换流变非电量保护误动分析及改进措施

蒋久松，康文，张宏，刘国云

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004)

国家电网公司所属换流站内变压器、油浸式电抗器的非电量保护，其运行的可靠性和稳定性直接关系到直流系统的安全稳定运行。2003—2010年间，在运换流站由于瓦斯、油流、SF6密度或压力等非电量保护误动累计导致9次直流闭锁，仅2010年以来就导致6次直流闭锁。实际上换流变本体都没问题，而是油流继电器等非电量保护及回路误动导致。

文中对鹅城换流站换流变油流继电器动作跳闸的保护动作原因进行了分析，论述了非电量保护继电器的优化措施，即三取二改造的方案，对实施过程进行全面分析。

1 换流变油流继电器动作跳闸分析

1.1 故障过程及检查情况

2010年12月9日01:04:13:673，事件记录发出“P1A1 Delta Phase A OLTC Oil Flow Relay 14.1 Trip”(极I Y/D相控制系统A发出分接头油流继电器14.1跳闸)，控制系统B无该跳闸事件，极I控制保护系统发出Z闭锁信号。01:04:13:687，极I直流系统闭锁，双极功率1 366 MW全部转至极Ⅱ运行正常。

设备停电后，检查测量该继电器发出闭锁信号的干簧接点A(对应极控A系统)电阻为0.4 Ω，即确认已闭合，而该继电器送往极控B系统接点B为断开状态。排除控制系统或二次接线存在问题的可能性。将故障油流继电器14.1拆下后手动将油流继电器挡板部分推开，发现当继电器稍微振动时，误动干簧接点A会出现左右抖动，而正常接点B无抖动。

每台换流变配置2台OLTC分接头，在2台分接头油箱和油枕之间分别设14.1和14.2共2台油流继电器，当油流速＞1.5 m/s时油流推动相应的重瓦斯挡板向前移动，A/B跳闸接点都会被相应位置的磁铁吸合，送2套控制系统实现跳闸出口。油流继电器由机械和电气2部分构成。机械传动部分的关键部件包括固定支架、挡板、挡板传动螺丝、吸合磁铁和配重架。在结构上，挡板、吸合磁铁与配重架通过转轴定位在支架上，转轴为挡板、吸合磁铁和配重架旋转的支点。挡板传动螺丝(丝扣螺丝)固定在配重架上并相继穿过吸合磁铁、配重架和挡板，三者位置相对固定，配重架和吸合磁铁有一定的松动空间。

机械传动部分工作时，挡板被油流推动，绕转轴旋转的同时，挡板通过传动螺丝将转动力传递到配重架和吸合磁铁上，并带动配重架和吸合磁铁一起绕转轴旋转，如图1所示，磁铁与干簧接点靠近时，会使接点吸合。

图1 挡板传动示意图

1.2 原因分析

通过将故障继电器与新的继电器进行比对后发现有2点差异:1)相对正常干簧接点B，干簧接点A与磁铁 (磁铁随挡板的动作移动)间装配距离较近，故更容易吸合。2)发现与故障继电器的挡板传动螺丝出现磨损缺口，该缺口导致挡板容易振动。同时考虑当时鹅城换流站夜间气温较低且变化较大，会加剧该挡板 (带配重架)的振动。

故障原因分析:1)在换流变压器运行的过程中，变压器本身的震动会带动镶嵌吸合磁铁的金属片一起振动，长期振动产生的摩擦使传动螺丝出现缺口，随着传动螺丝缺口加大，磁铁振动幅度相应增大;2)误动的干簧接点在工厂装配时与吸合磁铁的安全距离偏小，一旦吸合磁铁与干簧接点接近，吸力就会使干簧接点保持在吸合状态，引起保护误动。

该型油流继电器在结构设计上选用螺纹式的挡板传动螺丝，并且螺丝的强度、刚性都不够，是导致螺丝磕出凹槽，引起镶嵌吸合磁铁的钢片位移量增大，进而引起误动的根本原因。

2 相关后续工作

2.1 检查和试验项目

1)传动试验和跳闸接点同步性校核

对全站在运换流变压器和平波电抗器的瓦斯继电器和油流继电器进行传动试验。通过按压继电器上“功能试验按钮”对90只瓦斯继电器、24只油流继电器进行了试验，查看运行人员工作站报警事件、跳闸事件记录，记录双系统报警事件的时间差值，并使用故障录波仪记录继电器2付跳闸接点电压波形，校核其动作同步性。

2)绝缘试验

使用兆欧表 (500 V)测量换流变和平抗瓦斯继电器、油流继电器报警和跳闸接点的绝缘电阻，测量结果正常。

3)抽查瓦斯、油流继电器机械部件

取出P1-Y/D-B相换流变压器14.2油流继电器和P1-Y/Y-C相换流变压器1.1瓦斯继电器机械部件，继电器挡板和配重架安装牢固;两侧干簧管与磁铁间距没有明显异常;挡板传动螺丝安装牢固，存在轻微磨损情况;接点引线未发现问题。

