換流變中性點(diǎn)過流保護(hù)動作分析

李松山，瞿綱舉，李政廉

(湖南省送變電工程有限公司，湖南 長沙 410015)

0 引言

換流變是特高壓換流站核心設(shè)備之一，因此設(shè)計三重保護(hù)方式[1-2]，每套相互獨(dú)立互不影響，保護(hù)配置有電量保護(hù)CTP1A，CTP1B和CTP1C，非電量保護(hù)NEP1A，NEP1B和NEP1C以及保護(hù)出口PPR1A，PPR1B和PPR1C裝置，其出口分別滿足“三取二”“二取一”以及“一取一”邏輯。

特高壓換流站整流采用十二脈動全波整流方式，單極共有6臺雙繞組換流變，分別采用Y/Y和Y/Δ接線方式，利用Y/Δ接線方式在閥側(cè)形成的30°相位差實現(xiàn)12脈動整流[3-4]。換流變的網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)二次電流直接接入電量保護(hù)裝置，實現(xiàn)外接零序過流保護(hù)功能[5]。換流變的網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)是A，B，C三相一次的尾端連在一起，并直接接地運(yùn)行，形成零電位點(diǎn)。六相雙繞組換流變Y/Y，Y/Δ接線形成兩個網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)，分別通過各自的中性點(diǎn)TA接地。當(dāng)運(yùn)行中的換流變中性點(diǎn)斷裂時將會發(fā)生非常嚴(yán)重的影響，甚至是發(fā)生保護(hù)誤動作，換流閥閉鎖切斷電源，導(dǎo)致整個電網(wǎng)系統(tǒng)因負(fù)荷大量丟失造成電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰[6-7]。根據(jù)該次中性點(diǎn)過流保護(hù)動作情況，通過試驗查找到故障原點(diǎn)，并分析驗證其動作原因，以及對換流站接地網(wǎng)設(shè)計提出建議。

換流站的換流變網(wǎng)側(cè)三相完全對稱，根據(jù)理論計算，其中性點(diǎn)電壓為[8]：

但是，換流變制造存在誤差，工作時三相負(fù)載也會有略微的差異，導(dǎo)致?lián)Q流變?nèi)鄥?shù)不可能完全一致，換流變運(yùn)行時網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)就會有零序電壓及零序電流產(chǎn)生[9]。因此，換流變中性點(diǎn)直接接地方式十分重要，既能消除中性點(diǎn)零序電壓，又能降低中性點(diǎn)絕緣強(qiáng)度，提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性能[10]。

1 保護(hù)動作原因

1.1 動作現(xiàn)象及故障錄波波形檢查

監(jiān)控數(shù)據(jù)中心收到CTP1C裝置Y/Δ換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)過流保護(hù)動作信號，運(yùn)行值班員巡查裝置運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)裝置CTP1C動作，CTP1B和CTP1A運(yùn)行正常，檢查相關(guān)的故障錄波裝置運(yùn)行正常，未啟動錄波功能。

1.2 故障原因排查

1.2.1 故障狀態(tài)檢查

鉗型相位表測量CTP1C屏對應(yīng)零序電流流入保護(hù)裝置為11.7?A和流出為11.7?A。

CTP1B裝置對應(yīng)零序電流流入為5.9?mA，流出 5.9?mA。

CTP1A裝置對應(yīng)零序電流為流入5.8?mA，流出 5.8?mA。

1.2.2 停電后故障處理

(1)?保護(hù)裝置校驗。經(jīng)校驗3套保護(hù)裝置模擬量采樣、動作邏輯完全正確，排除CTP1C裝置誤動作。

(2)?TA二次電纜一點(diǎn)接地檢查。經(jīng)查各零序電流回路N線均為一點(diǎn)接地，符合反措要求。

(3)?TA二次電纜絕緣測試。經(jīng)測試CTP1C屏接入的二次電纜采用絕緣電阻表500?V檔位測試，電壓為零，電阻為零，CTP1B屏和CTP1A電阻為10?MΩ，判斷為保護(hù)二次絕緣損壞。

(4)?TA二次接線電纜校驗。打開TA二次接線盒，發(fā)現(xiàn)TA二次繞組2S1出線電纜膠皮燒壞，以至于其部分芯線銅絲燒斷，其余二次電纜也有不同程度的損壞，但是經(jīng)校驗其接線正確無誤。

TA二次電纜校線時，發(fā)現(xiàn)TA二次繞組2S1出線電纜絕緣損壞，懷疑是TA二次回路開路所致，仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)各個連接處十分牢固，沒有松動的跡象，二次回路直流電阻與投運(yùn)前無明顯差別。TA本體的常規(guī)試驗數(shù)據(jù)合格，與交接試驗對比無明顯差別，可以正常運(yùn)行。

分析故障情況下測試的電流值，保護(hù)CTP1B裝置測試流入和流出電流均為5.9?mA，保護(hù)CTP1A裝置測試流入和流出電流均為5.8?mA，然而CTP1C裝置流入和流出電流均為11.7?A，TA變比經(jīng)過測試為2?000/1，和銘牌變比沒有差別，將CTP1B和CTP1A裝置通過的電流乘以變比得到數(shù)值分別為11.8?A和11.6?A，與CTP1C裝置通過電流十分相近。

巡查現(xiàn)場時發(fā)現(xiàn)地面有消防質(zhì)量提升施工遺留痕跡，地面有接地網(wǎng)斷點(diǎn)漏出，根據(jù)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象推測故障原因很可能是換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)與主地網(wǎng)斷裂引起。測試網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)接地點(diǎn)與主地網(wǎng)連接情況，結(jié)果為網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)與主地網(wǎng)斷裂，根據(jù)故障現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析，判定故障的原因即為中性點(diǎn)與主地網(wǎng)斷裂，網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式由直接接地變?yōu)榉墙拥剡\(yùn)行。

