特高压换流站调相机转子接地保护跳闸分析与改进

2023-09-20刘学权王小虎李义峰

电力安全技术 2023年8期

郭杨，陈昊，刘学权，王小虎，李义峰

(1.国网江苏省电力有限公司超高压分公司，江苏南京 211102；2.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏南京 210019；3.江苏方天电力技术有限公司，江苏南京 211102)

0 引言

随着我国东部负荷中心直流受电比例不断提高，“强直弱交”现象日益明显。直流输电系统向电网大规模输送有功功率，但不向系统提供无功，而换流站还需要吸收大量无功，因而系统对动态无功的补偿需求越来越大，直流输电系统送、受两端电网动态无功储备下降及电压支撑不足的问题日益突出。若发生单一或多条直流输电系统单极换相失败，逆变侧将从电网吸收更大的无功，引起区域电压骤降从而使电压稳定性遭到破坏。对此，除加强网架结构外，往往采取加装各类无功补偿设备的方式以补偿动态无功需求。常见的无功补偿设备有并联电容器组、静止无功补偿器、静止同步补偿器和调相机系统。以上装置受其工作原理的限制，一般不能及时提供足够的动态无功补偿；而调相机系统具有强励特性，能在短时间内提供高于自身容量2倍的无功作为支撑，响应速度快，补偿容量大[1]，对补偿电网动态无功起着关键作用。鉴于此，国家电网有限公司自2018年起，先后在20多个在建和在运超(特)高压直流输电系统受端换流站建设调相机工程，以达到大直流输电、强无功支撑目的。

据现场运行经验及多年故障数据统计，转子接地故障是现场发生最频繁的故障类型。目前的研究大多是转子接地保护在发电机系统中的应用等方面，调相机转子接地保护相关的研究较少。文献[2]从理论分析、仿真计算和现场试验等方面，研究了方波注入式转子接地保护在大型发电机组中的应用；文献[3]着重讨论了调相机系统保护配置和运行情况，介绍了几种调相机与常规发电机不同的保护功能；文献[4]介绍了调相机系统结构及性能特点，讨论了继电保护配置情况和组屏方案，但未对保护原理，尤其是转子接地保护原理进行深入分析。

因此，结合某±800 kV在运特高压换流站调相机系统，对转子接地保护原理及其数学模型进行分析和推导。以一起转子接地跳闸事故为背景，分析保护的动作行为，提出故障点的查找方法以及针对性的改进措施，为新建换流站的调相机工程提供一定参考。

1 调相机系统电气接线

该换流站配置了两组300 Mvar双水内冷调相机系统，以“调相机—升压变”单元形式，通过升压变高压侧开关直接接入换流站交流场500 kV母线，系统电气接线如图1所示，系统启动运行方式如下。

图1 调相机系统电气接线

1) 启动过程。启动励磁系统投入运行；启动静止变频器，输出频率逐渐上升的电流供给调相机定子生成旋转磁场，使得调相机从静止状态开始启动；当转子转速提升至3 150 r/min后退出静止变频器，投入主励磁建立机端电压，待同期条件满足后，捕捉同期时刻，合上5101开关使调相机—变压器组与系统并网。

2) 运行阶段。根据调度指令，当系统电压偏高时，调相机从系统中吸收多余无功，运行在进相状态；当系统无功不足、电压偏低时，调相机向系统发出无功，运行在迟相状态。当系统发生接地短路故障造成电压大幅度跌落时，调相机会瞬时发出大量无功以支撑系统无功电压。

目前，绝大部分调相机系统均以“调变组”的形式配置调相机变压器组保护，包含调相机变压器保护和转子一点接地保护。

2 转子接地保护配置

该换流站配置了两套南瑞继保PCS-985REQ-G调相机转子励磁绕组接地保护装置，一套为方波注入式，另一套为乒乓式，保护原理均为检测回路实时计算励磁绕组对转子大轴的绝缘电阻值。当转子绕组存在一点接地且测量绝缘电阻值小于转子一点接地保护高定值时报警；小于低定值时保护装置将出口跳开调变组500 kV侧并网开关，灭磁解列，防止在有一点接地情况下烧毁转子励磁绕组。

为防止相互干扰，影响转子接地电阻测量精度，两套保护装置只投入其中一套。在两套保护中，方波注入式接地保护因转子接地电阻计算精度高、不受转子励磁绕组对地电容影响而优先投入，乒乓式转子接地保护一般在前者退出的情况下再投入。

2.1 双端方波注入式转子接地保护

双端方波注入式接地保护的简化等效电路如图2所示。该保护在转子绕组的正负极两端与大轴接地碳刷之间注入一个以固定频率在正负半波之前切换的方波电源US，通过注入回路低值测量电阻Rm连接到大轴接地碳刷，注入电压和注入电流(可从测量电阻Rm两端电压计算得到)通过变送器输入保护装置，计算转子绕组接地电阻Rg和接地位置表征量α，R0为注入回路高值功率电阻。保护装置整定值见表1。

