断该套保护的电流互感器二次绕组、二次电流回路、合并单元仍存在问题，需进一步试验验证。

2.2.2 第一次停电后处理情况

2.2.2.1 调换7621 CT二次绕组

将7621 SC小组滤波器首端保护A套保护用电流绕组与故障录波器用电流绕组进行调换，7621首端CT 12HL绕组由保护用改为故障录波器用，CT变比由1250/1调整为2500/1；14HL绕组由故障录波器用改为保护用，CT变比由2500/1调整为1250/1。更换绕组后，对7621首端CT进行一次通流试验，验证保护A套和故障录波器电流回路、CT变比正确。

2.2.2.2 投切试验

进行7621交流滤波器进行投切试验，7621断路器合闸后，查阅第二大组交流滤波器保护A、B套和故障录波器波形。

如图7、图8所示，倒换绕组后保护装置A、B套首尾端三相电流幅值相等、相位相反，装置无差流。

图7 倒换绕组后投切试验A套保护装置波形

图8 倒换绕组后投切试验B套保护装置波形

如图9所示，故障录波器7621首端A相电流在合闸后幅值、相位均出现传变异常，而B、C相电流均正常。

2.2.2.3 数据分析

在电流互感器二次回路及合并单元未变动的情况下，倒换7621断路器A相绕组前，保护装置A套首端A相电流传变异常，保护装置B套及故障录波电流均正常。绕组倒换后，保护装置A套首端A相电流恢复正常，故障录波装置采样波形显示合闸初始时刻A相电流出现传变异常。

图9 倒换绕组后故障录波波形

因此，判断A套保护装置断路器首端电流二次回路及合并单元装置均正常，故障原因为7621首端A相CT 12HL绕组在滤波器投入时短时传变异常所致。

2.2.3 第二次停电后处理情况

年度检修停电期间，对7621断路器首端CT的CT1线圈进行更换，在更换过程中发现S3 CT1-K3线圈引出线外皮存在破损现象，如图10所示。更换完成后对该线圈开展了通流、绝缘及极性测试，测试结果合格[5]。检修完成后进行冲击合闸试验设备运行正常，查阅两套保护装置及故障录波,波形均正常。

图10 线圈引出线破损

3 故障仿真及复现

为进一步验证故障分析的准确性，根据现场实际工况搭建信号仿真测试平台进行故障仿真[6]，其中二次侧S1、S2抽头之间绕组为保护用互感器绕组，绝缘破损发生在S3抽头处。

3.1 保护用互感器负载为纯电阻

图11为保护用互感器负载为纯电阻情况下S3处发生接地故障。保护用电流互感器测得电流i2可以表示为

(3)

式中:Zk—接地阻抗；

i1—流入互感器二次侧电流；

i2—保护用电流互感器测得电流[7]。

图11 保护用互感器负载为纯电阻时故障

3.1.1 首端电流互感器二次侧S3抽头经过渡电阻接地

首端电流互感器二次侧S3抽头经过渡电阻接地，相当于该过渡电阻与原二次侧负载并联，此时会出现分流的情况，因此首端A相电流一定程度减小，但是此时并不会影响首端电流的相位。在仿真中选取过渡电阻R为1 Ω，得到的三相首尾两端电流波形如图12所示。可以看出此时接地电阻的分流作用使首端A相电流减小，但是首尾两端电流仍然相位相反。即使在高频情况下，上述结果也不会有改变。

图12 S3抽头经过渡电阻接地

3.1.2 首端电流互感器二次侧S3抽头经电感接地故障

首端电流互感器二次侧S3抽头经电感接地，由于S2抽头所接负载为电阻，因此此时在分流的基础上可能会出现相位偏差。在仿真中选取接地电感L为0.01 H，得到首尾两端三相电流如图13所示，可以看出此时A相首尾两端电流不仅大小有差异，另一方面相位也不再相反，发生了相位偏差。

图13 首端电流互感器二次侧S3抽头经电感接地故障

3.1.3 首端电流互感器二次侧S3抽头经阻感接地故障

经阻感接地的情况与经纯电感接地情况类似，均是在分流的基础上有些许相位偏差，在仿真中设置R为1 Ω，L为0.01 H，得到的三相首尾两端电流如图14所示。

图14 首端电流互感器二次侧S3抽头经阻感接地故障

3.1.4 首端电流互感器二次侧S3抽头经电容接地故障

设置接地电容C为0.001F，与经电感接地情况类似，此时同样会出现相位偏移。阻容负载的情况与之类似，不再赘述。

结合以上仿真分析与理论分析，若保护用互感器的负载为纯电阻，无论Zk是阻性还是感性，i2都不会出现高频时电流相位与基频下电流相位完全相反的情况,因此，考虑保护用互感器接阻感负载的情况。

3.2 保护用互感器负载为阻感负载

图15为保护用互感器负载为阻感情况下S3处发生接地故障。保护用电流互感器测得电流i2可以表示为

(4)

式中:Z2—保护用互感器负载阻抗；

Zk—故障点的接地阻抗。

经过分析，只有当Z2为感性负载、Zk为容性负载时，才会出现基频与高频下保护用互感器流过电流相位完全相反的情况，因此对这一种情况进行仿真分析[8]。在仿真中设置保护用互感器负载R为0.08 Ω，L为0.002 H，在50 Hz频率下，该负载阻抗近似为1 Ω，同时设置故障点接地电容C为0.01 mF。

图15 保护用互感器负载为阻感时故障

3.2.1 工频情况

图16 工频下首尾两端电流

3.2.2 高频情况

以1000 Hz为例说明高频下的故障情况。

由于Zk为容性，且随着频率的升高，其容性阻抗减小，而Z2为感性且随着频率升高其阻抗值增大，因此认为在高频下Zk为容性，Zk+Z2为感性，此时会出现i2与i1相位相反的情况，并且i1与尾端电流幅值相同相位相反，则首尾两端电流相位相同[9]。如图17所示为高频下的首尾两端三相电流，与理论分析一致，此时的故障相差动电流较大，因此会导致差动保护误动作。