换流变和平波电抗器非电量保护动作分析

阮思烨，徐志强

(1.国家电网公司运行分公司，北京市，100052;2.北京送变电公司，北京市，102401)

0 引言

目前，我国已建成直流输电工程有15条，“十二五”期间国家电网公司系统内还将计划建成15条直流输电工程，直流输电已经在我国电力网络中起着重要的作用［1-4］。随着大批直流输电工程的投运，直流输电的运行稳定工作显得日益重要。统计数据表明，在影响换流站稳定运行的各类因素中，换流变和平波电抗器非电量保护动作是主要因素之一［5-8］。本文将介绍常规换流站换流变和平波电抗器非电量保护的配置情况，并对2003—2010年国家电网公司系统内常规换流站2种非电量保护动作情况进行统计，在此基础上对保护动作的原因进行分析，提出改进建议，并进一步研究换流变和平波电抗器防误动的措施。

1 非电量保护配置

1.1 换流变压器非电量保护

常规换流站中换流变压器应配置的非电量保护继电器及动作结果如表1所示。

表1 换流变压器非电量保护配置Tab.1 Configurations of non-electrical protection for converter transformer

1.2 油浸式平波电抗器

油浸式平波电抗器应配置的非电量保护继电器及动作结果如表2所示。

2 由换流变和平波电抗器非电量保护导致的直流闭锁事件统计

2003—2010年国家电网公司系统内在运换流站因换流变和平波电抗器非电量保护动作导致的直流输电系统停运情况［8］如表3所示。

表2 油浸式平波电抗器非电量保护配置Tab.2 Configurations of non-electrical protection for oil immersed smoothing reactor

表3 非电量保护导致的直流闭锁事件Tab.3 DC blocking accidents induced by non-electrical protection

从表3可以看到非电量保护动作导致的直流闭锁共13起，其中正确动作的比例仅为17%，不正确动作的比例高达83%。

3 非电量保护不正确动作的原因及分析

结合表3可以将保护不正确动作的原因归纳为以下5类，下面对此逐一展开分析。

3.1 选型不当，定值或是跳闸机构不合理

(1)2007年4月华新换流变分接头油流继电器误动是因为换流变分接开关油道设计、油流继电器整定等不当造成的。

(2)2010年2月灵宝单元Ⅱ021PB平波电抗器瓦斯误动的原因是平波电抗器瓦斯继电器不能避开连续发生换相失败时电流产生的热效应。

(3)2009年2月高岭单元2 020B换流变C相分接头瓦斯继电器动作是因为继电器选型错误。由于换流变压器分接开关采用浮球式继电器，分接头动作频繁使得气体累积过多，导致重瓦斯出口跳闸。

反映出的问题及改进建议:在设计制造阶段未根据设备的实际情况进行研究分析，华新和灵宝的换流站设计在换流变分接开关油路与以往不同，首次应用4 500 A平波电抗器的情况下，仍然沿用以往的继电器选型;高岭继电器选型问题则属于继电器选型错误，换流变压器分接开关油流继电器应采用挡板式继电器，不应采用浮球式继电器。

3.2 密封工艺不佳，运行中进水受潮导致二次端子绝缘降低

表3中第7～10项的直流闭锁事件都是因为处于户外的非电量保护设备缺乏防雨防潮措施，由于雨水大雾天气以及昼夜温差变化等原因，接线盒密封不严而进水受潮，如图1所示。通过统计可以发现，二次绝缘低的问题在2006年以前发生较为频繁，经过近几年的防雨防潮的整改工作，此类型故障基本不再发生。

图1 受潮的压力继电器盖板Fig.1 Moist cover-plate of pressure relay

改进建议:非电量保护户外接线盒应采取有效的防雨防潮措施，确保不发生接点进水、受潮等情况;可采取的措施有加装防雨罩、保持呼吸孔通畅、投入具备温湿度控制的加热器或放置干燥剂、保持密封圈完好，接线盒或继电器盖板扣合处包防雨胶布，螺丝用力矩扳手紧固等。

3.3 保护动作后果设置不合理

2005年4月政平换流变分接头压力释放阀误动导致极闭锁，反映了部分非电量保护动作后果设置不合理。针对设置不当的保护，需根据下列原则［9］进行相应调整:

(1)变压器、电抗器、有载分接开关的重瓦斯保护作用于跳闸，轻瓦斯保护作用于信号;