表1 方波注入式接地保护装置整定值

图2 方波注入式转子接地保护等效电路

接地电阻电流Ig受注入式方波电源US和转子绕组励磁电压Uf的共同影响。根据线性电路的叠加原理，在方波电源Us为正半波和励磁电压为Uf的情况下，接地电阻电流Ig可表达为：

同理，当方波电源Us变为负半波，励磁电压由Uf变为的情况下，可得另一时刻接地电阻电流为：

为便于推导分析，假定方波电源在正负半波两种状态下转子绕组励磁电压Uf不变，则接地电阻Rg和接地位置表征量α为：

2.2 乒乓式转子接地保护

乒乓式转子接地保护的简化等效电路如图3所示，其中Uf表示调相机转子绕组励磁电压，α表示转子励磁绕组接地点的位置(0≤α≤1)，当励磁绕组通过接地电阻Rg发生一点接地时，其励磁电动势可以分为αUf和(1-α)Uf两部分，计算回路中的R为高电阻，取样电阻R0为低电阻。接地保护检测装置通过电子开关S1、S2相互导通和关断，形成两种电路工作状态，其等效电路分别如图4和图5所示。两种状态下，在取样电阻R0两端分别产生U0和两个电压值。

图3 乒乓式转子接地保护等效电路

图4 乒乓式转子接地保护状态电路一

图5 乒乓式转子接地保护状态电路二

转子绕组在正常情况下，没有接地故障，图3中的接地电阻Rg为无穷大，在取样电阻R0两端形成的电压为零，保护装置显示转子绕组运行良好，绝缘电阻值为无穷大。当转子绕组发生一点接地故障，通过对图4和图5电路的求解，可得接地电阻Rg和接地位置表征量α的表达式：

3 故障分析

3.1 故障简述

某日，该换流站调相机系统监控后台发出事故总告警信号，监控界面显示1号调相机方波注入式转子接地保护动作出口，第1、2套调变组保护启动并发出跳机信号，跳开5101开关、M101灭磁开关、SFC输入开关，1号调相机停机，故障前1号调相机0 Mvar运行，现场无工作，天气状况晴好。当值运维人员立即开展事故处理，在后台确认相关动作信息后，至现场对一、二次设备进行检查确认。

3.2 现场检查

3.2.1 保护装置检查

转子接地保护装置PCS-985RE动作信息显示：保护启动后延时5 s出口跳闸，注入方波电压US为46.361 V，励磁电压Uf为142.697 V，转子接地电阻Rg为0.130 kΩ，转子接地位置α为0 %，即转子励磁绕组负极端部。

注入式转子一点接地保护设置高、低两个定值。本套注入式转子一点接地保护高定值为10 kΩ，延时10 s报警；低定值为2.5 kΩ，延时5 s跳闸。因接地故障时转子一点接地保护计算接地电阻值为0.130 kΩ，小于低定值，且经5 s延时后接地现象未消失，保护出口跳闸，其动作行为正确。

3.2.2 一次设备检查

运维人员根据转子接地位置为0 %，判断转子绕组接地点发生在转子绕组负极端部；同时，根据接地保护范围，应用分段隔离排查法找出具体接地点。依据保护说明书，转子一点接地保护的保护范围包括励磁变低压绕组、励磁回路和整流功率单元、转子绕组回路。现场依次对这三个部位进行绝缘检测及相关二次回路检查[5]，结果均显示正常。

3.2.3 故障点定位

运维人员在将转子负极集电环碳刷逐个取出过程中，发现4号碳刷拔出后转子接地保护告警信号复归。经现场进一步检查确认，发现4号碳刷磨耗监测模块信号线电缆皮破损导致屏蔽层铜线散股裸露，将该碳刷回装后转子接地保护再次发出告警信号；同时，测量转子绕组接地电阻为0.244 kΩ。

3.3 接地原因分析

调相机系统转子集电环碳刷磨耗监测信号通过霍尔开关进入感应模式，碳刷磨耗监测PCB板是由PCB电路板、PCB保护衬板及防护板用电子三防漆粘合而成。集电环碳刷磨耗监测PCB板与信号电缆的连接采用插件方式固定，插头的信号线采用保护套管固定。电缆引出线有三根，分别为24 V电源、公共端和磨损信号线；同时，该电缆由与保护套同轴的铜质屏蔽线包络，起到隔离外部磁场对磨损信号干扰的作用，屏蔽线在调相机本体端子箱内工作接地。集电环刷握、碳刷、滑环依次串联后与转子绕组相连，回路中任意一点发生接地均会引起转子绕组一点接地。

通过现场检查分析和故障复现，确认造成本次转子接地保护动作的原因并非转子绕组本体直接接地，而是因转子高速转动导致集电环与碳刷摩擦生热，周围气体温度升高至70 ℃左右致使信号线电缆保护套管受热老化，以及机组运行过程不断振动导致保护套管与刷握发生撞击摩擦。在这两个因素的长期作用下，1号调相机4号集电环碳刷余量监测板信号线外保护套管破损开裂，包络屏蔽线外露并与刷握接触，进而造成转子绕组通过转子电枢→集电环→碳刷→刷握→信号电缆屏蔽线回路发生接地，造成注入式转子接地保护动作跳机。