特高壓換流站調相機轉子接地保護跳閘分析與改進

郭 楊，陳 昊，劉學權，王小虎，李義峰

(1.國網江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102；2.國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019；3.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著我國東部負荷中心直流受電比例不斷提高，“強直弱交”現象日益明顯。直流輸電系統向電網大規模輸送有功功率，但不向系統提供無功，而換流站還需要吸收大量無功，因而系統對動態無功的補償需求越來越大，直流輸電系統送、受兩端電網動態無功儲備下降及電壓支撐不足的問題日益突出。若發生單一或多條直流輸電系統單極換相失敗，逆變側將從電網吸收更大的無功，引起區域電壓驟降從而使電壓穩定性遭到破壞。對此，除加強網架結構外，往往采取加裝各類無功補償設備的方式以補償動態無功需求。常見的無功補償設備有并聯電容器組、靜止無功補償器、靜止同步補償器和調相機系統。以上裝置受其工作原理的限制，一般不能及時提供足夠的動態無功補償；而調相機系統具有強勵特性，能在短時間內提供高于自身容量2倍的無功作為支撐，響應速度快，補償容量大[1]，對補償電網動態無功起著關鍵作用。鑒于此，國家電網有限公司自2018年起，先后在20多個在建和在運超(特)高壓直流輸電系統受端換流站建設調相機工程，以達到大直流輸電、強無功支撐目的。

據現場運行經驗及多年故障數據統計，轉子接地故障是現場發生最頻繁的故障類型。目前的研究大多是轉子接地保護在發電機系統中的應用等方面，調相機轉子接地保護相關的研究較少。文獻[2]從理論分析、仿真計算和現場試驗等方面，研究了方波注入式轉子接地保護在大型發電機組中的應用；文獻[3]著重討論了調相機系統保護配置和運行情況，介紹了幾種調相機與常規發電機不同的保護功能；文獻[4]介紹了調相機系統結構及性能特點，討論了繼電保護配置情況和組屏方案，但未對保護原理，尤其是轉子接地保護原理進行深入分析。

因此，結合某±800 kV在運特高壓換流站調相機系統，對轉子接地保護原理及其數學模型進行分析和推導。以一起轉子接地跳閘事故為背景，分析保護的動作行為，提出故障點的查找方法以及針對性的改進措施，為新建換流站的調相機工程提供一定參考。

1 調相機系統電氣接線

該換流站配置了兩組300 Mvar雙水內冷調相機系統，以“調相機—升壓變”單元形式，通過升壓變高壓側開關直接接入換流站交流場500 kV母線，系統電氣接線如圖1所示，系統啟動運行方式如下。

圖1 調相機系統電氣接線

1) 啟動過程。啟動勵磁系統投入運行；啟動靜止變頻器，輸出頻率逐漸上升的電流供給調相機定子生成旋轉磁場，使得調相機從靜止狀態開始啟動；當轉子轉速提升至3 150 r/min后退出靜止變頻器，投入主勵磁建立機端電壓，待同期條件滿足后，捕捉同期時刻，合上5101開關使調相機—變壓器組與系統并網。

2) 運行階段。根據調度指令，當系統電壓偏高時，調相機從系統中吸收多余無功，運行在進相狀態；當系統無功不足、電壓偏低時，調相機向系統發出無功，運行在遲相狀態。當系統發生接地短路故障造成電壓大幅度跌落時，調相機會瞬時發出大量無功以支撐系統無功電壓。

目前，絕大部分調相機系統均以“調變組”的形式配置調相機變壓器組保護，包含調相機變壓器保護和轉子一點接地保護。

2 轉子接地保護配置

該換流站配置了兩套南瑞繼保PCS-985REQ-G調相機轉子勵磁繞組接地保護裝置，一套為方波注入式，另一套為乒乓式，保護原理均為檢測回路實時計算勵磁繞組對轉子大軸的絕緣電阻值。當轉子繞組存在一點接地且測量絕緣電阻值小于轉子一點接地保護高定值時報警；小于低定值時保護裝置將出口跳開調變組500 kV側并網開關，滅磁解列，防止在有一點接地情況下燒毀轉子勵磁繞組。