特高壓換流站運(yùn)行時換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)正常運(yùn)行方式為直接接地方式，接地情況如圖1所示。

圖1 Y/Δ換流變網(wǎng)側(cè)接地示意

消防質(zhì)量提升施工導(dǎo)致中性點(diǎn)接地點(diǎn)與主地網(wǎng)連接處G1點(diǎn)發(fā)生斷裂，未及時恢復(fù)，其接地方式由直接接地變成非接地運(yùn)行[11-13]。

2 故障現(xiàn)象分析

網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)斷裂導(dǎo)致TA一次電流竄入到二次回路里面，導(dǎo)致CTP1C裝置中性點(diǎn)零序過流動作，而CTP1B和CTP1A正常運(yùn)行，及其對應(yīng)的故障錄波裝置沒有啟動。針對以上問題，對所掌握的數(shù)據(jù)以及設(shè)計圖進(jìn)行了詳細(xì)分析。根據(jù)設(shè)計圖首先發(fā)現(xiàn)接入故障錄波的該外接零序電流是從CTP1B裝置串聯(lián)過去，該裝置電流采樣正常未達(dá)到錄波啟動電流值，因此故障錄波裝置沒有啟動錄波功能。

根據(jù)掌握的數(shù)據(jù)及故障點(diǎn)，網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)接地點(diǎn)斷裂與主地網(wǎng)斷開，而TA外殼接地與中性點(diǎn)接地連在一起然后與主地網(wǎng)相連，當(dāng)中性點(diǎn)接地與主地網(wǎng)連接線被挖斷之后，由于換流變?nèi)嗟闹圃觳町愐约叭喙β什皇墙^對的均衡，中性點(diǎn)不可避免地產(chǎn)生不平衡高電壓，不平衡高電壓就通過TA本體外殼地線反送至外殼。TA二次電纜槽盒為金屬材質(zhì)，槽盒又與外殼相連，因此槽盒與網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)同電位，由于槽盒本身切割后留有棱角和毛刺，致使其對二次電纜放電，導(dǎo)致二次電纜燒壞，TA一次電流竄入到二次回路。這次故障產(chǎn)生的不平衡高電壓并不足以將中性點(diǎn)避雷器擊穿泄流，這種情況下只能通過外殼將絕緣最薄弱處擊穿泄流。

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，電纜完全損壞的為TA的2S1出線，其對應(yīng)的保護(hù)為CTP1C裝置，電纜內(nèi)部導(dǎo)體與電纜槽盒完全粘連在一起形成導(dǎo)電的金屬回路。網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)不平衡電流通過二次繞組2S1出線電纜流入保護(hù)CTP1C裝置，經(jīng)裝置電流回路尾端流出后，而其尾端又有TA繞組的二次接地線，因此從本體來的網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)一次電流經(jīng)二次接地線流入大地。這種情況下?lián)Q流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)是通過其二次繞組回路單點(diǎn)接地線與繼保的室內(nèi)的二次保護(hù)接地網(wǎng)連接，然后再與主地網(wǎng)連接，形成一個網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)與接地網(wǎng)的聯(lián)通回路。故障時網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)電流流通回路如圖2所示。

圖2 故障電流回路

該次故障僅僅是造成CTP1C裝置保護(hù)動作，若再有CTP1A或者CTP1B中的任意1套或者2套保護(hù)同時動作，換流器保護(hù)的“三取二”裝置PPR動作，切斷電源，巨大的功率缺失將會對整個電網(wǎng)造成嚴(yán)重破壞，以至于發(fā)生大規(guī)模停電事件，對里約甚至于巴西的經(jīng)濟(jì)、生活帶來影響。

3 接地網(wǎng)設(shè)計更改建議

從該次故障中可以看出，里約特高壓換流站的換流變的網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)與主接地網(wǎng)只有1處連接點(diǎn)，即G1點(diǎn)，當(dāng)此處與主地網(wǎng)斷裂時，換流變將會變成非接地運(yùn)行方式，較高的懸浮電位將會發(fā)生不可預(yù)測的風(fēng)險，該案例僅僅是其中1種而已。

換流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)接地是非常重要的運(yùn)行方式，設(shè)計時可以將星型連接尾端分成2個及以上方向與主地網(wǎng)連接，保證網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)可靠接地。但是考慮到經(jīng)濟(jì)性及故障概率事件,可以保留2個與主地網(wǎng)連接處。

4 結(jié)論

換流變的保護(hù)涉及到接地、電量及非電量等方式，尤其是星形連接的中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行十分重要，且要求保證兩點(diǎn)分別可靠接地。因為換流變設(shè)計為半絕緣運(yùn)行設(shè)備，若是其中性點(diǎn)與主地網(wǎng)斷裂，由直接接地運(yùn)行變成非接地運(yùn)行，可導(dǎo)致?lián)Q流變網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)電壓升高,若是發(fā)生單相接地故障時，網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)的電壓升高達(dá)到相電壓，遠(yuǎn)超過換流變設(shè)計的絕緣水平，換流變將會因為絕緣擊穿燒壞，造成大規(guī)模停電事故。

另外，網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)TA外殼接地應(yīng)單獨(dú)與主地網(wǎng)相連，不應(yīng)先與網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)在地面短接一起再與主地網(wǎng)連接。直接接地可以保證在網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)與主地網(wǎng)斷裂的情況下，TA設(shè)備外殼仍然保持接地為零電位，保證運(yùn)維人員的人身安全，甚至TA設(shè)備遭受雷擊也不會對換流變造成破壞，降低設(shè)備故障概率。