換流站平波電抗器本體重瓦斯保護動作分析及對策的仿真研究

常聚忠，馬 磊，周建國，王 抗，劉建國

（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

葛滬直流綜合改造工程（調度命名林楓直流工程）連接華中、華東電網，為上海世博會供電的重點建設項目，是三峽地下電廠電力外送重要通道，是世界上第一條采用同塔雙回路架設的大截面、大容量、遠距離輸電的直流線路，也是國內首次同走廊、大規模拆舊立新的輸電線路[1-3]。2013年7月13日，林楓直流輸電系統逆變側楓涇站極Ⅱ換流變充電時產生較大且持續時間較長的勵磁涌流，致使正常運行的極Ⅰ換流變連續換相失敗，直流低壓限流特性連續動作，整流側團林站直流電流瞬時增大，直流電流最大達到6 249 A，極Ⅰ平波電抗器本體瓦斯繼電器重瓦斯動作，極Ⅰ直流閉鎖。

事故發生后，對氣體繼電器誤動作原因進行了分析，分析認為造成瓦斯繼電器故障可能有兩個原因：一是平抗在暫態大電流沖擊產生了機械力，造成本體及瓦斯繼電器振動，下浮球跌落導致重瓦斯動作。二是平抗經受暫態大電流時，繞組收縮和箱體的輕微變形會引起油向油枕方向涌動，當油流速度超過瓦斯繼電器定值(1.5 m/s)時，油流會推動瓦斯繼電器的擋板并帶動下浮球移動，導致重瓦斯動作。本文通過ANSYA仿真軟件，按照2.5倍、3倍換相失敗電流和20 ms（1個周波）、60 ms（3個周波）換相失敗時間，對各站平抗箱蓋處和氣體繼電器處振動情況重新進行了多方案詳細驗算，并核算兩側硬聯接結構法蘭處的應力。

1 事故原因分析

1.1 平波電抗器型號結構簡介

圖1 平波電抗器瓦斯繼電器位置示意圖Figure.1 The position diagram of the gas relay of the flat wave reactor

林楓直流輸電系統整流側和逆變側直流場平波電抗器均由特變電工沈變提供，型號PKDKFP-500-3000-290，該類型的平波電抗器本體瓦斯繼電器與油枕采用波紋管連接，與本體油箱采用管道硬連接，形成懸梁臂結構，平波電抗器瓦斯繼電器現場安裝如圖1所示。

1.2 事故處理過程及動作原因分析

平波電抗器重瓦斯動作跳閘事故發生后，現場人員對平波電抗器及瓦斯繼電器進行外觀檢查、油樣試驗均合格。

圖2 是故障錄波圖，閉鎖前團林站直流側電壓、電流出現大幅度周期性波動，極母線電流IDL最大達到6 470 A，直流電壓UDL最低達到247 kV，大幅偏離直流系統故障前的正常運行值。

當直流系統逆變側發生換相失敗時，相應極直流電流瞬時增大，在平波電抗器承受較大暫態電流穿越時，其內部繞組勢必會發生收縮形變以致箱體產生輕微變形，繞組在較大電流沖擊下產生的機械力會通過箱體向其他部件擴散，同時引起箱體內部油向油枕方向涌動，如圖3所示，由于瓦斯繼電器與箱體采用硬連接，另一端采用波紋管連接，形成懸梁臂結構（相當于一端懸空），機械力通過連接瓦斯繼電器的主聯管將放大后的振動傳遞給瓦斯繼電器，最終導致重瓦斯動作[4-6]。

圖2 直流量故障錄波圖Fig.2 The DC flow fault record

圖3 平波電抗器油箱外部結構示意圖Fig.3 The external structure of the flat wave reactor oil tank

2 平波電抗器瓦斯繼電器振動仿真分析

為了驗證平波電抗器瓦斯繼電器是否在內部繞組經受大電流沖擊下會產生足夠的機械力而使瓦斯繼電器重瓦斯動作，通過建立模型進行仿真試驗，得出平波電抗器本體油箱及瓦斯繼電器的加速度[7-10]。

2.1 仿真模型的建立

仿真過程主要分兩部分：

（1）測量在故障電流作用下油箱受到的作用力；

（2）把所測量的力加載到仿真模型上進行仿真計算。

當大電流流過平波電抗器線圈時，線圈產生較大的作用力，該作用力是從線圈向外傳播，經過內部的器身結構，外部的油箱結構以及油箱上部的聯管結構最終傳遞到繼電器上，為減小本次仿真試驗誤差，在平波電抗器本體于油箱連接位置加設測量裝置，經過多次測量取均值的方法，測量在故障電流作用下油箱收到的作用力大小。

建模時將儲油柜的質量等效為質量點，由于繼電器的另外一端是波紋管，所以在一定的位移范圍內，不考慮波紋管對繼電器的約束作用，故建模的時候不予考慮，同時應考慮其他的聯管對繼電器的約束作用。利用ANSYA仿真軟件，油箱模型如圖4所示。