為防止相互干擾，影響轉子接地電阻測量精度，兩套保護裝置只投入其中一套。在兩套保護中，方波注入式接地保護因轉子接地電阻計算精度高、不受轉子勵磁繞組對地電容影響而優先投入，乒乓式轉子接地保護一般在前者退出的情況下再投入。

2.1 雙端方波注入式轉子接地保護

雙端方波注入式接地保護的簡化等效電路如圖2所示。該保護在轉子繞組的正負極兩端與大軸接地碳刷之間注入一個以固定頻率在正負半波之前切換的方波電源US，通過注入回路低值測量電阻Rm連接到大軸接地碳刷，注入電壓和注入電流(可從測量電阻Rm兩端電壓計算得到)通過變送器輸入保護裝置，計算轉子繞組接地電阻Rg和接地位置表征量α，R0為注入回路高值功率電阻。保護裝置整定值見表1。

表1 方波注入式接地保護裝置整定值

圖2 方波注入式轉子接地保護等效電路

接地電阻電流Ig受注入式方波電源US和轉子繞組勵磁電壓Uf的共同影響。根據線性電路的疊加原理，在方波電源Us為正半波和勵磁電壓為Uf的情況下，接地電阻電流Ig可表達為：

同理，當方波電源Us變為負半波，勵磁電壓由Uf變為的情況下，可得另一時刻接地電阻電流為：

為便于推導分析，假定方波電源在正負半波兩種狀態下轉子繞組勵磁電壓Uf不變，則接地電阻Rg和接地位置表征量α為：

2.2 乒乓式轉子接地保護

乒乓式轉子接地保護的簡化等效電路如圖3所示，其中Uf表示調相機轉子繞組勵磁電壓，α表示轉子勵磁繞組接地點的位置(0≤α≤1)，當勵磁繞組通過接地電阻Rg發生一點接地時，其勵磁電動勢可以分為αUf和(1-α)Uf兩部分，計算回路中的R為高電阻，取樣電阻R0為低電阻。接地保護檢測裝置通過電子開關S1、S2相互導通和關斷，形成兩種電路工作狀態，其等效電路分別如圖4和圖5所示。兩種狀態下，在取樣電阻R0兩端分別產生U0和兩個電壓值。

圖3 乒乓式轉子接地保護等效電路

圖4 乒乓式轉子接地保護狀態電路一

圖5 乒乓式轉子接地保護狀態電路二

轉子繞組在正常情況下，沒有接地故障，圖3中的接地電阻Rg為無窮大，在取樣電阻R0兩端形成的電壓為零，保護裝置顯示轉子繞組運行良好，絕緣電阻值為無窮大。當轉子繞組發生一點接地故障，通過對圖4和圖5電路的求解，可得接地電阻Rg和接地位置表征量α的表達式：

3 故障分析

3.1 故障簡述

某日，該換流站調相機系統監控后臺發出事故總告警信號，監控界面顯示1號調相機方波注入式轉子接地保護動作出口，第1、2套調變組保護啟動并發出跳機信號，跳開5101開關、M101滅磁開關、SFC輸入開關，1號調相機停機，故障前1號調相機0 Mvar運行，現場無工作，天氣狀況晴好。當值運維人員立即開展事故處理，在后臺確認相關動作信息后，至現場對一、二次設備進行檢查確認。

3.2 現場檢查

3.2.1 保護裝置檢查

轉子接地保護裝置PCS-985RE動作信息顯示：保護啟動后延時5 s出口跳閘，注入方波電壓US為46.361 V，勵磁電壓Uf為142.697 V，轉子接地電阻Rg為0.130 kΩ，轉子接地位置α為0 %，即轉子勵磁繞組負極端部。

注入式轉子一點接地保護設置高、低兩個定值。本套注入式轉子一點接地保護高定值為10 kΩ，延時10 s報警；低定值為2.5 kΩ，延時5 s跳閘。因接地故障時轉子一點接地保護計算接地電阻值為0.130 kΩ，小于低定值，且經5 s延時后接地現象未消失，保護出口跳閘，其動作行為正確。

