換流站接地極阻抗異常淺析

王 旗，陰春曉，林嘉揚

（國網上海市電力公司檢修公司 特高壓交直流運檢中心，上海 201708）

接地極作為換流站的核心設備，對保證換流站的安全穩定運行起著重要的作用。換流站大修完成投運后發接地極電阻監視告警。再次大修期間修改直流控制保護軟件參數后，接地極阻抗異常告警消失，換流站恢復正常運行。

1 接地極控制保護電路結構

1.1 接地極阻抗監視系統作用

接地極阻抗監視系統被用來持續監測電力線路的狀態。原理是將高頻交流電流注入接地極線路并測量注入點對地電壓。通過電流和電壓值測量接地極線路的阻抗來作為接地極線路的狀態監測。當阻抗發生突變超出了設定值并保持一定時間（線路開路或者接地極線路直接接地故障）排除了誤動情況后，發出報警信號。

1.2 接地極阻抗監視系統測量主回路原理簡介

（1）接地線路阻抗監視硬件部分的控制單元

如圖1和圖2所示，PS860板卡首先產生一個正弦高頻信號（Sine Oscillator），通過電力放大器（Power Amplifier）放大，通過信號電纜（Signal Cable）傳輸至匹配變壓器（Matching Transformer），信號電纜的阻抗是70Ω。為了實現無反射波的存在，電纜阻抗與電力放大器的輸出電阻要匹配，匹配變壓器的作用一是實現控制電路和接地極回路的電氣隔離，二是實現控制回路和接地極回路的阻抗匹配。

PS862板卡測量放大器（measuring amplifier）測量電力放大器二次側的電壓和電流值，并進行線性放大后輸入PS860板卡進行計算和信號處理。

圖1 接地線路阻抗監視硬件部分的控制單元

（2）高頻信號頻率大小的選定

頻率大小的選擇首先要盡可能高，一可以減少主回路器件的物理體積大小，二可以盡量減少線路直流電對高頻信號測量回路的干擾和高頻信號對直流電保護測量回路的干擾。其次，要盡量避開換流器產生的各次諧波。由于頻率太高受到接地極線路高頻衰減，電磁波輻射等等的限制，因此，最后確定的頻率值約為13.95kHz。

圖2 接地線路阻抗監視硬件主回路

頻率值最后的確定受到阻斷濾波器參數的限制，因此頻率約為13.95kHz，最后頻率的確定要根據試驗。

（3）測量主回路

如圖2所示，匹配變壓器（Matching Transformer）產生的高頻信號注入接地極回路，首先通過注入濾波器（Injection Filter），然后通過靠近接地極的電阻注入接地極，形成測量回路。

注入濾波器被調諧到對于高頻測量回路阻抗為0，但不能使直流電流通過。

接地極側有一個電阻，該電阻與阻斷濾波器（Blocking Filter）并聯，起阻抗匹配作用，減少電壓反射波的存在，更好地確定故障阻抗引起的變化值，提高對故障判斷的靈敏度，尤其對于接地極附近發生的故障。

阻斷濾波器有2個，一個位于中性母線側，另一個位于接地極側，與匹配電阻并聯。阻斷濾波器均要調諧到對于高頻測量信號阻抗為接近無窮大，對于直流電流阻抗為0。位于中性母線側的阻斷濾波器使得高頻信號不能進入中性母線側。位于接地極側的阻斷濾波器和匹配電阻的并聯使得對于直流電流來說可以通過阻斷濾波器進入接地極，將并聯的電阻短接，而對于高頻測量回路來說，相當于一個電阻。

（4）參數的確定

在高頻信號頻率確定后，阻斷濾波器的參數也隨之確定，但實際阻斷濾波器總有誤差，因此，阻斷濾波器在投入運行后，要重新確定其并聯諧振頻率值，根據該值調整PS860板產生的高頻諧振頻率，并調整注入濾波器的串聯諧振參數。

1.3 接地極阻抗監視系統阻抗測量原理簡介

在系統投入運行前，首先要測量系統的偏移量和無故障時候的阻抗參考值。圖3顯示了沿接地極線路在不同地點發生1000Ω接地故障電阻值復平面。

圖3 在不同地點發生1000Ω接地極線路故障電阻值

金屬在不同溫度下阻抗值不同，因此，在實際測量中，接地極線路的阻抗值與導體溫度關系密切。線路上直流電流的大小和周圍不斷變化的溫度影響了接地極線路的阻抗值。同時，當溫度上升時，導體長度增大，改變了線路電容和導體本身阻抗值，更增加了接地極線路阻抗的變化量。