(2)换流变、平波电抗器穿墙套管的SF6压力低保护整定为一段作用于信号，二段作用于跳闸;

(3)变压器、电抗器的本体油温度保护一段作用于信号，二段作用于跳闸，变压器、电抗器的绕组温度保护作用于信号;

(4)变压器、电抗器的压力释放保护作用于信号;

(5)变压器冷却系统全停保护作用于信号。

3.4 跳闸节点不应经中间元件转接

跳闸节点应直接接入控制保护系统或非电量保护屏。这么做的目的是为了尽量减少故障环节，避免由于中间元件故障导致的直流闭锁。在2008年5月政平换流站闭锁事故中，由于中间元件SF6压力监测装置误动，导致出口跳闸。

3.5 设备质量不合格

表3中第11～13项的直流闭锁的根本或部分原因是设备质量不合格。

改进建议:在设备采购阶段，有关方面需严格把关;进入运行阶段后，运行方需按照有关规程、标准及继电保护的要求［9-11］，定期对非电量表计和继电器进行校核，利用年检和其他停电机会对非电量保护回路尤其是跳闸回路进行绝缘测量，确保装置定值准确、动作可靠。目前非电量表计和继电器校验还是直流换流站检修工作一个盲点，出于安全性和可操作性的考虑，只有部分的表计和继电器进行了定期校验，建议对于不便于拆卸或是拆卸后易导致密封不严的表计，采用对比分析的方式进行检验。

4 防误动措施

抓好设备设计、选型，加防雨罩、定期校验表计和继电器等做法对于防止非电量保护的误动能取得较好的效果，但是，这些方法只是针对保护回路上容易出故障的某个点进行治理，不能完全消除隐患。目前发生跳闸的非电量保护都是发生在双重化设计的系统，与电量保护不同的是，非电量保护无“启动+动作”、“切换模式”等防误动措施，回路上任意1个元件误动都将直接出口，这造成了非电量保护故障频发。为防止非电量误动，需要从以下3个方面进行改进。

4.1 三重化改造

三重化冗余配置采用三取二选择出口，3个保护回路完全相同，具有其各自独立的电源回路、信号输入和输出回路，具有完整的硬件配置和软件配置。3个系统同时运行，任意一重保护因故障、检修或其他原因而完全退出时，不影响其他各重保护，并对整个系统的正常运行没有影响。图2给出的是某换流变套管SF6密度三取二跳闸回路。

图2 三取二跳闸回路Fig.2 Two out of three trip circuit

三重化的保护系统通过双重化的三取二选择逻辑电路输出保护动作信号，至少2个回路起动保护跳闸，非电量保护系统的跳闸信号才能最终执行。在1个非电量回路内部故障时，自动闭锁本回路的保护出口，并且该对应系统自动转为试验状态，三取二选择逻辑自动切换到单冗余保护配置方式。

4.2 增加附加跳闸判据

非三重化设计的系统可将报警信号和跳闸信号在软件中取和后，再启动跳闸信号，如图3所示。

图3 附加跳闸判据Fig.3 Additional trip criterion

采用该修改措施，单个跳闸接点故障后不会跳闸，且仅当一次设备故障，报警和跳闸节点同时动作时跳闸信号才能出口，大大降低非电量保护误动的可能性。目前，宜都换流站直流分压器SF6跳闸就是采取这种设计思路。

4.3 简化跳闸回路

部分设备商为了保证该保护不发生拒动，采取1个跳闸节点与多个系统交叉连接的设计，建议修改为单对单连接。图4给出某换流站简化跳闸回路的技术改造图例。需要说明的是，多数情况下非电量保护仅是作为电量保护的后备保护动作，而且简化后的单个非电量保护至少存在2个独立的跳闸回路，简化后保护拒动的可能性基本不存在。

5 结语

国内直流输电工程的运行经验证明，换流变和平波电抗器非电量保护的动作是造成直流输电系统强迫停运的重要原因之一。由于缺乏相关的防误动措施，非电量保护的故障率较高。目前非电量保护的故障多发生在双重化设计的直流系统中，原因有选型不当、二次绝缘低、保护出口设计不合理和设备质量不合格等。为此需从技术和管理两方面出发进行改进，通过三重化改造、增加附加跳闸判据、开展隐患排查、加强对二次回路的管理、加装防雨罩以及定期校验表计和继电器等方式，将非电量保护故障控制在可承受范围，实现直流输电系统平稳运行。

图4 简化跳闸回路Fig.4 Simplified trip circuit

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