3.2.2 一次設備檢查

運維人員根據轉子接地位置為0 %，判斷轉子繞組接地點發生在轉子繞組負極端部；同時，根據接地保護范圍，應用分段隔離排查法找出具體接地點。依據保護說明書，轉子一點接地保護的保護范圍包括勵磁變低壓繞組、勵磁回路和整流功率單元、轉子繞組回路。現場依次對這三個部位進行絕緣檢測及相關二次回路檢查[5]，結果均顯示正常。

3.2.3 故障點定位

運維人員在將轉子負極集電環碳刷逐個取出過程中，發現4號碳刷拔出后轉子接地保護告警信號復歸。經現場進一步檢查確認，發現4號碳刷磨耗監測模塊信號線電纜皮破損導致屏蔽層銅線散股裸露，將該碳刷回裝后轉子接地保護再次發出告警信號；同時，測量轉子繞組接地電阻為0.244 kΩ。

3.3 接地原因分析

調相機系統轉子集電環碳刷磨耗監測信號通過霍爾開關進入感應模式，碳刷磨耗監測PCB板是由PCB電路板、PCB保護襯板及防護板用電子三防漆粘合而成。集電環碳刷磨耗監測PCB板與信號電纜的連接采用插件方式固定，插頭的信號線采用保護套管固定。電纜引出線有三根，分別為24 V電源、公共端和磨損信號線；同時，該電纜由與保護套同軸的銅質屏蔽線包絡，起到隔離外部磁場對磨損信號干擾的作用，屏蔽線在調相機本體端子箱內工作接地。集電環刷握、碳刷、滑環依次串聯后與轉子繞組相連，回路中任意一點發生接地均會引起轉子繞組一點接地。

通過現場檢查分析和故障復現，確認造成本次轉子接地保護動作的原因并非轉子繞組本體直接接地，而是因轉子高速轉動導致集電環與碳刷摩擦生熱，周圍氣體溫度升高至70 ℃左右致使信號線電纜保護套管受熱老化，以及機組運行過程不斷振動導致保護套管與刷握發生撞擊摩擦。在這兩個因素的長期作用下，1號調相機4號集電環碳刷余量監測板信號線外保護套管破損開裂，包絡屏蔽線外露并與刷握接觸，進而造成轉子繞組通過轉子電樞→集電環→碳刷→刷握→信號電纜屏蔽線回路發生接地，造成注入式轉子接地保護動作跳機。

4 處置措施

4.1 現場臨時處置措施

將1、2號調相機集電環碳刷磨耗監測PCB板上的信號線電纜全部拆除，并根據調相機系統運行規程要求，在失去碳刷磨耗在線監測功能后，加強日常巡檢期間對集電環碳刷磨損情況的關注，一旦發現碳刷磨損后余量約1/3時，及時更換新碳刷。

解開調相機本體端子箱內碳刷磨耗電源線、碳刷磨耗監測PCB板信號電纜，并將12組接插件(插頭+信號線)擺放在線槽內；同時，將碳刷磨耗監測信號線內的屏蔽線從PE端子排拆下，屏蔽線上的針形端子用絕緣膠帶包裹保護后擺放在線槽內。

4.2 裝置改進措施

經調相機廠家駐站專業技術人員的進一步勘查和分析，對碳刷磨耗監測板提出了以下改進措施。

1) 改進PCB板結構工藝。將PCB板與信號線的連接方式由插件式改為封裝結構，從根本上降低接頭電纜破損開裂的可能。

2) 改進PCB板信號線工藝。信號線改用絕緣耐高溫電纜，外部包裹耐溫180 ℃的黃臘管，固定方式為錫焊，PCB板引出電纜插頭連接處加裝熱縮管，使電纜在70 ℃高溫下可長期可靠工作。

3) 進行改進材質的試驗驗證。對改進后的PCB板及黃臘管進行溫升試驗，并出具試驗報告，完成耐高溫材質的可靠性和實用性驗證。

5 結束語

目前，該換流站調相機系統已全部采用改進后的監測板，經運維人員定期檢查確認，系統投入運行一年半以來，信號線電纜與監測板連接穩固，接頭處無裂紋、老化現象，轉子接地保護裝置運行狀況良好，未再出現異常告警。