接地極線路隨溫度改變是一個正常現象，因此要避免在這種情況下誤報警。相對于線路故障，此種改變改變速度很緩慢，因此，為了避免誤報警，設置了一個死區帶，參考阻抗值不斷以一定周期（典型情況下是10min）追蹤前面的阻抗測量量，當阻抗變化量沒有超過一定死區帶時，認為是溫度造成的，可以不報警。當阻抗改變迅速，并超過了預設的死區帶時，系統不再以一定周期追蹤前面的阻抗測量量，當阻抗保持在死區帶外超過一定時間時，可以認為接地極線路發生故障，發出報警信號。

2 故障內容

換流站大修完成投運后再度發接地極電阻監視告警。先前LFL（故障錄波定位）主機中就一直存在接地極阻抗監視告警，大修更換匹配變壓器后，報警仍然存在，告警內容如圖4所示。

圖4中，中心點是正常參考電阻值，緊臨一點是在接地線線路上離接地極1km發生故障的阻抗值，以此類推，最外面的一點是離換流站1km的接地極線路故障阻抗值。

圖4 換流站接地極阻抗監視告警事件

3 邏輯分析

（1）硬件hidraw圖邏輯查找

由于接地極阻抗監測安裝在LFL主機中，因此，首先從硬件接口的LFL主機界面入手尋找得到路徑為：3GS＿PCD＼3GS＿PCD＼ControlEquipment＼=S2.AK.LFL。打開后，進入圖5所示界面。

圖5 ELIS硬件主機板卡界面

點擊RS862G板卡后進入如下界面，如圖6所示，可以看到，RS862板卡作為ELIS電壓和電流測量板卡，向右點擊如圖7所示。

圖6 ELIS系統電壓和電流測量板卡RS862

圖7 ELIS測量系統

從圖7向右點擊為匹配變壓器，從圖中編號可以找到匹配變壓器的具體位置，通過具體位置查找相應故障點。如圖8所示。從圖7高頻功率放大器的gen out向左點擊，可以看到高頻信號是RS860板卡產生的，如圖9所示。

圖8 匹配變壓器

圖9 高頻信號發生器板卡RS860

至此，可以通過硬件hidraw圖查找找到硬件的相應位置，并理解了主回路測量原理。

（2）hidraw軟件接口邏輯查找

通過事件列表上的告警信息查找到LFL中接地極阻抗監視的Hidraw軟件邏輯圖，路徑為3GS＼Huaxin＼Appsoftware＼Main＼LFL＼Main＿CPU＼ELIS，如圖10所示：

從告警出口往前查找可以看到引起接地極阻抗監視告警的邏輯判據，通過debug可以看出：ELIS監視運行正常，直流系統也沒有進行方式轉換，均符合正常。在直流系統沒有發生運行模式轉換的情況下，引起告警的是計算出的阻抗值超出告警的死區，如圖11所示：

圖10 接地極阻抗告警出口

圖11 接地極阻抗告警邏輯判據

從圖11中可以看出，作為判斷依據的阻抗值是通過計算阻抗變化量的實部和虛部而得到的。如果計算出的這個線路阻抗變化量在給出的參考值死區之外，即30Ω，ELIS就發出“接地極阻抗異常”的報警。測量阻抗是實時被跟蹤的，如果阻抗停留在死區外的時間超過了報警時間，即延時10s，判斷不是由于外界突然擾動使得阻抗突然增大，ELIS發出阻抗異常報警。再往前鏈接可以查找出這些阻抗變化量的實部值和虛部值都是由測量出的線路電流值和電壓值在軟件中通過一系列的邏輯計算而來，如圖12、圖13、圖14所示。

圖12

圖13中，實部和虛部的實際測量值減去偏移值得到實部和虛部阻抗的實際值。圖13中，實部和虛部的阻抗差值為實部和虛部實際值減去參考值。實部和虛部的阻抗變化量為實部和虛部的阻抗差值減去上一個周期的阻抗差值。這樣設置是為了防止由于天氣溫度，濕度變化造成線路阻抗值變化，由于該變化很緩慢，因此通過實時跟蹤可以判斷該變化，從而不致誤判，若為線路故障，則在一個周期內變化量很大，通過邏輯判斷將跟蹤閉鎖，若在規定的時間內阻抗變化量仍然很大，判斷不是誤判，則發出報警信號。