2.2 发现的问题分析

1)P1-Y/Y-C相换流变压器1.1瓦斯继电器故障

通过传动试验检查发现，在按压试验按钮时，P1-Y/Y-C相换流变压器1.1瓦斯继电器A系统跳闸接点正常动作 (接点闭合)，而B系统跳闸接点 (33-43)不动作 (保持常开状态)，跳闸波形和事件记录分别如图2，3所示。

2)部分瓦斯继电器接点不灵活

检查发现，换流变压器5只瓦斯继电器跳闸接点动作不灵活 (P1-Y/D-A相1.6、P1-Y/D-B相1.3，P1-Y/D-C相1.3，P2-Y/D-A相 1.6、P2-Y/Y-C相1.6)，在前3次按压试验按钮时，B系统跳闸接点不动作，但经过几次按压后，B系统跳闸接点能够与A系统跳闸接点同步动作。

2.3 后续处理措施

1)P1-Y/Y-C相换流变压器1.1瓦斯继电器更换处理。EMB公司技术人员见证了现场该继电器更换全过程。更换后，A/B系统跳闸接点动作同步性正常，2付接点动作时差为5 ms。

2)动作时间结果记录。经检查，换流变压器和平波电抗器瓦斯和油流继电器均可正常发出报警、跳闸事件，2付跳闸接点动作同步性正常，动作时差均在20 ms左右。

3 保护三取二改造措施

3.1 当前非电量保护存在问题

以鹅城换流站为例，当前换流变、平抗非电量保护配置中，继电器的任一跳闸接点动作均会直接出口执行极闭锁。单极闭锁风险较大，且不满足《国家电网公司防止直流换流站单、双极强迫停运二十一项反事故措施》中第1.1条要求。换流变本体控制保护系统接口ETCSA和ETCSB单接点动作直接出口信号多达20路。

根据国家电网公司《关于进一步加强直流换流站遗留隐患治理的通知》和《关于印发换流变压器油流和瓦斯继电器改进措施研讨会纪要的通知》的意见，进行换流变压器设备非电量保护“三取二”改造，避免单一继电器及回路故障导致直流系统误闭锁。

3.2 改造总体原则

非电量保护改造总体设计原则为三取二方式实现，ABB相关工程 (龙政、江城、宜华)利用现有的ETCS和ERCS装置，通过增加外部电缆和IO板卡，在ETCS和ERCS中实现非电量保护三取二功能。主瓦斯和油流更换为带3付接点的继电器，部分无法直接提供3付跳闸接点的继电器如SF6密度等采用报警与跳闸综合判断方式〔1〕。如图4所示。

图4 改造原理图

3.3 瓦斯和油流继电器产品的改进措施

国家电网公司及相关运维单位组织有关厂家开展了大量研究和改进工作。2011年3月13日和3月22日，宝鸡换流站极I换流变C相本体重瓦斯误动并导致极I闭锁。2011年5月国家电网公司生技部在北京组织召开了改进措施研讨会，督促EMB公司完成了如下方面的产品改进措施。

EMB公司生产的瓦斯继电器内浮球存在质量问题。经该公司内部排查，全球累计发生5次由于浮球问题导致的瓦斯继电器误动 (EMB公司每年供货约13 000只)，故障原因均为2个半球熔接处太薄，检测过程中没有发现熔接处的微小缝隙。该公司提出了浮球检测改进措施:卡尺测量浮球边缘厚度小于2 mm时列为不合格产品;增加在真空容器中注油后加压-1.0bar持续3 h的测试工序，便于浮球内气体的渗出和油的渗入，提前发现问题〔2〕。与宝鸡站相同批次的产品已全部更换。

3.4 三取二改造具体实施方案

3.4.1 涉及范围及措施

2012年年度检修期间，鹅城换流站组织将换流变油流继电器、瓦斯继电器统一更换为3付跳闸接点型继电器，采取3付跳闸接点需独立采集信号做3取2逻辑判断，其它本体保护继电器需在A，B系统间硬件共享保护跳闸和报警信号。其它已投运的换流站也陆续进行了三取二改造。

3.4.2 改造效果分析

本次改造虽涉及范围广且工作量较大，改造后对现场防止单双极闭锁效果显著，如表1所示。

从表1可知，通过本次改造可有效避免由于继电器、板卡单一接点故障导致的保护误动，而对于概率相对较小的第3种故障工况无改善。

4 结束语

总之，通过上述的非电量保护改造措施，最大程度上实现了在防止拒动的同时避免单一跳闸接点或回路误动。同时，通过对瓦斯、油流继电器的质量检测和监督，切实保障主设备的安全稳定运行。

〔1〕国家电网公司生直流〔2011〕79号 关于进一步加强直流换流站遗留隐患治理的通知〔Z〕.

〔2〕国家电网公司生直流〔2011〕77号印发换流变压器油流和瓦斯继电器改进措施研讨会记要的通知〔Z〕.