換流站直流分壓器結構原理及內部故障研究

劉 坤，陳茜茜

（國網江蘇省電力有限公司 檢修分公司，江蘇 南京 211102）

0 引 言

相較于特高壓交流變電站，特高壓換流站內配備了特有的直流分壓器[1,2]。直流分壓器的功能和交流電壓互感器相同，測量對象是直流電壓。在目前投運的直流輸電工程中，主要的測量對象是極母線和中性母線的直流電壓，采樣數據傳入換流站極保護系統，從而實現對特高壓直流輸電系統的控制與保護[3]。相較于交流電壓互感器，直流分壓器的故障率更高，故障后造成負荷損失的可能性更大。基于此，本文對直流分壓器的結構、原理、故障處理以及運維對策等進行了分析。

1 直流分壓器結構

直流分壓器本體一次設備分為直流線路、二次分壓板以及隔離放大器，其各組成部件的尺寸規格如圖1 所示[4-6]。

圖1 直流分壓器

特高壓換流站雙極各配置3臺電壓互感器SF6傳感器，分別用于監測極線直流分壓器、中性線直流分壓器以及400 kV極線直流分壓器的SF6壓力[7]。

直流分壓器本體保護為SF6壓力低保護，每個密度繼電器都有3個接點，分別對應SF6壓力低一段報警、SF6壓力低二段報警以及SF6壓力低跳閘。圖2為某換流站SF6壓力低保護的原理圖，其一段報警值為0.3 MPa，二段報警值為0.27 MPa，跳閘值為0.22 MPa。每個直流分壓器配備3個密度繼電器（共3個跳閘接點）分別送入3套極保護系統，當直流分壓器SF6壓力低于跳閘值時，通過極保護實現“三取二”跳閘出口判別。

圖2 直流分壓器SF6壓力低保護原理

如圖3所示，特高壓直流工程直流分壓器由兩部分組成。一是高壓單位，即圖中的高壓臂，高壓單元由電阻R1和電容C1并聯組成；二是低壓測量系統的一次部分，即圖中的低壓臂，低壓單元由電阻R2和電容C2組成。低壓部分除了一次部分外，還包括二次測量系統，二次測量系統由R3和C3組成。

圖3 直流分壓器原理

在直流分壓器的低壓橋臂中，電阻R2的作用是當直流分壓器正常工作、低壓橋臂和二次測量系統因故障斷開時，降低低壓[8-10]。電容C2的主要作用是補償高壓臂中的電容量，在直流分壓器安裝完成后需要對電容C2進行調整，以使其與二次測量系統、電纜電容C4相匹配，確保測量結果精準。

在直流分壓器原理圖中，電阻R1用于在額定直流電壓下產生流過直流分壓器的額定直流電流。F1為電壓限制裝置，主要作用是當二次回路過壓時限制電壓，保護二次回路。

2 典型案例分析

2020年01月27 日，某特高壓換流站后臺極1極保護系統（A系統）直流極母線直流分壓器SF6壓力低閉鎖。其運行方式為雙極四換流器大地回線降壓640 kV方式，輸送功率1000 MW，雙極未出現閉鎖，功率未損失。

2.1 故障初步分析

現場檢查極1直流分壓器SF6表計壓力A、B、C均正常，保護屏柜內相關繼電器無明顯異常。檢查極1極保護PPR1A屏、PPR1B屏、PPR1C屏，發現A套保護內開入極1直流分壓器SF6氣體壓力低信號（K339繼電器輸入電壓為高電平），B套、C套保護無輸入信號。由于極母線SF6壓力低設置了2級告警和1級跳閘，告警信號接入極控、跳閘信號接入極保護，而OWS后臺僅報“極1極保護系統A：直流極母線直流分壓器SF6壓力低閉鎖”，極控系統沒有上報信號，因此初步判斷為開入保護系統的外部節點誤導通。

保護裝置PPR1A接線至極1極母線直流分壓器端子箱（見圖4），該端子箱接至直流分壓器根部。

圖4 極1極U1直流分壓器端子箱

考慮到當天有小雨，現場采取臨時處理措施，挑開直流極1母線直流分壓器SF6壓力低跳閘，開入極1極保護PPR1A屏端子X301:39后，OWS信號復歸。此外，直流極母線直流分壓器SF6壓力低保護由“三取二”變成“二取二”。

2.2 故障處理

對直流控制保護系統進行檢查，發現極PPR1B、PPR1C屏柜內繼電器工作正常，B、C套非電量保護系統無故障信號開入。極1極保護屏PPR1A屏內K339繼電器指示燈亮起，用電壓表檢查K339繼電器開入端子X301:39，測量電壓為113 V，確認外部開關導通，將正電壓開回保護柜內。極1極母線U1直流分壓器現場裝有SF6繼電器，當氣壓在0.22 MPa以下時，SF6氣體繼電器開關信號從直流分壓器本體通過259 m電纜連接至保護屏柜，輔控樓保護屏通過控保裝置實現非電量保護“三取二”功能。

經現場勘查，直流分壓器距離地面約3.6 m，極1母線降壓運行（640 kV）安全距離9 m，現場條件滿足工作安全要求，人員檢查需搭設梯子。搭設絕緣梯，進一步檢查發現現場SF6表計讀數約為0.34 MPa（見圖5），未達到壓力低報警值，判斷后臺信號應為誤報。綜上所述，考慮為端子或繼電器故障。

圖5 現場表計讀數

依次測量氣體繼電器端子的輸出電壓，31號端子電壓為+115 V，34號端子為+115 V，32號端子為+50 V上下浮動，初步判斷為32節點與+110 V直流電壓節點之間絕緣下降。

經分析，確認為繼電器端子故障，討論后決定更換繼電器。備品更換后恢復氣體繼電器所有接線，使用SF6檢漏儀檢查并未發現泄漏情況，端子電壓正常。

3 運維對策分析

直流分壓器是換流站重要的測量設備，可以為多個保護提供開入量。為確保直流分壓器正常運行，運維人員在日常工作中要加強對分壓器端子箱的巡檢力度，確保端子箱內密封性良好，避免受潮。在直流分壓器檢修時，應做好分壓器非電量二次安全措施，避免誤動。密切關注直流分壓器的積污程度和運行情況，在惡劣天氣下發生放電時應緊急申請降壓運行，同時定期進行鹽密和憎水性檢測，發現憎水性劣化后要及時采取噴涂PRTV等措施。加強對直流分壓器壓力表計的監視，檢查表計、信號回路及本體封閉情況，確定故障點后予以相應處理。此外，加強對直流電壓分壓器二次接線盒的防雨防潮管理，采取加裝防雨罩、加熱器或干燥劑等措施，同時定期進行回路絕緣測量，確保二次回路干燥、絕緣良好。

4 結 論

在目前投運的直流輸電工程中，直流分壓器的故障率更高，而且故障后造成的損失和影響更大。因此，通過對換流站直流分壓器結構原理及內部故障的研究，提出了相應的運維對策分析，以期推動相關行業的發展。