圖13

圖14

其中圖13中的RE＿Z＿OFFSET和IM＿Z＿OFFSET這兩個數值需要在現場調節，通過斷開接地極線路，在注入過濾器處鏈接240Ω調節電阻，在串聯諧振濾波器和地之間連接240Ω電阻調節補償值RE＿Z＿OFFSET和IM＿Z＿OFFSET使得接地極阻抗顯示為RE＿Z=240，IM＿Z=0。定值如圖13（b）所示。

通過上述一系列邏輯圖可以看出線路阻抗最終是根據接地極線路的電流值I＿LINE和電壓值U＿LINE計算而來的。計算公式為：RE＿Z＿MEAS=（U＿I＊I＿I+U＿Q＊I＿Q）／（I＿I＾2+I＿Q＾2）和IM＿Z＿MEAS=（U＿Q＊I＿I-U＿I＊I＿Q）／（I＿I＾2+I＿Q＾2）。而接地極線路的電流值和電壓值是功率放大器二次側的電流和電壓通過匹配變壓器的比例調節計算得出，如圖15所示。

圖15

在PCD硬件圖中只能看到接地極阻抗監視所涉及到哪幾個硬件以及他們的連接方式，而RS860作為信號處理板卡，其內部程序還是需從軟件上查找，為此在 C：＼3GS＼Huaxin＼Appsoftware＼Interface＼LFL＼RS860＿H15＿1＿2中繼續查找I＿PWR＿AMLP電流和 U＿PWR＿AMLP電壓這兩個測量值的來源，如圖16所示。

圖16 RS860板卡軟件圖

可以看到輸入信號正是剛剛在硬件圖中看到的RS862G板卡所測量出的CURR電流值和VOLT電壓值。再往后鏈接如圖17所示：

圖17 RS860板卡軟件

這四個量就是最初要找的I＿PWR＿AMLP電流和U＿PWR＿AMLP電壓值。到此整個回路都連接起來了。首先由RS860板卡產生一個高頻信號，經過功率放大器注入接地極，然后由RS862G板卡測量出返回的電流和電壓值，再送入RS860板卡中進行邏輯處理，計算出I＿PWR＿AMLP和U＿PWR＿AMLP，通過匹配變壓器變比的調節，得出用于計算接地極阻抗的I＿LINE和U＿LINE值，從而計算出接地極阻抗值，并在考慮各種情況后通過接地極阻抗的變化來判斷接地極線路是否發生故障。

4 故障分析

通過逐步分析，發接地極阻抗監視告警的可能原因有以下幾種：

（1）匹配變壓器故障：若變壓器出現故障導致變壓器變比與理論值存在差異，則會導致I＿LINE和U＿LINE的值出現偏差，可能會引起最終的阻抗值超出死區而發出告警。在大修期間，曾對匹配變壓器進行過更換，但更換過后告警任然存在。更換后由于匹配變壓器本身參數發生變化，使得 RE＿Z＿OFFSET和IM＿Z＿OFFSET發生變化，而hidraw圖并未改動，因此需要重新設定補償值，由于重新設定的時候需要做各種安措并可能斷開相應測量回路和相關保。

（2）LFL主機中故障：從硬件上來說LFL主機中主要涉及到3個硬件，分別是RS860板卡、RS862G板卡和功率放大器。從上述邏輯關系圖中可以看出這其中任意一個硬件的故障都有可能引起測量值I＿PWR＿AMLP和 U＿PWR＿AMLP的偏差。最后通過逐一排查，用萬用表測量后發現返回RS860板卡的電壓量存在異常，初步判斷RS860板卡故障。更換RS860板卡后，發現軟件中的補償值RE＿Z＿OFFSET和IM＿Z＿OFFSET的設定與原先存在較大差異，導致最終阻抗的測量值與定值仍有偏差。因此軟件需重新設定補償值，但重新補償需要在停極的情況下進行。

（3）LC回路的電容、電抗故障：可能是現場匯控柜內LC回路的電容、電抗器發生故障，需要檢修班做進一步參數檢查，可通過接入可調電阻的方法進行試驗。

（4）站外接地極線路可能存在故障。

在第二年大修期間對軟件中的補償值RE＿Z＿OFFSET和IM＿Z＿OFFSET進行重新設定，報警消失，系統恢復正常運行。

［1］ 趙畹君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京：中國電力出版社 ，2009.

［2］ 陰春曉，艾芊.高壓直流線路開路試驗的控制原理及保護分析［J］.電力與能源，2012（6）：521-525.YIN Chun-xiao，Ai Qian.Control principle and protection analysis of the HVDC open line test［J］.Power ＆ Energy，2012（6）：521-525.