圖4 平波電抗器油箱模型Fig.4 Flat wave reactor oil tank model

2.2 仿真計算

計算電抗器在承受故障電流（正常工況電流值為3 000 A，故障電流設置為2.5倍電流，即7 500 A，60 ms，仿真總時間0.3 s）沖擊作用下瓦斯繼電器的振動情況，將施加重力載荷及短路力載荷兩種載荷共同作用下的結構的響應。

平波電抗器載荷施加如圖5所示。

圖5 平波電抗器油箱載荷施壓示意圖Figure.5 The load pressure of the flat wave reactor oil tank

箱蓋加速度以及瓦斯繼電器加速度仿真計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 電流為7 500 A時箱蓋加速度仿真結果圖Figure.6 The Simulation results of oil tank lid acceleration when current is 7 500 A

圖7 電流為7 162 A時瓦斯繼電器加速度仿真結果圖Figure.7 The Simulation results of gas relay acceleration when current is 7 162 A

由圖6可知，在故障情況下油箱蓋的加速度幅值大約為1.4 g（g為重力加速度,，圖7中瓦斯繼電器上的加速度幅值大約為5 g，因此可知繼電器支撐結構對繼電器的振動加速度起到了放大作用，振動幅值隨時間增大，瓦斯繼電器的加速度值超過 EMB繼電器可承受的最大允許振動加速度（2 g，2 Hz～200 Hz，g為重力加速度），此仿真驗證了，當采用該類設計的平波電抗器（瓦斯繼電器與油箱采用硬連接，并且另一端采用波紋管）時，當平波電抗器承受較大暫態電流穿過時，會引發油箱發生振動，并且同時會使瓦斯繼電器的振動放大，從而超過瓦斯繼電器最大允許振動加速度，最終導致重瓦斯動作。

3 事故處理對策及仿真建模驗證

由第2節中的仿真結果可知，為了減小瓦斯繼電器的振動加速度，或使瓦斯繼電器重瓦斯不易受油箱振動影響，可考慮改變瓦斯繼電器與平波電抗器主聯管連接加固措施，使瓦斯繼電器與油箱緊密相聯，從而避免瓦斯繼電器因連接問題而產生振動放大的影響。

為驗證上述理論分析，分別對繼電器固定在儲油柜側、繼電器在儲油柜側主聯管加支撐、繼電器在主聯管側、繼電器在主聯管側主聯管加支撐進行進一步建立模型，驗證平波電抗器油箱及瓦斯繼電器的振動加速度是否超過瓦斯繼電器規定允許最大加速度。

利用第2節中所使用的方法，分別將7 500 A故障電流作用下線圈受到的電磁力，施加在仿真模型線圈上，持續時間為20 ms以及60 ms時，平波電抗器油箱蓋和瓦斯繼電器振動加速度如表1所示。

表1 平波電抗器不同改進措施后油箱蓋某點及瓦斯繼電器加速度對比Table 1. Comparison of acceleration of point of oil tank cover and gas relief after different improvement measures of the flat wave reactor

由表1可知，平波電抗器主聯管加支撐架后，瓦斯繼電器的加速度值明顯小于平波電抗器主聯管連接原結構值。因此，平波電抗器主聯管加支撐架對于防止較大直流電流穿越平波電抗器繞組產生的機械力使瓦斯繼電器的振動有較明顯的約束作用，最后修改圖如圖8所示。

圖8 平波電抗器加支撐固定結構示意圖Figure.8 Schematic diagram of plain wave reactor with fixed support structure

團林、楓涇、靈寶、黑河和拉薩換流站的平波電抗器均是由特變電工沈變提供，其瓦斯繼電器和本體及油枕連接方式均相同，在承受上述電流的情況下都存在重瓦斯誤動的風險，各站至投運至今,共發生了5次重瓦斯誤動事故。2013年國家電網公司對上述換流站平波電抗器主聯管加支撐架后，至今未發生重瓦斯誤動事故，保證了電網的安全穩定運行。

4 結論

（1）通過以上分析可知，平波電抗器的本體重瓦斯動作原因、由于較大直流電流穿越平波電抗器繞組產生的機械力，機械力通過連接瓦斯繼電器的主聯管將放大后的振動傳遞給瓦斯繼電器，最終導致重瓦斯動作。

（2）通過建立仿真模型，驗證了平波電抗器主聯管加支撐固定結構對于防止較大直流電流穿越平波電抗器繞組產生的機械力使瓦斯繼電器的受力振動有較明顯的約束作用，并在實際生產中得到了應用。有效降低這類事故發生概率，提高直流系統運行穩定性。

（3）本文方法同樣可運用在油浸式變壓器和油浸式高壓電抗器上，其瓦斯繼電器結構和平波電抗器類似，在較大穿越電流下同樣可有效避免重瓦斯誤動。

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